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San Salvador 16 enero – 3 febrero 2002

Asociación Catalana de Ingeniería Sin Fronteras

Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”

Presentación De la colaboración existente entre la Asociación Catalana de Ingeniería Sin Froteras (ESF) y la Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas” de San Salvador (UCA) surge el II Curso “Tecnologías para el abastecimiento y saneamiento de agua en proyectos de cooperación al desarrollo en zonas rurales”. Este documento nace como complemento de dicho curso y es por ello que algunos temas están tratados con mayor profundidad que otros.

Sean pues estas páginas una recopilación de los conocimientos teóricos y tecnológicos básicos existentes en el ámbito de los proyectos de aguas; quedando como tarea del lector el ampliar dichos conocimientos en la bibliografía aportada.

San Salvador, 4 de febrero de 2002

Ing. Ignasi Salvador Representante de la

Asociación Catalana de Ingeniería Sin Fronteras

Ing. Ismael Sánchez

Jefe del Departamento de Ciencia Energéticas y Fluídicas

UCA

Índice 3

Índice HIDROLOGÍA GENERAL......................................................................................................... 5

1. EL CICLO HIDROLÓGICO........................................................................................................ 5 1.1. COMPONENTES DEL CICLO HIDROLÓGICO.............................................................................. 5 1.2. BALANCE HIDROLÓGICO....................................................................................................... 6 2. ANÁLISIS DE LA PRECIPITACIÓN ............................................................................................ 8 2.1. LA MEDICIÓN DE LA LLUVIA.................................................................................................. 8 2.2. PLUVIÓMETROS .................................................................................................................... 8 2.3. ANÁLISIS ESTADÍSTICO - CURVAS IDF.................................................................................... 9 2.4. LLUVIA DE DISEÑO.............................................................................................................. 10 2.5. AFORO POR MEDIDA DE VELOCIDAD........................................................................ 10

HIDRÁULICA GENERAL ....................................................................................................... 12

3. FLUJO EN PRESIÓN............................................................................................................... 12 3.1. PÉRDIDAS ENERGÉTICAS..................................................................................................... 13 3.1.1. LONGITUDINALES ............................................................................................................. 13 3.1.2. PUNTUALES...................................................................................................................... 14 3.2. ECUACIÓN BÁSICA DE LA HIDRÁULICA ............................................................................... 15 3.3. GOLPE DE ARIETE ............................................................................................................... 16 3.3.1. CONDUCTO ÚNICO............................................................................................................ 16 3.3.2. CONDUCTOS EN SERIE....................................................................................................... 17 4. FLUJO EN LÁMINA LIBRE ..................................................................................................... 18 4.1. TRINOMIO DE BERNOULLI Y TIPOS DE FLUJO....................................................................... 18 4.2. FÓRMULA DE MANNING ..................................................................................................... 19

ABASTECIMIENTOS Y CAPTACIONES .............................................................................. 21

5. CAPTACIÓN SUPERFICIAL DE AGUAS....................................................................... 21 5.1. CLASES DE AGUA A CAPTAR................................................................................................ 21 5.2. CAPTACIÓN DE AGUAS DE LLUVIA ...................................................................................... 21 5.2.1. IDEAS GENERALES............................................................................................................. 21 5.2.2. TIPOS DE ALJIBE ............................................................................................................... 22 5.3. CAPTACIONES EN ARROYOS Y RÍOS..................................................................................... 24 6. CAPTACIÓN SUBTERRÁNEA DE AGUAS.................................................................... 27 6.1. CLASES DE AGUA A CAPTAR................................................................................................ 27 6.2. TIPOS DE ACUÍFEROS .......................................................................................................... 27 6.3. MANANTIALES ................................................................................................................... 28 6.3.1. TIPOS DE MANANTIAL ........................................................................................................ 28 6.3.2. CONDICIONES DE LAS OBRAS DE CAPTACIÓN ...................................................................... 29 6.3.3. TIPOLOGÍA DE LAS OBRAS.................................................................................................. 30 6.4. POZOS ................................................................................................................................ 32 6.4.1. ECUACIÓN DIFERENCIAL DE POZO ..................................................................................... 33 6.4.2. PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN .......................................................................................... 37 6.4.3. PROYECTO Y EJECUCIÓN DE POZOS.................................................................................... 38

Índice 4

7. TRANSPORTE ....................................................................................................................... 44 7.1. TRANSPORTE POR CANAL................................................................................................... 44 7.2. TRANSPORTE POR TUBERÍA: BOMBEO................................................................................. 44 7.2.1. TIPOS DE BOMBA .............................................................................................................. 45 7.2.2. CAUDAL CIRCULANTE DADA UNA BOMBA Y UNA INSTALACIÓN .............................................. 48 7.2.3. ELECCIÓN DE UNA BOMBA DADA UNA INSTALACIÓN ............................................................ 50 7.2.4. ELECCIÓN DE MOTOR PARA UNA BOMBA............................................................................. 51 7.2.5. RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 51 8. REDES DE DISTRIBUCIÓN A PRESIÓN ................................................................................... 52 8.1. FUNCIÓN DE LAS REDES DE ABASTECIMIENTO ..................................................................... 52 8.2. TIPOS DE REDES............................................................................................................. 52 8.3. ASBTRACCIÓN DE LA RED ................................................................................................... 53 8.4. CAUDALES DE DISEÑO......................................................................................................... 53 8.4.1. CONSUMO HUMANO.......................................................................................................... 54 8.4.2. CONSUMO INDUSTRIAL...................................................................................................... 55 8.4.3. OTROS CONSUMOS............................................................................................................ 56 8.5. OBJETIVO DEL DIMENSIONAMIENTO.................................................................................... 56 8.5.1. PRESIONES ADMISIBLES EN LA RED DE DISTRIBUCIÓN.......................................................... 56 8.5.2. VELOCIDADES ADMISIBLES ................................................................................................ 57 8.6. FIJACIÓN DE OTROS PARÁMETROS ...................................................................................... 57 8.7. COMPROBACIÓN: CÁLCULO DE CAUDALES, VELOCIDADES Y PRESIONES ............................. 58 8.8. ELEMENTOS DE LA RED DE AGUA A PRESIÓN....................................................................... 59 8.8.1. VÁLVULAS DE CORTE ......................................................................................................... 59 8.8.2. VÁLVULAS REDUCTORAS DE PRESIÓN.................................................................................. 60 8.8.3. VÁLVULAS MANTENEDORAS DE PRESIÓN ............................................................................. 60 8.8.4. VÁLVULAS REGULADORAS DE FLUJO................................................................................... 60 8.8.5. CONTADORES.................................................................................................................... 60 8.8.6. VENTOSAS......................................................................................................................... 61 8.8.7. VÁLVULAS DE DESAGÜE..................................................................................................... 61 8.8.8. ARQUETAS Y TAPAS............................................................................................................ 61 8.8.9. PIEZAS EN T ...................................................................................................................... 61 8.8.10. RED PRIVADA.................................................................................................................. 61

ESF

“Tecnologías para el abastecimiento y saneamiento de agua en proyectos de cooperación al desarrollo en zonas rurales”

Hidrología general 5

H I D R O L O G Í A G E N E R A L

1. EL CICLO HIDROLÓGICO

1.1. COMPONENTES DEL CICLO HIDROLÓGICO El ciclo hidrológico es el conjunto de procesos que sufre el agua de forma natural sobre La Tierra. Consta de los siguientes componentes:

- Precipitación. El ciclo se inicia cuando una parte del vapor de agua de la atmósfera se condensa y da origen a precipitación en forma de lluvia, nieve, etc.

- Intercepción. No toda la precipitación alcanza la superficie del terreno, ya que una parte se vuelve a evaporar en su caída y otra es retenida por la vegetación y vuelve a la atmósfera, al poco tiempo, en forma de vapor. La intercepción se valora, en general en pocos mm/año y es porcentualmente mayor cuanto menor es la precipitación.

- Evapotranspiración. Es la utilización de agua por parte de las plantas y la evaporación del suelo. Depende fundamentalmente de la presencia de agua en el suelo, de la temperatura del aire, de la radiación solar y del viento.

- Retención superficial. Está formada por el agua que es retenida en superficie durante el aguacero en depresiones topográficas, ya sea en pequeñas hondonadas o en depresiones de mayor entidad, formando charcos. Finalmente, puede escurrir superficialmente o infiltrarse cuando cesa el aguacero.

- Escorrentía superficial. Es el caudal que no entra al terreno, sino que resbala por él hasta las vías preferentes de drenaje.

- Infiltración. Es la penetración de aguas superficiales en la matriz del suelo. Tiene como límite superior la capacidad de infiltración, que es el máximo caudal de agua por unidad de superficie que puede infiltrarse en un terreno dado, en función de la humedad que tenga en ese instante. Además de la humedad, la infiltración es función de la porosidad y permeabilidad del terreno.

- Flujo subsuperficial. Es el caudal que discurre por los primeros metros de una sección vertical. Su movimiento es rápido (mayor que el del acuífero), debido a que la conductividad hidráulica es alta. A menudo está formado por flujo saturado en acuíferos colgados que se forman como respuesta a un aguacero. En otros casos el flujo es a través de las vías preferentes hechas por raíces desecadas o macroporos. Este componente del ciclo hidrológico es en algunas cuencas la parte más importante en volumen del hidrograma de respuesta a una lluvia.

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- Flujo de retorno o rezume. Es el caudal que, tras un cierto recorrido por el suelo, reaparece en superficie, especialmente en zonas de alto grado de saturación.

- Escorrentía subterránea. Es la descarga del acuífero, ya sea disperso en el cauce del río o concentrado en forma de manantiales. Proporciona el caudal base en los ríos en la época de estiaje.

1.2. BALANCE HIDROLÓGICO El balance hidrológico es la aplicación de la conservación de la masa de agua existente en nuestro planeta y en su total incluirla toda el agua existente (océanos, ríos, subterráneas, etc.), pero en hidrología este balance se limita a las fases no gaseosas correspondientes a una zona concreta y a un período de tiempo determinado.

La zona física considerada habitualmente es la cuenca hidrográfica, es decir, aquella que no tiene aportaciones superficiales ni subterráneas de otras áreas. O lo que es lo mismo, es aquella superficie en la cual todas las aguas fluyentes, tanto superficiales como subterráneas, llegan a desembocar en un mismo punto.

El período de tiempo es normalmente un año, el denominado año hidrológico que comienza el 1 de Octubre y finaliza el 30 de Septiembre.

El balance final se puede expresar como:

P = I + E + F + A + Pneta

Dónde,

P = precipitación total;

I = precipitación interceptada por la cubierta vegetal; E = evaporación y evapotranspiración;

N = Infiltración;

A = almacenamiento del suelo (encharcamiento);

Pneta = precipitación neta o escorrentía;

Si uno pretende conocer el agua que entra en un acuífero debe recordar que, como en todo sistema aislado, se cumple que:

E – S = ∆V

Donde,

E = entradas en el sistema;

S = salidas del sistema;

∆V = variación de volumen dentro del sistema;

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Dado que estamos hablando de un acuífero, podemos calcular las entradas al sistema del siguiente modo:

E = P – Q

Dónde,

E = entradas en el sistema; también llamadas déficit de escorrentía P = precipitación;

Q = escorrentía;

Por otro lado, es habitual plantear este déficit de escorrentía a partir del llamado coeficiente de escorrentía C:

C = Q / P , así pues

E = P · (1 - C)

Dónde,

E = entradas en el sistema acuífero;

C = coeficiente de escorrentía; P = precipitación;

Q = escorrentía;

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Hidráulica general 8

2. ANÁLISIS DE LA PRECIPITACIÓN

2.1. LA MEDICIÓN DE LA LLUVIA La medición de la lluvia total registrada en un episodio es un procedimiento sencillo. Consiste en acumular el agua precipitada en un recipiente, de manera que la altura de agua, en mm, es igual a la precipitación total, en l/m2. Así se puede obtener la precipitación total anual, como suma de todos los aguaceros del año.

Hay que tener en cuenta la altísima variabilidad espacial que puede tener la lluvia, especialmente en zonas costeras o de fuertes pendientes. Ello puede obligar a colocar, por ej., un pluviómetro cada 5 o 10 km2.

2.2. PLUVIÓMETROS Los pluviómetros son los aparatos que se utilizan para medir la lluvia.

Los que se utilizan actualmente son los llamados de pulsos o de balancín. Estos pluviómetros consisten en dos cazoletas, situadas a modo de balanza. El agua recogida de la lluvia va a parar a una de ellas. Cuando esta cazoleta tiene 1 mm de lluvia, por el peso vuelca y la lluvia siguiente es recogida por la otra cazoleta, y así sucesivamente. Cada vez que una cazoleta vuelca, se induce un pulso de corriente, que es traducido y puede ser almacenado en soporte informático o grafiado en papel.

El resultado es el hietograma de la lluvia, que es el gráfico intensidad (mm/h) – tiempo (min). Para que refleje suficientemente bien la evolución de la lluvia a lo largo del tiempo, debe tener un valor de la intensidad cada 5 minutos, como mínimo.

La integral de esta curva, es decir, el área entre ella y el eje de abcisas, es la precipitación total acumulada; dicho de otro modo, la suma en un periodo de tiempo cualquiera de todas las intensidades multiplicadas por el tiempo en el que se han medido, nos proporcionan el total de lluvia caída en ese periodo.

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2.3. ANÁLISIS ESTADÍSTICO - CURVAS IDF Antes de entrar a exponer las curvas IDF, es necesario proporcionar la definición de período de retorno T como el tiempo medio que tarda un suceso en ser superado. Por ejemplo, la intensidad de 10 años de período de retorno es aquélla que en promedio sólo se supera una vez cada 10 años.

Cuando se dispone de información de la lluvia en una zona a lo largo de años o decenas de años, se puede usar distribuciones estadísticas de extremos para estimar los valores de precipitación total e intensidades asociadas a diferentes duraciones y períodos de retorno. De esta manera, se pueden deducir las curvas IDF (intensidad – duración – frecuencia) para una zona concreta.

Esta familia de curvas consisten en una curva intensidad – duración para cada período de retorno.

La forma de las curvas revela que:

- a igual período de retorno, la intensidad decrece con la duración

- a igual intensidad, la duración del aguacero aumenta con el período de retorno

- a igual duración del aguacero, la intensidad es mayor con un mayor período de retorno

Por tanto, la probabilidad de que llueva una intensidad alta en pocos minutos es igual a que llueva una intensidad menor con mayor duración.

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2.4. LLUVIA DE DISEÑO Conocidas las curvas IDF, se puede elaborar una lluvia de diseño adecuada para una zona concreta, con los siguientes criterios:

- la curva debe tener una rama ascendente y una descendente. - debe elegirse el período de retorno de diseño: en redes de alcantarillado o

drenaje urbano suele ser 10 años.

- fijado el período de retorno, debe traducirse la curva intensidad – duración a un hietograma en concreto. Esto se consigue imponiendo el criterio de que la lluvia de diseño debe tener para cada duración (5, 10, 15, 20 minutos, ...) la intensidad que se deduce de la curva intensidad – duración.

La lluvia de diseño es útil para el dimensionamiento de redes de alcantarillado o drenaje urbano.Aforos de caudales en ríos El aforo de una corriente de agua es la medida del caudal circulante que pasa por una sección en un momento determinado:

Q = v · S

Dónde, Q = caudal circulante, m3/s;

v = velocidad media de la corriente, m/s;

S = sección de control, m2;

Los distintos métodos para calcular el aforo son:

- Aforo por medida de velocidades; - Aforo por medida del nivel de agua en una sección de control;

- Aforo por trazadores;

En este documento únicamente se desarrolla el aforo por medida de velocidad por ser el más extendido y sencillo.

2.5. AFORO POR MEDIDA DE VELOCIDAD El problema principal que se plantea en el aforo es la diferencia de velocidades entre los distintos puntos de la sección.

Este método exige la medida de la velocidad mediante unos aparatos denominados molinetes, constituidos por una hélice o aspa que gira en función de la velocidad del agua. La velocidad lineal del agua queda entonces en función del número de vueltas dividido por el tiempo, cociente que se mide mediante un dispositivo contador electrónico.

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La ecuación que relaciona el número de vueltas con la velocidad es la siguiente: v = a · n + b

dónde,

v = velocidad media en la sección, m/s;

a = constante del aparato;

n = velocidad angular, rev/s;

b = constante del aparato;

La sección total de un cauce se divide en pequeñas secciones y de cada una de ellas se obtiene una vi, de forma que:

Q = Σ vi·Si

Dónde,

Q = caudal total circulante por el cauce, m3/s; Vi = velocidad media de la sección i del cauce, m/s;

Si = área correspondiente a la sección i del cauce, m2.

Si, el cauce es relativamente pequeño y regular, puede tomarse una única medida teniedo en cuenta que la velocidad media en una vertical es igual a la velocidad medida a 0,6 de la profundidad total de la lámina de agua medida a partir de la superficie del agua.

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H I D R Á U L I C A G E N E R A L

3. FLUJO EN PRESIÓN

El movimiento del agua es debido a una diferencia en energías.

La energía por unidad de masa de agua se puede expresar mediante el llamado trinomio de Bernoulli, cuyos tres términos corresponden respectivamente a las energías potencial, de presión y cinética:

H = z + P/γ + v2/2g

Dónde, H = energía de Bernoulli, m.

z = cota del punto de estudio, m.

P = presión en el punto de estudio, kg/m2.

γ = densidad del fluido, kg/m3.

v = velocidad media del flujo, m/s.

g = gravedad, 9.81 m/s2.

Veamos por ejemplo el siguiente caso:

A. 315 m

B. 280 m

250 m de tubería PVC 3"

Intentaremos calcular qué caudal circula por una tubería como esta. Para ello empezaremos escribiendo la energía de la masas de agua situadas en la capa más elevada de ambos depósitos A y B:

HA = zA + PA/γ + vA2/2g = 315 + 0/γ + 0/2g = 315 m

HB = zB + PB/γ + vB2/2g = 280 +0/γ + 0/2g = 280 m

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Destacar que las presiones en A y B son nulas puesto que tomamos presiones respecto a la atmosférica. La velocidad es nula si asumimos que el depósito es suficientemente grande como para que la capa superior esté prácticamente quieta.

3.1. PÉRDIDAS ENERGÉTICAS Las pérdidas energéticas producidas en una tubería se pueden expresar como la suma de las pérdidas longitudinales ∆HL (también llamadas 'pérdidas por metro lineal'), debidas al roce de la masa de agua con las paredes de la tubería, y las pérdidas localizadas o puntuales ∆HP, debidas a cambios bruscos en la sección de la misma (válvulas, entradas a depósitos, etc).

3.1.1. LONGITUDINALES Para expresar las pérdidas longitudinales existen multitud de formulaciones; todas ellas tienen en cuanto los siguientes conceptos:

1. A mayor caudal circulante por la tubería, mayores son las pérdidas.

2. A mayor rugosidad en la tubería (debido a los distintos materiales con los que se pueden construir), mayores son las pérdidas.

3. A menor diámetro de la tubería, mayores son las pérdidas.

Puede verse como todos ellos son evidentes si se piensa que las pérdidas longitudinales son debidas al rozamiento.

Uno de los métodos más utilizados en el cálculo de fluidos a presión es la denominada fórmula de Hazen-Williams1; cuya expresión es la siguiente:

∆ 871.4852.1

852.1727.4dC

QLHL ⋅⋅⋅=

Dónde, HL = pérdidas longitudinales, ft.

Q = caudal, ft3/segundo.

L = longitud de la tubería, ft.

d = diámetro de la tubería, ft.

C = Coeficiente de rozamiento de Hazen-Williams (adimensional)

Esta misma ecuación se podría escribir en unidades del sistema internacional, convirtiendo el 4.727 convenientemente.

1 Existen otras formulaciones, como por ejemplo la de Darcy-Weisbach; pero se adopta aquí la de Hazen-Williams por ser la más extendida en los cálculos de pérdidas en conducciones a presión.

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Algunos de los valores de la constante C los podemos obtener de la siguiente tabla:

Material C

Hierro 130-140

Concreto 120-140

Hierro galvanizado 120

Plástico 140-150

Acero 140-150

Arcilla vitrificada 110

En nuestro caso tendremos lo siguiente:

∆ 852.1871.4852.1

852.1

871.4852.1

852.1

27.46825.0120

21.820727.43120

250727.4 QQin

QmH L ⋅=⋅

⋅⋅=⋅

⋅⋅=

3.1.2. PUNTUALES Las pérdidas localizadas se expresan mediante un coeficiente que multiplica a la aportación de la velocidad en el trinomio de Bernoulli. Así pues, su expresión más general es la siguiente:

∆HP = Σλ v2/2g

Dónde, HL = pérdidas puntuales, ft o m.

v = velocidad media del flujo, ft/s o m/s.

g = gravedad, ft/s2 o m/s2.

λ = Coeficiente de pérdidas localizadas (adimensional)

Los valores de esos coeficientes λ se pueden hallar en multitud de tablas. Algunos de los valores más corrientes son los siguientes:

Caso λ

Ensanchamiento brusco 1

Reducción brusca 0,5

Codo 45º 0,1

Codo 90º 0,2

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Así pues, en nuestro ejemplo tenemos lo siguiente (transformándolo todo a unidades anglosajonas):

∆HP = (1+0.1+0.5) v2/2g = 1.6 (Q/S)2/2g = 1.6 Q2/((Πr2)2 2g) = 1.6 Q2/((Π ·0.1252)2 ·2· 32,18) = 10,317 Q2

3.2. ECUACIÓN BÁSICA DE LA HIDRÁULICA La ecuación básica de la hidráulica es tan sencilla como decir que “la energía no se crea ni se destruye”. Así pues, si entre dos puntos cualesquiera conectados hidráulicamente, por ejemplo con una tubería, existe una diferencia de energías, esa diferencia corresponde a las pérdidas producidas en ese tramo de tubería.

Así pues tendremos lo siguiente:

HA = HB + ∆H

315 = 280 + ∆H

∆H = 35 m =114.83 ft

Puesto que ya hemos calculado las pérdidas en la tubería, podemos escribir lo siguiente:

114.83 = 468.27 Q1.852 + 10,317 Q2

Ésta es pues la ecuación que debemos resolver. Únicamente recordar que su significado es claro: la diferencia de energías entre dos puntos hidráulicamente conectados es consecuencia de las pérdidas producidas en la tubería.

Para resolver la ecuación podemos utilizar algún programa de cálculo o proceder mediante aproximaciones sucesivas. Para ello supondremos un caudal y calcularemos las pérdidas energéticas que ese caudal produciría en la tubería; si superan la diferencia de energías entre A y B deberemos probar con un caudal inferior; si, por el contrario, las pérdidas producidas por ese caudal no alcanzan la diferencia de energías entre A y B deberemos aumentarlo.

Iteración Caudal (ft3/s) Pérdidas (ft)

1 1 478.58

2 0.5 132.29

3 0.4 87.45

4 0.47 117.95

5 0.465 115.63

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Así pues ya conocemos el caudal circulante entre depósitos: Q = 0.465 ft3/s = 13,16 l/s

3.3. GOLPE DE ARIETE Se denomina golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las paredes de un conducto forzado, cuando el movimiento del líquido es modificado bruscamente.

En el caso del cierre de una válvula, la fuerza viva con la que el agua se movía se convertirá en trabajo, determinando en las paredes de la tubería sobrepresiones.

Si el tiempo de cierre fuera nulo, el agua incompresible y la tubería inelástica, dicha sobrepresión sería infinita. Pero eso no resulta ser así.

El mecanismo del fenómeno comprende las siguientes etapas:

- Con el cierre de la válvula, la lámina de agua más cercana a ella se comprime y s enegía de velocidad se convierte en energía de presión, dilatando el tubo. Lo mismo sucede enseguida en las láminas de agua colindantes. De ese modo se propaga una onda de presión hasta el depósito con celeridad C.

- Al llegar al depósito, el agua tiende a salir hacia él, de forma que de manera sucesiva las láminas de agua tienden a desplazarse hacia el depósito. Como el extremo inferior está cerrado, se producirá una depresión interna.

- Debido a la depresión en la tubería, el agua tiende a ocuparla nuevamente. Y así sucesivamente. El proceso se ve amortiguado por la fricción de forma que al final se llega al reposo.

3.3.1. CONDUCTO ÚNICO La velocidad de propagación de la onda puede ser calculada por la conocida fórmula de Allievi,

C=9900/(48,3+k·D/e)1/2

Dónde,

C = celeridad de la onda, m/s.

D = diámetro de los tubos,m.

e = espesor de los tubos, m. k = coeficiente que tiene en cuenta los módulos de elasticidad.

Los valores más usuales para el coeficiente k son los siguientes: Material k

acero 0,5

hierro fundido 1,0

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Material k

concreto 5,0

asbesto-cemento 4,4

plástico 18,0

concreto armado 0,5

La celeridad generalmente está alrededor de 1000 m/s. No es difícil comprobar que el tiempo transcurrido T entre dos sobrepresiones consecutivas, llamado fase o periodo de la tubería, resulta ser lo siguiente:

T=2L/C

Dónde, T = fase o periodo de la tubería, s.

L = longitud de la tubería, m.


El tiempo de cierre de la válvula t es un importante factor. Si el cierre es muy rápido, la válvula quedará completamente cerrada antes de actuar la onda de depresión. Por otro lado, si la válvula es cerrada lentamente, habrá tiempo para que la onda de depresión actúe, antes de la obturación completa.

De ahí la clasificación de las maniobras de cierre en rápido o lento según sea menor o mayor que 2L/C respectivamente.

Las sobrepresiones correspondientes, en metros de columna de agua son las siguientes:

- ∆P = C·V/g (Cierre rápido t>2L/C).

- ∆P = C·V/g (Cierre lento t<2L/C).

Dónde, C = celeridad de la onda, m/s.

V = velocidad media del flujo, m/s.

g = aceleración de la gravedad, 9,81 m/s2.


t = tiempo de cierre de la válvula, s.

3.3.2. CONDUCTOS EN SERIE Para conductos en serie, constituidos por longitudes L1, L2, L3, ... y áreas A1, A2, A3, ... distintas se puede considerar un conducto equivalente con las siguientes características:

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L= L1+ L2·A1/ A2+L3·A1/ A3 +... A=A1

El resto de cálculos se pueden realizar considerando que se trata de una única conducción con longitud L y área A.

4. FLUJO EN LÁMINA LIBRE

4.1. TRINOMIO DE BERNOULLI Y TIPOS DE FLUJO Supuesto un canal, para entender el porqué del movimiento analizamos el valor del trinomio de Bernoulli en dos puntos cualesquiera de la superficie de agua:

1. La presión es la misma a lo largo de todo el canal y coincide con la atmosférica. 2. Si la sección del canal no varía a lo largo del canal y el caudal es constante, entonces la

velocidad es constante.

3. La cota es distinta entre un punto y el otro.

Así pues las pérdidas de energía se producen por pérdida de cota. En flujo en lámina libre, el trinomio de Bernoulli se puede expresar de la siguiente manera:

H = z + y + v2/2g

Dónde,

H = energía por unidad de masa

z = cota de la solera del canal.

y = profundidad máxima en la sección. v = velocidad media del flujo.

g = aceleración de la gravedad.

Las ecuaciones de describen el flujo en lámina libre son distintas según las características del canal y el caudal que circule. Para delimitar los distintos tipos de flujo se utilizan las siguientes magnitudes.

El flujo en lámina libre queda caracterizado por el número de Reynolds y por el número de Froud. El primero da cuenta de la importancia relativa de las fuerzas de inercia respecto a las fuerzas viscosas; el segundo representa el doble de la relación entre la energía cinética y la energía potencial del flujo. Sus expresiones son las siguientes:

hgVFrRV h

⋅=

⋅⋅=

24Re

ν

Dónde,

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Re = número de Reynolds. V = velocidad media del flujo.

Rh = radio hidráulico (cociente entre sección de agua S, y perímetro mojado P).

ν = coeficiente de viscosidad cinemática del agua; varía con la presión y la temperatura, pero puede tomarse un valor de 10-6 m2/s.

Fr = número de Froud.

g = aceleración de la gravedad. h = profundidad o altura máxima del agua en el canal o conducto.

El número de Reynolds nos permite realizar la siguiente división:

1. Re < 2300. Movimiento laminar.

2. Re > 2300. Movimiento turbulento.

El número de Froud nos permite realizar la siguiente división:

1. Fr > 1. Flujo rápido.

2. Fr < 1. Flujo lento.

3. Fr = 1. Flujo crítico.

De las distintas combinaciones de estos dos parámetros, junto con la estacionariedad o no del flujo, surgen diversas soluciones al flujo en lámina libre. Todas ellas resultan interesantes desde el punto de vista acedémico; pero no así desde el punto de vista práctico. Es por ello que se expone únicamente aquí la solución en régimen permanente y uniforme.

4.2. FÓRMULA DE MANNING Es quizás la fórmula más utilizada en el cálculo de canales, cunetas, etc (en general en todo aquello que implique flujo en lámina libre en condiciones estacionarias e uniformes). La formulación es la siguiente:

3/4

22

hRnvi ⋅=

Dónde,

i = pendiente media del canal, en tanto por uno y no en tanto por ciento.

v = velocidad media del flujo, m/s. n = coeficiente de Manning: depende del tipo de canal.

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Rh = radio hidráulico, m. Resulta ser el cociente entre la sección de agua y el perímetro de canal o tubo mojado.

Los valores del coeficiente de Manning son los siguientes:

Tipo de conducto n, coeficiente de Manning

Revestimiento de concreto burdo 0,017-0,018

Revestimiento de homigón liso 0,012-0,016

Canal viejo con depósitos y vegetación 0,019-0,028

Canal en tierra 0,025-0,033

Canal en grava gruesa 0,028

Canal en grava fina 0,022

Canal en arena 0,020

Canal en mampostería 0,018

Además de realizar este cálculo que permite predecir el caudal circulante por un canal ( o decidir la pendiente a dar para que circule un determinado caudal), es necesario desarrollar estudios colaterales para conocer aquellas perturbaciones que modifiquen la corriente estacionaria del canal, tales como cambio de sección, obstáculos, entradas y salidas, cambio de pendiente, etc.

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Abastecimiento y captaciones 21

A B A S T E C I M I E N T O S Y C A P T A C I O N E S

5. CAPTACIÓN SUPERFICIAL DE AGUAS

5.1. CLASES DE AGUA A CAPTAR Cuatro pueden ser las aguas a captar: las de lluvia, recogidas directamente; las de arroyos y ríos; las de lagos, y las de embalses.

Cada uno de estos tipos requieren de obras de distinta naturaleza e importancia. Pero, de concebirse y ejecutarse con las condiciones técnicas a hacerlo mal, pueden valer el que aseguren las buenas condiciones de potabilidad o no. Y que el resto de obras: conducciones o impulsiones, depósitos, redes y depuraciones, sufra las consecuencias.

Exceptuando el agua de lluvia, el resto de aguas poseen un serio problema frente a las subterráneas: la existencia de zonas habitadas o de pastoreo animal aguas arriba del punto de toma puede conllevar problemas sanitarios. Es por ello que es siempre necesario contar con información detallada y completa que permita visualizar su estado sanitario, caudales disponibles y calidad de agua.

5.2. CAPTACIÓN DE AGUAS DE LLUVIA No es fácil recoger suficiente cantidad de agua de lluvia para hacer abastecimientos de cierta importancia. Pero cuando no hay más remedio que acudir a esta solución se utilizan las cisternas.

Existen muchas regiones en que los enormes estiajes, unidos a la intensa evapotranspiración, agotan las disponibilidades de aguas, superficiales y profundas; y es en ellas donde la previsora recogida y adecuado almacenaje de las aguas de lluvia puede salvar la crítica situación en dichos estiajes.

5.2.1. IDEAS GENERALES La idea es bien sencilla; se trata de recoger el agua de lluvia que, por escorrentía, llega hasta un punto bajo y almacenarla. La recogida de aguas puede hacerse en los tejados o plazas acondicionadas.

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Pero esta agua arrastra impurezas de dichas superficies, por lo que para hacerla potable es preciso filtrarla. La filtración se consigue mediante la adecuada instalación de un filtro en la misma cisterna. La desinfección de las aguas puede hacerse por cloración. Un último punto a considerar es el mantenimiento y explotación, debiendo reemplazar cada 4 ó 5 años las capas filtro, limpiar los depósitos, siendo costumbre encalar interiormente las paredes.

5.2.2. TIPOS DE ALJIBE Tres son los tipos principales de aljibes son los siguientes:

1. El llamado veneciano o de masa arenosa filtrante, que queda embebida en el agua recogida, desde la cual pasa a un pozo central de donde se toma. Su capacidad ha de ser de 2,5 a 3,5 veces el volumen de agua a almacenar ya que el volumen de huecos de la arena es de 0,3 a 0,4.

2. El de filtro superior, en que a entrada de agua se efectúa superiormente, previo paso

por el filtro, sin permanecer en él más que el tiempo preciso para la filtración. Normalmente se utiliza para recogida de aguas de tejado poco sucias.

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3. El americano, en que el agua se recoge directamente y pasa por un filtro de arena de

grano creciente hacia el tubo de aspiración. Este filtro se constituye con anillos superpuestos colocados por la boca del registro.

4. El de tejado, especialmente diseñado para recoger el agua de lluvia procedente de un

tejado. Debe tenerse en cuenta que la losa superior debe ser absolutamente visitable, puesto que la bomba se acciona desde ella.

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Las cubiertas de los aljibes pueden ser: de bóveda por arista, o de concreto armado. Debe cubrirse con tierra a menos que la cubierta haga de zona de recogida.

Todos los aljibes deben contar con aliviadero y desagües de fondo para evitar sobrepresiones indeseadas y realizar tareas de limpieza cuando estas se requieran respectivamente.

La dotación a contar debe estar comprendida entre 25 y 50 l/hab·dia, pues no es lógico que sea la indicada como normal, a menos de tener que construir grandes depósitos no baratos de conservar tampoco.

5.3. CAPTACIONES EN ARROYOS Y RÍOS Para poder decidir si los arroyos o ríos (sobretodo los primeros) nos pueden servir de fuente de abastecimiento hace falta conocer:

1. Magnitud de las precipitaciones en la cuenca.

2. Superficie de la misma. 3. Coeficiente de escorrentía.

No sólo nos interesa conocer qué cantidad de agua circula por el arroyo o río a lo largo de un año; sino que también es necesario conocer su distribución en el tiempo. De ese modo podemos determinar qué caudal es el mínimo del año y, por tanto, qué cantidad de agua podemos asegurar durante todo el periodo del año completo.

Si el nivel de la corriente es apreciable, basta hacer un pozo en la margen, dándole entrada por encima del nivel de máximas avenidas: bien por una simple tapa, bien por caseta debidamente protegida por un terraplén periférico para evitar que una gran avenida nos destroce total o parcialmente la obra.

Conviene poner rejilla en el canal o galería de enlace con el río para evitar la entrada de cuerpos flotantes. Una separación típica entre barras es de 5 a 10 cm.

En el pozo puede ir el tubo de toma con su alcachofa, o el de salida a la conducción por gravedad (si el terreno lo permite) con su correspondiente llave de paso para aislamiento en caso necesario.

También en caso de impulsión o bombeo, puede ir la central de elevación, con sus grupos, inmediatamente encima del pozo o arqueta de toma.

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Si la corriente del río es lenta, puede colocarse la alcachofa de la toma con su tubo dentro del lecho, protegiéndola con defensas de empalizadas metálicas o de concreto.

No deben colocarse nunca en puntos en los que la corriente quede detenida o existan deposiciones de arenas o guijarros importantes.

Si la altura de agua en el arroyo es pequeña y sobre todo si la variación de dicha altura es importante, es conveniente recurrir a pequeños azudes.

El funcionamiento de un azud o represa se basa en obstaculizar la corriente normal de agua del río para conseguir un aumento de calado aguas arriba de la obra y poder realizar una toma por derivación sin demasiadas complicaciones.

El azud, al igual que cualquier toma de agua, debe contar con un sistema de seguridad para no rebosar cuando no se precise de agua. Éste es muy sencillo, se trata de un aliviadero que devuelve el agua al río un tramo más aguas abajo. Debe intentarse que dicho aliviadero esté orientado en el mismo sentido de la corriente del río para evitar sobreelevaciones y turbulencias.

La ecuación de funcionamiento del aliviadero resulta ser la siguiente2:

2 Esta misma ecuación permite medir el caudal circulante por un río, puesto que construido un pequeño azud y medidas la anchura y altura de la capa de agua, se obtiene directamente el caudal.

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Q = Cd · L · H 3/2 Dónde,

Q = caudal aliviado, m3/s.

Cd = coeficiente de descarga que varía entre 1,8 para aliviaderos de labio fino y 2 para aliviaderos de labio grueso, adimensional. L = longitud de descarga o ancho del aliviadero, m.

H = carga o grosor de agua sobre el aliviadero, m.

El azud no evita que entren arenas; es por ello que casi siempre las tomas directas en ríos importantes cuyas aguas sufren grandes turbiedades, suelen ir seguidas de unos estanques de predecantación o areneros, antes de entrar las aguas en la conducción o antes de ser elevadas. Y ello para evitar los problemas de los fangos. Un arenero o desarenador no es más que un tanque. Su funcionamiento se basa en el hecho de que la velocidad de decantación de las arenas y finos existentes en el agua es mayor cuanto mayor es su diámetro; por tanto, para que una arena fina decante es necesario que el agua circule lentamente y esté suficiente tiempo dentro del desarenador.

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6. CAPTACIÓN SUBTERRÁNEA DE AGUAS

6.1. CLASES DE AGUA A CAPTAR Parte de la precipitación en la cuenca se infiltra en el suelo hasta la zona de saturación, formando así las aguas subterráneas. La explotación de éstas dependerá de las características hidrológicas y de la formación geológica del acuífero.

La captación de aguas subterráneas se puede realizar a través de manantiales y pozos (excavados y tubulares) o galerías filtrantes. Las galerías filtrantes las podemos entender como pozos longitudinales; es decir, como una serie de pozos uno junto al otro.

Así pues la exposición se centrará en manantiales y pozos.

6.2. TIPOS DE ACUÍFEROS Los tipos de acuífero de acuerdo con la presión hidrostática del agua encerrada en los mismos son los siguientes:

1. Acuífero libre. También llamado no confinado o freático. Es aquel acuífero en el cual existe una superficie libre del agua encerrada en él, que está en contacto directo con el aire y por lo tanto, a presión atmosférica. Se reconocen porque al realizar un pozo, el nivel de agua no sube ni baja.

2. Acuífero confinado. También llamado cautivo o a presión. El agua está sometida a una cierta presión, superior a la atmosférica, y ocupa la totalidad de los poros. Durante la perforación de pozos, al atravesa el techo del acuífero se observa un ascenso rápido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posición. Serán pozos surgentes aquellos cuya capa de agua supere el nivel del terreno, y simplemente artesianos o a presión aquellos cuya capa de agua quede por debajo del terreno.

3. Acuífero semicautivo. También llamado semiconfinado. Se trata de un caso particular de acuífero confinado en el que la capa superior (techo) o la inferior (muro) no es totalmente impermeable sino un acuitardo.

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6.3. MANANTIALES Un manantial es aquel lugar en el que se produce un afloramiento natural de agua subterránea. El agua del manantial fluye por lo general a través de una formación de estratos con grava, arena o roca fisurada. En los lugares dónde existen estratos impermeables, éstos bloquean el flujo subterráneo del agua y permiten que aflore a la superficie.

6.3.1. TIPOS DE MANANTIAL Los manantiales pueden clasificarse en tres grupos: 1. De afloramiento o laterales: aparecen en las laderas de los valles, saliendo el agua a

través de sus discontinuidades. Lo más corriente es que sólo aparezcan en los puntos bajos de los valles.

2. De emergencia o vaguada: proceden de la elevación de la capa freática hasta alcanzar

la vaguada. Sujetos a las modificaciones de caudal debidas a la variación del nivel freático.

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3. De filón o grieta: surgen cuando un acuífero confinado con suficiente carga hidráulica

encuentra una grieta por dónde salir al exterior. Suelen ser abundantes pero con grandes variaciones de caudal y casi siempre sufren turbiedades importantes que obligan a la filtración.

Las aguas subálveas son aquellas que discurren por las capas superficiales aluvionarias hasta alimentar los lechos de los cursos de agua. Esta alimentación puede ser lateral o de lecho.

6.3.2. CONDICIONES DE LAS OBRAS DE CAPTACIÓN Las principales condiciones que han de cumplir las obras de captación de manantiales son las siguientes:

1. No alterar la cantidad y calidad del agua: ni por disposiciones constructivas, ni por los materiales empleados. Utilizar materiales inertes que no se degraden y pueden producir obstrucciones a la vena líquida.

2. Evitar la penetración de las aguas exteriores en el manantial, así como de cualquier organismo extraño. Impermeabilizar las cubiertas y recubrir los paramentos exteriores con una capa de 20 cm de grosor de asfalto, concreto o arcilla.

3. Conservar las condiciones físicas del agua captada: temperatura, etc. Dispositivos de ventilación (rejillas por ejemplo) bien protegidos. Una capa de 0,5 m de tierra que proteja de los cambios de temperatura.

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4. Regular automáticamente el caudal a conducir. Disponer un aliviadero y llaves de paso para regular la cantidad de agua que se toma.

5. Eliminar las arenas si existen. Disponer un arenero.

Además de todas estas protecciones localizadas, debe establecerse lo que se denomina zonas de protección, en las que no se debe permitir: el cultivo, la entrada de ganados, y las construcciones. Es imposible dar un número de aplicabilidad generalizada para estas zonas puesto que depende básicamente del tipo de acuífero del que se tome agua, de la topografía, etc. Pero como mínimo conviene señalar 100 m a partir de los manantiales o zanjas de captación.

Por lo demás, el detalle de la arqueta de toma ha de amoldarse a la manera de aflorar el manantial.

6.3.3. TIPOLOGÍA DE LAS OBRAS 6.3.3.1. Manantial de ladera

Cuando la fuente de agua es un manantial de ladera, la arqueta se coloca cortando la vena líquida disponiendo un relleno de grava antes de los orificios de entrada a la cámara para producir una ligera filtración.

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A veces la vena líquida está sumamente extendida y hay que recurrir a concentrarla; para ello existen dos soluciones:

1. Muros laterales que corten la capa impermeable de forma que concentren el agua.

2. Zanjas de avenimiento en la prolongación de los muros si la dispersión es muy grande.

Una vez se han concentrado las aguas, la captación constará de tres partes:

1. Protección del afloramiento.

2. Depósito: sirve para regular el agua que va a utilizarse.

3. Cámara de acceso: sirve para manipular las llaves de paso.

6.3.3.2. Manantial de fondo

Cuando la fuente de agua es un manantial de fondo o de emergencia existen diversas soluciones:

1. La arqueta más sencilla consiste en un arca de concreto sin fondo sobre el lugar del afloramiento. Sobre la arqueta se recomienda instalar una capa de tierra para mantener la temperatura. En la misma arqueta van los dispositivos de toma, de desagüe y de aliviadero.

2. Más aconsejable es la arqueta en la que se dispone una cámara de acceso, distinta de la

de afloramiento de agua.

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La toma debe estar a suficiente altura (unos 15 cm) para permitir el depósito de arenilla. Debe disponerse un tubo de ventilación con campana a fin de que el agua esté oxigenada pero no pueda entrar nada desde el exterior.

6.4. POZOS El pozo ordinario consiste en un hueco cilíndrico, excavado en el terreno, con diámetro y profundidad variable, que al atravesar un lecho permeable, permite la afluencia de agua hacia el mismo.

Los pozos empleados en la captación de aguas pueden clasificarse según:

1. Magnitud: superficiales u ordinarios, con una profundidad relativamente pequeña, y profundos, con una profundidad importante y por tanto más difíciles de construir.

2. Entrada de agua: permeables, con entrada de agua por los laterales, y de pie, con entrada de agua únicamente por el fondo.

3. Revestimiento: de fábrica, metálicos y especiales, según el material del que estén recubiertas sus paredes interiores.

En función de las características del terreno atravesado será necesario uno u otro tipo de revestimiento, así como fijar un valor para el diámetro del pozo; otro factor a tener en cuenta es el uso granulométrico del terreno natural permeable, en cuanto a la relación entre la velocidad en el flujo del agua de aportación y el arrastre de los finos de dicho terreno.

Debe cuidarse que la velocidad de la circulación de agua sea inferior a estos límites para no incurrir en peligro de desestabilización del terreno. Las velocidades precisas para arrastrar las partículas de arena las podemos obtener en la siguiente tabla:

Diámetro de los

granos, mm Velocidad de arrastre, m/s

0,25 0,04

0,5 0,07

0,75 0,09

1,00 0,115

1,25 0,13

1,5 0,15

1,75 0,166

2,00 0,18

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6.4.1. ECUACIÓN DIFERENCIAL DE POZO Es importante destacar que únicamente se exponen aquí las ecuaciones para los pozos completos; es decir, aquellos que tienen la base en un estrato impermeable, de forma que el flujo es únicamente radial. Las ecuaciones para los pozos incompletos son bastante más complejas aunque en esencia sean las mismas.

Primeramente cabe recordar algunos conceptos:

1. Permeabilidad k. Facilidad con la que un material deja pasar el agua a su través. Se obtiene a través de la ecuación de Darcy. Se mide en m/día.

2. Transmitividad T. Capacidad de un medio para transmitir agua. Es el producto de la permeabilidad por el espesor del acuífero: T=k·b. Si la permeabilidad varía a lo largo del perfil del acuífero de espesor b, la transmisividad vendrá dada por:

∫ ⋅=b

dzkT0

3. Porosidad eficaz m. Volumen de agua que se obtiene por drenaje gravitacional de una muestra de material permeable inicialmente saturado en relación con el volumen total de la muestra. Es adimensional.

4. Coeficiente de almacenamiento S. Volumen de agua liberado por una columna de acuífero de altura igual al espesor del mismo y de sección unitaria, al disminuir la presión una unidad. En acuíferos libres el coeficiente de almacenamiento coincide con la porosidad eficaz y su valor suele oscilar entre 0,01 y 0,4, siendo el intervalo más frecuente de 0,1 a 0,3. En acuíferos cautivos y semiconfinados el valor del coeficiente de almacenamiento es varios órdenes de magnitud inferior al de la porosidad eficaz, en general entre 10-5 y 10-3. Es adimensional.

Admitiendo que el flujo es laminar sin variación en las fuerzas de inercia, la ley fundamental del movimiento es la ley de Darcy. La combinación de dicha ley con la ecuación de continuidad permite llegar a:

th

TS

kFh

∂∂⋅=+∇ 2

Dónde,

h = altura piezométrica. F = aporte de agua en volumen por unidad de tiempo y por unidad de volumen del acuífero.

k = permeabilidad.

S = coeficiente de almacenamiento. T = transmisividad.

t = tiempo.

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Se trata de una ecuación diferencial lineal de segundo orden en derivadas parciales. En general es difícil obtener soluciones exactas, por lo que en muchos casos se trata por métodos aproximados.

6.4.1.1. Pozo en acuífero cautivo. Régimen estacionario

Se supone un pozo en el centro de una isla circular sin ningún tipo de recarga. La representación es la siguiente:

1. Tomando coordenadas cilíndricas, y por ser el flujo radial y plano, se puede escribir lo

siguiente:

⋅=∇

drdhr

drd

rh 12

2. F=0 por no existir recarga.

3. δh/δt=0 por ser régimen estacionario.

Así pues, introduciendo estos datos en la ecuación anterior, se obtiene lo siguiente:

01 =

⋅

drdhr

drd

r

Cuya resolución conduce a:

h=B·ln r + A; A y B constantes

Las condiciones de contorno son:

1. h=h0 para r=R. Nivel piezométrico conocido en un punto.

2. Q=2ΠrT(dh/dr). El flujo que atraviesa una superficie equipotencial es igual al caudal bombeado.

De dónde se acaba obteniendo la siguiente solución, llmada fórmula de Thiem:

rR

TQshh ln

20 Π==−

Dónde,

s = descenso respecto a la situación de no bombeo.

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R = radio de la isla o, en los casos reales, radio de influencia del pozo, distancia a partir de la cuál el acuífero no presenta descensos apreciables.

Ajuste de datos Esta ecuación permite interpretar los resultados de un bombeo realizado en un acuífero confinado real (siempre sabiendo que los resultados habrá que acabar de ajustarlos debido a la anisotropía del terreno, la no simetría radial del acuífero, etc). Así pues, conocido el caudal bombeado y medidos los descensos en diversos puntos del acuífero, se pueden determinar la transmisividad del acuífero y el radio de influencia del mismo3. Representando los puntos s-r obtenidos en un papel logarítmico obtenemos lo siguiente:

Obsérvese que una forma de aumentar el caudal Q bombeado sin influir negativamente en el acuífero (es decir mantener el mismo descenso s) es aumentar el radio r del pozo. El problema está en que ese aumento del radio del pozo, realizando los cálculos, se observa que es inalcanzable.

6.4.1.2. Pozo en acuífero semiconfinado. Régimen estacionario

De forma similar se puede resolver el caso de un acuífero semiconfinado con recarga constante debida a un acuífero superior. El problema es el siguiente:

3 No conviene utilizar el valor del descenso en el pozo puesto que este puede ser muy distinto del teórico por problemas de proximidad al contorno: filtraciones, etc.

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Planteando la ecuación en este caso particular e imponiendo las condiciones de contorno pertinentes, resulta la siguiente solución, llamada fórmula de Jacob-Hantush:

)/(2 0 BrK

TQsΠ

=

Dónde,

B = factor de goteo, sqrt(T·b’/k’).

K0 = función modificada de Bessel, tabulada que tiene el siguiente aspecto:

La forma más sencilla de ajustar los datos obtenidos en un ensayo de bombeo es el denominado método de ajuste de curvas. Esto es debido a que si se tiene dibujado en papel doble logarítmico K0(r/B) en función de r/B basta sumar log(Q/2ΠT) a las ordenadas y logB a las abcisas para tener la representación de s en función de r en papel tanbién doble logarítmico.

Así pues se deben superponer las dos gráficas (sin realizar ningún giro, únicamente traslaciones); señalar un punto común cualquiera de ambos papeles y anotar los valores (s), (K0), (r/B) y (r) correspondientes a dicho punto. Después únicamente hace falta operar:

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)/()(

)()(

20

BrrBy

sKQT =

Π=

De este modo, conocido B se puede estimar k’ o b’ conocido el otro valor.

6.4.1.3. Pozo en acuífero libre. Régimen estacionario

De forma similar se puede resolver el caso de un acuífero libre sin recarga. El problema es el siguiente:

Planteando la ecuación en este caso particular e imponiendo las condiciones de contorno pertinentes, resulta la siguiente solución, llamada fórmula de Dupuit:

rR

kQHH ln22

0 Π=−

El valor de R para acuíferos libres suele varia enter 10 y 500 m.

Si los descensos provocados son pequeños respecto al espesor saturado, se puede aproximar lo siguiente:

rR

TQs ln

2 0Π=

Dónde,

T0 = transmisividad inicial; por tanto H0·k. Así pues, siguiendo un procedimiento similar al seguido en el caso del acuífero confinado, se puede determinar k y R tras un ensayo de bombeo en diversos puntos.

6.4.2. PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN Dado que las fórmulas del flujo subterráneo son soluciones de la ecuación de continuidad, y ésta es una ecuación diferencial lineal de segundo orden, una combinación lineal de sus soluciones es también solución.

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Por tanto, el descenso en un punto influido por dos pozos de bombeo distintos es la suma de descensos provocados por cada uno de los pozos individualmente.

6.4.2.1. Teoría de las imágenes

Si un pozo bombea cerca de un borde impermeable o de un borde de recarga cuando el radio de influencia alcanza al citado límite el flujo empieza a ser afectado por esa condición de contorno. La teoría de las imágenes utiliza el principio de superposición para solucionar esos problemas.

Por ejemplo, en el caso de un pozo junto a un río, se modela de la siguiente forma:

O, en el caso de un pozo junto a un borde impermeable, se modela del siguiente modo:

6.4.3. PROYECTO Y EJECUCIÓN DE POZOS El funcionamiento de los pozos se basa en las ecuaciones de flujo en medio poroso; pero en el momento de dimensionar, cuando no se conoce exactamente qué tipo de pozo se tiene, la ecuación general que se utiliza para dimensionar es la siguiente:

Q = a·S·b·V

Dónde,

Q = caudal afluente al pozo, m3/s.

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S = superficie geométrica de fluencia del pozo o, dicho de otro modo, superficie por la que el agua fluye, m2. Si se trata de un pozo de pie S=Π·r2; y si el pozo tiene la entrada exclusivamente por las paredes laterales, en una altura h, sería S=2·Π·r·h.

V = velocidad de arrastre según el tipo de terreno, m/s. a = coeficiente por el que hay que multiplicar la sección geométrica de fluencia, para obtener la sección real de entrada que ofrecen los poros del terreno; el valor de este coeficiente es 0,03 en terrenos con materiales gruesos y finos, y 0,27 en terrenos con materiales gruesos.

b = coeficiente reductor de la velocidad de arrastre; se suele tomar entre 0,4 y 0,6 de forma que la velocidad que se espera del agua está entre un 40% y un 60% de la de arrastre.

6.4.3.1. Partes de un pozo

En esencia, en un pozo se pueden distinguir tres partes:

1. La boca del pozo. Es la estructura que queda en superficie y que tiene como misión mantener el pozo limpio y servir como soporte de los sistemas de extracción de agua (manuales o por bombeo). Alrededor de la boca existe una base circular drenante sobre la que pueden caminar los usuarios y que evita que el agua que se vierte accidentalmente o que es utilizada para la limpieza personal o de objetos quede estancada o se infiltre en el terreno contaminando el pozo. En el caso de que la extracción del agua sea manual debe diseñarse de manera que nadie pueda caer dentro.

2. El conducto del pozo. Es el tramo que une la zona donde se toma y se almacena el agua con la boca del pozo. Su objetivo es acceder hasta capas del acuífero que permitan la entrada de agua de calidad en el pozo. Con el fin de asegurar la estabilidad de las paredes del conducto éstas se suelen reforzar con un revestimiento que puede ser de diferentes materiales (concreto armado, acero, plásticos, etc.). También es posible que sea necesario evitar capas superficiales del acuífero que estén contaminadas, e ir a capas más profundas para extraer el agua; en éstos casos el revestimiento del conducto debe ser totalmente estanco.

3. La toma de agua. Es la parte más profunda del pozo y está hundida dentro del nivel freático. En esta zona es donde se toma el agua subterránea y se almacena para su extracción. Está revestida con un cilindro poroso que permite la entrada de agua dentro del pozo y evita que se infiltren los suelos más finos u otros materiales. La toma de agua debe estar diseñada de modo que quede cubierta por el agua durante la estación seca y para que se pueda hundir más en el terreno en caso de que baje el nivel freático.

6.4.3.2. Tipos de pozo

En base a la técnica de construcción los pozos se pueden clasificar de la siguiente manera: Pozos someros Se caracterizan por estar perforados mediante sistemas manuales por lo que no alcanzan demasiada profundidad. Lo normal es que se llegue a profundidades de unos 75 metros,

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aunque se pueden conseguir mayores. Suelen tener como mínimo 1,5 metros de anchura lo que permite que dos operarios trabajen a la vez en su interior excavando. La tierra también se extrae mediante elevadores de tracción manual. A partir de 60 metros se necesita dotar al pozo de un sistema de ventilación durante la construcción. El mayor inconveniente de este tipo de pozos es la dificultad que supone penetrar más de 5 metros por debajo del nivel freático (incluso utilizando bombas de achique), por lo que resulta aconsejable realizarlos durante la época seca. El revestimiento más aconsejable para estos pozos consiste en ir introduciendo desde la superficie anillos de concreto armado prefabricado que se van hundiendo uno encima del otro a medida que se va perforando el pozo. Respecto al anillo poroso de la toma de agua, se introduce de forma telescópica en los anteriores anillos y se lleva hasta el fondo. Debe ser de unos 7 metros de altura, 5 sumergidos en el manto freático y 2 de reserva por si baja el nivel de las aguas. En el fondo se coloca una base porosa consistente en capas de arena y grava, o un disco de concreto para evitar el sifonamiento.

Para la construcción de pozos someros también se pueden utilizar barrenas de tracción manual consistentes en una barra helicoidal que cuelga de un trípode y en cuyo extremo superior hay un manubrio de 4 mangos. Al ser girado el manubrio por un grupo de hombres se ejerce un momento sobre la barrena que a su vez irá haciendo un agujero de unos 200-300 mm. Cuando el agujero está perforado se introduce un entubamiento de PVC que posea ranuras para que pueda penetrar el agua. Esta alternativa, sin embargo, se parece más a la técnica de pozos entubados que a la de pozos someros.

Ventajas Inconvenientes

Bajo coste

Diámetro grande lo que permite mucha capacidad de almacenaje

Profundidad limitada

Peligro de derrumbamiento durante su construcción

Se puede contaminar debido al mal uso

Pozos entubados Una característica de estos pozos es que son demasiado estrechos para que un trabajador pueda entrar en su interior a la hora de construirlos o para su mantenimiento. Normalmente el diámetro de estos pozos oscila entre 25 y 300 milímetros. En la mayor parte de los pozos que se realizan en zonas con pocos recursos se utiliza maquinaria de tracción humana, aunque también se pueden utilizar maquinas con motores de gasoil. Aunque los costos en la construcción de estos pozos son mayores que para los pozos someros, debido a que son necesarias más herramientas, se reducen totalmente los riesgos de que el pozo colapse y entierre a los operarios. La extracción de agua de estos pozos sólo puede realizarse mediante bombas, lo cual implica que su gestión será mucho más limpia desde un punto de vista sanitario. Aunque estos pozos sean estrechos tienen mucha capacidad de recargarse debido a que penetran más en el acuífero que los pozos someros. Sin embargo, deben descartarse si el acuífero tiene un rendimiento muy bajo o la demanda de agua es grande.

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Para construir estos pozos existen los siguientes métodos de perforación: 1. Barrenado o taladrado: mediante la hinca de barras helicoidales en el terreno a las cuales se

les hace girar.

2. Por percusión: dejado caer dentro del hoyo barras pesada que impactan en el terreno machacándolo y hundiéndolo.

3. Por clavado: hincando en el terreno una punta porosa que se abandona y que será la futura toma de agua del pozo.

4. Por inyectado: en terrenos pocos cohesivos, se puede inyectar en el fondo agua a presión que saldrá por la boca del pozo arrastrando el material en suspensión.

En la mayoría de los métodos de perforación se utiliza un revestimiento metálico durante la operación. Éste tiene como objeto el sostenimiento de las paredes. Cuando la excavación se termina se retira el revestimiento provisional y se introduce uno que sea poroso en aquellas capas del acuífero donde se pretenda la entrada de agua. Para el revestimiento se puede utilizar acero o acero galvanizado pero este material se corroe con facilidad. El acero inoxidable es bastante caro. Una buena solución son los plásticos, como el PVC, pero hay que estudiar que no se deformen por acción de la presión.

Ventajas Inconvenientes

Bajo coste

Alcanza grandes profundidades dentro del acuífero

No tiene riesgos durante su construcción

Es higiénico

No es útil si el acuífero tiene un rendimiento bajo o la demanda es muy grande

Necesita de bombas para su funcionamiento

6.4.3.3. Profundidad

La profundidad a perforar viene definida por las características de la formación hidrogeológica e explotar y la demanda requerida. Si las potencias de los acuíferos no son excesivas, se perfora a menudo hasta el zócalo impermeable de los acuíferos libres y se realiza la penetración completa en los acuíferos confinados.

La profundidad de los pozos ordinarios de fábrica o mampostería no debe exceder los 30 m; recurriéndose a partir de dicha cifra a los pozos entubados.

Lo normal, en los pozos para aguas subálveas, es bajar hasta el terreno impermeable del lecho, y allí apoyarse haciendo su fondo impermeable.

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6.4.3.4. Método de perforación

Cabe distinguir entre los pozos excavados, de construcción manual o mecanizada con martillos neumáticos, por ej. (diámetros grandes), y los perforados, de diámetros menores y construcción totalmente mecanizada.

Dentro de los pozos perforados, existen sistemas de rotación, de percusión y de rotopercusión. Los primeros se utilizan para rocas, mientras que la percusión más en terrenos arenosos.

6.4.3.5. Entubado

Es aconsejable revestir las paredes del pozo, con el fin de evitar desprendimientos y proteger la maquinaria de perforación, así como la bomba en la fase de explotación. El entubado o revestimiento se realiza, en general, con tubería metálica, con soldadura a tope entre los sucesivos tramos.

6.4.3.6. Cementación

La cementación de la tubería de revestimiento consiste en la inyección de mortero de cemento u otro material en el espacio que queda entre la tubería y las paredes del pozo, con ánimo de

- evitar conexiones entre acuíferos

- evitar la contaminación del acuífero desde la superficie

- aumentar la resistencia de la tubería

6.4.3.7. Diámetro de entubado

El diámetro de entubado viene condicionado por dos valores:

- el diámetro de la bomba, aumentado 100 mm para asegurar que la bomba podrá descender

- en la zona de entrada de agua, el diámetro debe ser tal que las pérdidas de carga provocadas por la rejilla sean bajas (v=3 cm/s)

El rendimiento de un pozo angosto es poco diferente al de uno ancho; pero no es posible realizar pozo de menos de 1 m de diámetro por la dificultad del trabajo. Tampoco es conveniente pasar de 8 m de diámetro del pozo por cuestiones técnicas.

Por otro lado el diámetro debe guardar cierta relación con el caudal bombeado, a fin de no provocar grandes diferencias de nivel en caso de elevación no continuada, lo que se traduciría en aumento de la velocidad de afluencia. Es decir, se debe pensar que el diámetro sea suficiente para que el bombeo no provoque graves perturbaciones puntuales alrededor del pozo.

Cuanto más irregular, más abundante y más directa sea la toma, más debe aumentarse el diámetro del pozo sobre el deducido del cálculo, para que desempeñe cierto papel de depósito, que regule la afluencia continua de agua y su extracción discontinua.

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6.4.3.8. Diámetro de perforación

El diámetro de la perforación suele ser entre 2 y 4 pulgadas mayor que el de entubado.

6.4.3.9. Rejilla y relleno de grava

La rejilla es el revestimiento del tramo de entrada de agua al pozo. La función de una rejilla es:

- Permitir el paso de agua sin materiales sólidos al pozo

- Que la pérdida de carga sea baja

La rejilla puede ser la misma tubería de entubado, pero con simples ranuras. También puede ser de ranura continua.

En algunos casos se coloca entre la rejilla y las paredes del pozo un relleno de grava.

En acuíferos libres se coloca rejilla desde la base del acuífero cubriendo entre la mitad y un tercio de la altura de éste. En acuíferos confinados se suele colocar rejilla sobre el 70 u 80% del espesor de la capa.

En acuíferos de materiales coherentes (limos), la pérdida de carga es lo que definirá el tamaño de la abertura. En materiales incoherentes (arenas, gravas), el tamaño de ranura deberá garantizar que no entrarán materiales sueltos al pozo. Para ello habrá que realizar análisis granulométricos del acuífero.

Establecida la longitud de la rejilla y su tamaño de abertura, el diámetro de la misma se establece considerando que la velocidad óptima de paso del agua es del orden de 3 cm/s.

Por último, en el proyecto de una rejilla también debe tenerse en cuenta su comportamiento frente a aguas corrosivas o incrustantes.

6.4.3.10. Desarrollo

Las operaciones de desarrollo constituyen parte integrante del proyecto y construcción de todo pozo. El desarrollo consiste en bombear agua del pozo, con ánimo de extraer los restos de lodos y detritus de perforación y tratar de obtener el máximo caudal del acuífero. En terrenos tipo arenas o gravas, el desarrollo tiene por objeto eliminar las fracciones más finas del material del acuífero en las inmediaciones de la rejilla. En terrenos de roca, el desarrollo busca limpiar las fisuras de la formación o incluso aumentarlas en número y tamaño.

6.4.3.11. Protección sanitaria

Los siguientes aspectos sanitarios son decisivos:

- En la elección del emplazamiento del pozo debe evitarse la presencia próxima de corrales, fosas sépticas, alcantarillas, etc

- Durante la explotación del pozo o cuando se abandona, debe ser sellado, para evitar la contaminación del acuífero desde la superficie (caída de objetos, ...)

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7. TRANSPORTE

El transporte desde el punto de captación hasta el punto de consumo se puede realizar a presión, mediante tuberías y bombeo, o en lámina libre, mediante un canal.

La decisión entre las dos opciones de transporte viene absolutamente condicionada por la topografía de la zona. Así, por ejemplo, si la captación se produce a una cota superior de la población que consumirá esa agua, es posible realizar un canal que almacene el agua en un depósito cercano a dicha población. Por el contrario, si la captación se encuentra a cota inferior o el terreno es muy accidentado, resulta imposible realizar un canal y es más barato instalar una bomba y una tubería de impelencia.

De todos modos, por motivos sanitarios evidentes, es mucho más frecuente el sistema de impelencia con tubería que el transporte mediante un canal; siendo estos últimos más utilizados en las obras de regadío.

7.1. TRANSPORTE POR CANAL La preocupación por el presupuesto en las obras de los canales es muy importante puesto que son infraestructuras lineales de gran longitud, y la reducción del cajón por el que circula el agua puede significar una reducción presupuestaria significativa.

La necesidad de los canales surge como solución barata para transportar agua entre dos puntos con diferencia de cota significativa y sin pasos elevados intermedios, o como solución para el regadío de una zona, etc. Sea como fuere, las pendientes se suelen tomar lo más bajas posibles (por ejemplo, para poder regar mayor terreno).

No es difícil comprobar, según la fórmula de Manning, que a menor pendiente se obtiene menor velocidad y por tanto mayor sección para transportar el mismo caudal. La capacidad de transporte de partículas sólidas disminuye, con lo que aumentan las deposiciones y por tanto los gastos de mantenimiento.

La sección más favorable es sin duda la semicircular, puesto que, para igual sección, es la que tiene menor perímetro ( por tanto mayor radio hidráulico y mayor caudal circulante).

De todos modos, se acaba decidiendo una sección u otra por razones constructivas. Normalmente la sección más utilizada es la trapecial con taludes 1:1,5 ya que así son estables y se pueden hormigonar con mayor facilidad. La preocupación que siempre debe existir en un canal para abastecimiento es la sanitaria. Nunca se puede asegurar que el agua al final del canal tenga las mismas propiedades que a la entrada puesto que el agua está al alcance de cualquiera.

7.2. TRANSPORTE POR TUBERÍA: BOMBEO Resulta la opción más comúnmente utilizada cuando el punto de captación se encuentra alejado del punto de consumo. Además, si éste último está tan lejos que las pérdidas por fricción en el interior de la tubería son tan importantes que impiden que circule un caudal

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aceptable, o bien la población está a cota mayor que el punto de captación, se debe instalar un sistema de bombeo.

7.2.1. TIPOS DE BOMBA La clasificación más lógica y racional de bombas es la siguiente:

1. Alternativas. Se usan para pequeños caudales y grandes alturas de bombeo. Funciona mediante un sistema de biela-manivela que empuja un émbolo que, a su vez, empuja materialmente el líquido a la cámara de alta presión. El conjunto es relativamente caro y ocupa bastante espacio. Son adecuadas para la elevación de líquidos viscosos. Debido a su funcionamiento, el suministro es intermitente. Pueden ser de émbolo o de diafragma.

2. Rotativas. Similares a las alternativas a nivel hidráulico. Tienen la ventaja de suministrar un caudal continuo y regular. Debido a la holgura entre el rotor y la parte fija, existe un reflujo de agua que circula hacia atrás. Cabe destacar que las arenas (frecuentes en elevaciones de agua) actúan como abrasivos y en poco tiempo la bomba deja de funcionar. Pueden ser de engranaje, de paletas, de tornillo o de levas.

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3. Centrífugas. Son las más utilizadas en la actualidad. Dan caudal muy constante y una

presión uniforme. Son de mantenimiento fácil y económico. El único inconveniente importante es que precisan un encebado previo, por lo que se acostumbran a situar por debajo del nivel de carga de los depósitos de aspiración. Según su rodete puede ser radial, semiaxial o axial. Por su disposición puede ser horizontal o vertical. El funcionamiento es el siguiente: el cuerpo de la bomba se enceba (se llena de agua por gravedad) procedente de los conductos de aspiración. El agua penetra en la región axial y sale despedida al girar el rodete. Produce en la parte central una depresión que provoca la entrada de más agua y por tanto se produce un movimiento continuo.

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4. Ariete hidráulico. No precisa de energía externa para su funcionamiento puesto que se

aprovecha el fenómeno de golpe de ariete para suministrar la energía necesaria. Su explotación es sumamente económica. Resulta una solución ingeniosa aunque hay que tener en cuenta que la tubería debe poder resistir las sobrepresiones debidas al golpe de ariete. El funcionamiento es el siguiente: el aparato debe instalarse aguas debajo de una corriente de agua (diferencia de cota H como mínimo 0,8 m) conducida por una tubería de longitud L. La válvula debe abrirse y cerrarse repetidas veces a mano para conseguir generar la sobrepresión. El flujo de agua, al verse detenido, transmite una onda hacia atrás y hace que entre agua en el depósito de aire y agua. El aire se expande, cerrando la entrada de agua y expulsando el resto de agua hacia arriba (diferencia de cota h). El ciclo se cierra al retroceder la onda de presión y producir una depresión suficiente para que la válvula final se cierre y origine una nueva onda de presión. El rendimiento es máximo para relaciones h/H entre 5 y 10. En la práctica se toma L comprendido entre 5 y 15 veces la altura del salto motriz.

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5. De corte o mecate. No necesita de energía eléctrica. Ideal para pozos poco profundos. Funciona mediante cangilones que elevan el agua hasta el punto de vertido.

7.2.2. CAUDAL CIRCULANTE DADA UNA BOMBA Y UNA INSTALACIÓN El cálculo del caudal circulante por una tubería se reduce a imponer que la energía a la entrada sea igual a la de la salida más las pérdidas por rozamiento en el trayecto. Para ello se puede utilizar la ecuación de Hazen-Williams antes presentada. La función de la bomba es introducir energía en el sistema para que este funcione. Esta energía introducida se puede interpretar como un aumento de la presión del agua en el punto en la que ésta se encuentra. Ese aumento de presión es a su vez un aumento de la altura piezométrica y por tanto una posibilidad de circulación de agua (por diferencia de altura piezométrica).

El siguiente gráfico pretende ilustrar esta misma idea:

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La introducción de esa altura piezométrica adicional se transforma en una mayor pendiente motriz, lo que implica mayor caudal circulante entre depósitos (tal y como se deduce de la fómula de Hazen-Williams).

Así pues, conocida la altura que introduce la bomba, el problema está resuelto. Pero la dificultad radica en que la altura introducida en el sistema por parte de la bomba depende a su vez de la instalación.

Una bomba no siempre introduce la misma sobrepresión; lo que sí es cierto es que siempre consume la misma potencia de la red (a menos que la bomba pueda funcionar a distintas potencias). Esa potencia será algo superior a la potencia hidráulica suministrada al flujo de agua debido al rozamiento de sus elementos. Así pues se puede escribir lo siguiente:

ηηBs

cHQgW

W ⋅⋅==

Dónde,

Wc = potencia consumida de la red, kw. Ws = potencia suministrada al flujo de agua, kw.

η = factor de rendimiento (depende del caudal), adimensional.

G = aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2.

Q = caudal circulante por la tubería, m3/s.

HB = altura piezométrica introducida por la bomba, (depende del caudal) m. La casa que suministra la bomba tiene obligación de suministrar la curvas de la bomba. Esto es: la curva HB-Q que relaciona caudal bombeado y altura piezométrica introducida en el sistema, y la curva η-Q que relaciona rendimiento y altura piezométrica.

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Por otro lado, tal como ya se ha visto, las pérdidas de carga de conducciones son proporcionales en orden de magnitud al cuadrado del caudal. Por tanto, para una tubería de un diámetro dado, la curva característica de la instalación H1A vendrá dada por una parábola aproximada, que parte del punto H1. La ordenada OH1 representa el desnivel geométrico.

Así pues el punto M, intersección de la curva característica de la bomba con la curva resistente de la instalación, será lógicamente el punto de funcionamiento de la bomba. Naturalmente conviene que este punto corresponda al de máximo rendimiento de la misma.

7.2.3. ELECCIÓN DE UNA BOMBA DADA UNA INSTALACIÓN Debe conocerse antes de empezar cuál es la curva resistente del sistema para, sobre ella determinar el rango de caudales que se pretenden bombear.

Cuando la altura de elevación puede variar fuertemente (como consecuencia por ejemplo de pérdidas de carga muy variables) conviene una curva H-Q de la bomba muy inclinada A’B’, en la que a una gran variación de presión corresponde débil variación de caudal.

Si, por el contrario, la presión varía muy poco y se quiere tener un amplio rango de caudales a bombear, es más conveniente tomar curvas H-Q más tendidas A’’B’’.

Debe tenerse en cuenta que todas las bombas tienen un rango de caudales en el que su rendimiento es óptimo. Es por ello que el punto de funcionamiento es recomendable que se halle dentro de ese rango.

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En cuanto al tipo de bomba a instalar, el campo de aplicación aproximado de cada tipo de bombas, en especial refiriéndose a las bombas centrífugas, se puede observar a continuación. Se trata de una figura orientativa:

7.2.4. ELECCIÓN DE MOTOR PARA UNA BOMBA El motor debe tener potencia nominal superior a la potencia de la bomba. Por muchas razones. Por la pequeña tolerancia del constructor de bombas; y por la tolerancia en el rendimiento.

Para ello es recomendable utilizar la siguiente tabla:

Coeficiente por el que conviene multiplicar para

elegir motor Potencia absorbida por la bomba Con altura

constanteCon variaciones de altura de 20%

Con variaciones de altura de 50%

Menos de 5 CV 1,25 1,5 1,8

De 5 a 10 CV 1,18 1,4 1,6

De 10 a 50 CV 1,15 1,35 1,45

De 50 a 100 CV 1,12 1,3 1,4

Más de 100 CV 1,09 1,25 1,35

7.2.5. RECOMENDACIONES Las bombas resultan ser aparatos que deben cuidarse, intentando que no queden obturadas en ningún momento (bajo peligro de rotura de las aspas). Para ello se debe colocar algún tipo de rejilla que impida la entrada de cuerpos extraños en el interior de la bomba.

Se debe ser cuidadoso con el hecho de que las bombas sumergibles deben funcionar siempre con agua, por lo que si se conectan sin agua pueden estropearse.

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El mantenimiento de las bombas debe realizarse cuando el fabricante nos indique, de ese modo se alarga la vida útil de la máquina.

Para evitar el fenómeno del golpe de ariete, se debe asegurar, por los motivos expuestos en capítulos anteriores, que el tiempo de cierre de la bomba sea superior al tiempo que tarda la onda de presión en ir y volver por toda la tubería de impelencia; esto es:

T=2L/C

Dónde, T = fase o periodo de la tubería, s.



8. REDES DE DISTRIBUCIÓN A PRESIÓN

8.1. FUNCIÓN DE LAS REDES DE ABASTECIMIENTO No todas las poblaciones disponen de manantiales cercanos de agua en condiciones sanitarias adecuadas para el consumo humano. Es por ello que existen los sistemas de abastecimiento.

De ese modo, el camino que une el agua en su estado natural y el agua en el punto de consumo humano está, en su estado más desarrollado, conformado por la captación, el transporte (incluyendo el bombeo si fuera necesario), el proceso de tratamiento y potabilización, la regulación mediante depósitos y finalmente la red de distribución.

Es por ello que no debe perderse nunca de vista que la red de distribución de agua potable no es más que el último eslabón de dicho camino y que, por tanto, su efectividad descansa sobre el funcionamiento correcto de todo el resto de elementos del sistema de abastecimiento.

Así pues, la función principal de la red de distribución de agua potable consiste en salvar la distancia existente entre el punto de almacenamiento o regulación (el depósito de la comunidad, por ejemplo) y el punto de consumo. Todo ello manteniendo la potabilidad del agua; conseguida anteriormente por el proceso de tratamiento y potabilización.

8.2. TIPOS DE REDES Las redes de distribución de agua potable se pueden dividir, en función de la morfología de las mismas, en dos grandes tipos. Estos son los siguientes:

1. Redes arbóreas: consisten en redes sin ningún circuito cerrado o, dicho de otro modo, donde el agua tan sólo puede circular en un único sentido. Su morfología se asemeja a las ramas de un árbol, de ahí el nombre. Como ventaja más destacable de este tipo de redes se encuentra la reducción de la longitud de tubería, con la consiguiente reducción del

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presupuesto general de la obra. En su contra, destacar que una avería en un punto de la red deja sin suministro a todas aquellas viviendas situadas aguas debajo de dicho punto.

2. Redes malladas: consisten en redes con circuitos cerrados o, dicho de otro modo, donde el agua puede realizar como mínimo dos trayectos distintos para servir cada punto de consumo. De ese modo se garantiza el suministro en caso de avería en algún punto de la red. En su contra, el presupuesto de estas redes es mucho más elevado que el de las arborescentes al requerir de mayor número de tuberías.

En realidad, muchas veces las redes reales son híbridos entre ambas tipologías; potenciando más aquella tipología que asegura aquello que preocupa en cada proyecto. Es por ello que:

1. En ámbito urbano se suelen instalar redes malladas entre los tramos principales de la red; terminándolas en forma arborescente en las calles secundarias. De este modo, si se produce una avería en una calle, es ésta la única que queda sin suministro, quedando el resto de viviendas servidas gracias a que la red principal está mallada. La existencia de industrias con un elevado consumo de agua, como por ejemplo las dedicadas al tintaje de pieles, justifica la utilización de las redes malladas.

2. En ámbito rural suele existir una mayor preocupación por el presupuesto y los requerimientos en cuanto a garantías de suministro suelen menores. Así pues parece claro que las redes eminentemente arborescentes son las más adecuadas para estos casos puesto que permiten ajustar el presupuesto.

8.3. ASBTRACCIÓN DE LA RED Frente a la inmensidad de posibilidades de dimensionamiento de una red de abastecimiento, se requiere abstraer de la morfología de la misma los rasgos más significativos de la misma. Es por ello que se acaba representando la red de abastecimiento como un conjunto de puntos o nodos conectados mediante cuerdas o arcos, que representan en este caso los tramos de tubería.

Debe tenerse claro que, en el momento de realizar los cálculos, se utilizarán las siguientes hipótesis:

1. Únicamente se admite entrada o salida de agua en la red a través de los nodos.

2. El arco que une dos nodos representa un único tipo de tubería. Es por ello que no se puede variar la sección de la misma. (Si se quisiera variar la sección, se debería introducir un nuevo nodo de forma que no se tuviera ya una cuerda y dos nodos, sino dos cuerdas y tres nodos).

Normalmente se suele abstraer la red a partir de los tramos más importantes y concentrando ciertos consumos en un mismo nodo, de forma que se reduzcan el número de nodos y tramos; aunque nada impide realizar los cálculos con toda la información si se quiere.

8.4. CAUDALES DE DISEÑO La red abastecimiento, al igual que muchas otras como por ejemplo la de saneamiento o la eléctrica, no funcionan siempre en el mismo régimen. Es por ello que para dimensionar la

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infraestructura se requiere de los denominados caudales de diseño. Una vez abstraída la red real y obtenida su representación esquemática, se pasa a determinar los caudales demandados en cada uno de los nudos de la red. Debe tenerse claro qué consumos afectan a qué nodo; es decir, en el momento de la abstracción es bueno realizar un pequeño mapa de viviendas o industrias afectadas por cada uno de los nodos de la abstracción. Así se evita olvidar o, por el contrario, duplicar consumos con el consiguiente error de dimensionamiento.

El caudal de diseño agrupa las demandas de las viviendas, las industrias y otros usos como por ejemplo el riego o el aprovechamiento para proyectos productivos agrícolas, etc. Se trata de sumar todas aquellas demandas conocidas.

8.4.1. CONSUMO HUMANO La fórmula más comúnmente utilizada es la siguiente:

Q (l/s) = KP · Dotación (l/hab dia) · Población (hab) / 86400

Donde,

KP = coeficiente de simultaneidad, depende de la población servida en total, no la servida por ese nodo; adimensional.

D = dotación media diaria, l/hab dia

P = población servida por ese nodo (teniendo en cuenta el crecimiento de dicha población en el periodo de vida útil de la obra; normalmente 20 años), hab. El valor 86400 resulta de la transformación de días en segundos.

La dotación para consumo humano puede variar entre 70 y 150 l/hab·dia; siendo 100 un valor bastante utilizado. Si se quiere obtener la dotación por persona como suma de cada uno de los consumos asociados a cada uso, se puede hacer pero debe tenerse en cuenta que varían de una a otra población. Como es evidente los consumos no son los mismos en ámbito urbano que en ámbito rural. Se adjunta la siguiente tabla por si pudiera ser de utilidad.

Uso de agua Consumo, l

Para bebida, cocina y limpieza, por habitante y día 20-30

Lavado de ropa, por habitante y día 10-15

Descarga de retrete, una 10-15

Un baño 200

Una ducha 20-30

Res mayor, por día 50

Res menor, por día 10-15

El valor del coeficiente de simultaneidad puede extraerse de la siguiente tabla:

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Población (103 hab) Coeficiente de simultaneidad KP

1 2,6

3 2,3

5 2,2

10 2

20 1,85

50 1,7

100 1,6

300 1,5

500 1,45

Se observa como éste se reduce a medida que aumenta la población. Su significado es claro: es mucho más difícil que todo el mundo este consumiendo a la vez en una población con 500000 habitantes que en una con 1000. O, dicho de otro modo, el coeficiente de simultaneidad sería 1 si la población tuviera los grifos abiertos durante todo el día de forma que consumieran exactamente la dotación en 24 horas. Puesto que esto no es así, se introduce KP.

8.4.2. CONSUMO INDUSTRIAL Cada tipo de industria tiene un consumo distinto de agua; algunos de ellos son los siguientes:

Servicio industrial Litros

Destilería. Por cada hectolitro de alcohol 4000

Azucarera. Por cada kg de azúcar 100

Matadero. Por cabeza de animal. Sin incluir frigoríficos. 1000

Fábrica de papel. Por cada kg de papel 1500 a 3000

Carnicerías. Por día 600

Depósitos frigoríficos. Por cada Tm·dia de productos 400

Curtidos. Por cada Tm de producto fabricado 10000

Central lechera. Por litro de leche 8

Fábrica de paños. Por cada kg de lana terminada 165

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A partir de esta tabla se pueden extraer los consumos en l/s. Para ello tan sólo es necesario transformar las unidades de medida, tener en cuenta las horas reales de trabajo diario, etc.

A falta de datos sobre el consumo real de la industria; por ejemplo porque se está dotando de agua un terreno calificado como industrial pero sin ninguna industria implantada por el momento, puede tomarse el siguiente valor:

Q (l/s) = S (Ha)· 2 l/s·Ha

Donde,

S = superficie de suelo industrial, Ha.

8.4.3. OTROS CONSUMOS Aquí entrarían todos aquellos consumos de agua no considerados anteriormente. En un núcleo urbano es típico introducir el agua necesaria para regar las zonas verdes. Para ello se utiliza la siguiente dotación:

Q (l/s) = S (m2)· 5 a 15 l/h·m2 Donde,

S = superficie de césped a regar, m2.

Se toma el valor 5 en caso de pendientes débiles y 15 si la pendiente del terreno es considerable.

8.5. OBJETIVO DEL DIMENSIONAMIENTO

8.5.1. PRESIONES ADMISIBLES EN LA RED DE DISTRIBUCIÓN Se establecen las siguientes limitaciones a las presiones en la red:

8.5.1.1. Presión máxima

El momento en el que cualquier punto de la red de distribución se verá sometido a la presión máxima es cuando no existan consumos; por tanto se trata de la presión estática.

La limitación de presión máxima viene fijada por la resistencia de las tuberías. Debido al fenómeno de golpe de ariete (que conlleva una sobre presión aproximada de 8 m.c.a./km.), se estima que no es bueno que la presión estática de la red de distribución sobrepase los 60 m.c.a.

8.5.1.2. Presión mínima

Este mínimo se establece para asegurar que el agua llegar en condiciones de presión suficiente. La presión mínima la podemos obtener de la siguiente forma:

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...5 acmHP viviendamin +=

Donde el significado de las variables es el siguiente:

Pmin = Presión mínima en cualquier punto de la red. (m.c.a.)

Hvivienda = Altura de la vivienda más alta de la comunidad. (m)

La cota piezométrica mínima necesaria se obtendrá sumándole a la cota topográfica del punto, la presión necesaria del mismo.

8.5.2. VELOCIDADES ADMISIBLES 8.5.2.1. Velocidad máxima

La velocidad máxima se limita por varios motivos; entre los cuales encontramos el aumento de pérdidas localizadas, el desgaste de las tuberías o el fenómeno del golpe de ariete. Las recomendaciones más habituales son las siguientes:

Diámetro interior, mm Velocidad máxima, m/s

<150 1,5

<600 2

>600 2,5

8.5.2.2. Velocidad mínima

La velocidad mínima se impone por criterios de no-deposición de sólidos en el interior de las tuberías y por criterios de salubridad.

Se recomienda como mínimo aconsejable para todas las tuberías un valor de 0,6 m/s.

8.6. FIJACIÓN DE OTROS PARÁMETROS Una vez conocidos los caudales demandados en cada uno de los nodos es necesario conocer también otras variables para poder realizar los cálculos pertinentes. Así pues, se deben determinar:

1. Longitud de cada uno de los arcos.

2. Material de las tuberías; determinará la rugosidad de las mismas y por tanto las pérdidas de carga por metro lineal.

3. Diámetros interiores de las tuberías. Para fijarlo es bastante útil seguir la siguiente tabla con diámetros adecuados para un caudal determinado:

Diámetro interior, mm Caudal, l/s

50 (mínimo) 1,25 – 2

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60 1,75 – 3

70 2,5 – 4

80 3,25 – 5,25

100 4,75 – 8

125 7,5 – 12,5

150 11 – 18 – 27,5

8.7. COMPROBACIÓN: CÁLCULO DE CAUDALES, VELOCIDADES Y PRESIONES Los cálculos se realizan sobre la base de los siguientes principios:

1. Continuidad: el agua no se crea ni se destruye, por tanto en cada uno de los nodos se debe cumplir que la suma de los caudales entrantes sea igual a la suma de los salientes. O, dicho de otro modo, si se toman como positivos los caudales entrantes y negativos los salientes, la suma de caudales en un nodo debe ser nula.

2. Bernoulli: si se toman como positivas para las pérdidas de carga aquellas que se producen en el sentido del flujo, debe cumplirse que en un circuito cerrado la suma de pérdidas sea nula. O, dicho de otro modo, La altura piezométrica, o la presión de agua, de un punto es independiente del circuito de agua por el que se llegue hasta él.

Si la red es ramificada, los cálculos son inmediatos puesto que se conocen los caudales en cada uno de los tramos (sumando las demandas aguas debajo de dicho tramo) y por consiguiente las pérdidas, las presiones, las velocidades, etc. Si la red es mallada los cálculos son un tanto más complejos puesto que no se conocen a priori los caudales en cada uno de los tramos. La solución más fácil es utilizar un programa de cálculo de tuberías, como por ejemplo EPANET (disponible en http://www.epa.org).

Si no se dispone de un programa de cálculo, siempre se puede calcular a mano. Para ello lo mejor es seguir el siguiente esquema:

1. Tomar como hipótesis una distribución de caudales que cumpla el principio de continuidad.

2. Calcular las pérdidas de carga en cada uno de los ciclos con dichos caudales, mediante la fórmula de Hazen-Williams por ejemplo, teniendo en cuenta el criterio de signos antes mencionado.

3. Si las pérdidas en el ciclo no resultan ser suficientemente cercanas a 0, retocar los caudales siguiendo el criterio de reducirlos si las pérdidas son excesivas o aumentarlos si éstas no son suficientes.

4. Iterar hasta conseguir una solución aceptable. Una vez conocidos los caudales resulta inmediato determinar las velocidades ( utilizando la sección de la tubería) y las presiones (utilizando el concepto de altura piezométrica). Se debe

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comprobar que las presiones y las velocidades se encuentran dentro del rango permitido. Si no fuera así, habrá que variar los diámetros de las tuberías y volver a recalcularlo todo el sistema. Dichas variaciones se realizarán en base a los siguientes conceptos: 1. Presión en un punto superior a la máxima: si se tiene en cuenta que la presión máxima

es la estática resulta evidente que la solución para reducirla no pasa por variar los diámetros sino que se deberá dividir la red de abastecimiento y colocar algún depósito intermedio.

2. Presión en un punto inferior a la mínima: existen demasiadas pérdidas; debe aumentarse el diámetro de alguno de los tramos por los que circula el agua hasta llegar a dicho punto.

3. Velocidad en un tramo superior a la máxima: el diámetro es excesivamente pequeño; deberá aumentarse en dicho tramo. Se producirá simultáneamente un aumento de presión en el sistema.

4. Velocidad en un tramo inferior a la mínima: el diámetro es excesivamente grande, por lo que deberá reducirse. Se producirá a la vez una reducción de la presión en el sistema.

8.8. ELEMENTOS DE LA RED DE AGUA A PRESIÓN Una red de agua a presión consta principalmente de los siguientes elementos. Todos ellos se definen por su marca, modelo, diámetro y presión nominal, que debe ser la misma del resto de la instalación.

8.8.1. VÁLVULAS DE CORTE Las válvulas de corte cumplen la función de conectar o desconectar dos tramos de tubería. Se colocan en bifurcaciones importantes en la red, así como a la entrada de cada vivienda.

La colocación de una válvula de corte puede ser útil en varios casos:

1. En caso de rotura o reparación de un punto de la red, el aislamiento de los diferentes tramos evita que se vacíe o deje de funcionar toda la red.

2. En caso de que una zona disponga de caudal excesivo en perjuicio de otra, donde el caudal de llegada sea insuficiente, se puede proceder a cerrar un poco la llave de la primera zona, de manera que aumente el caudal de la segunda zona. Este tipo de actuaciones sólo deben hacerse en casos excepcionales, debido a que una válvula semiabierta se acaba rompiendo en pocos años. Lo ideal es que estas válvulas estén totalmente cerradas o totalmente abiertas.

3. En las acometidas domiciliares la colocación de una válvula de corte que sólo sea accesible por el organismo regulador del agua permite el corte del suministro a los clientes que no pagan por el servicio.

Hay muchos tipos de válvulas de corte, como por ejemplo, las de mariposa y las de compuerta. Ambas se pueden accionar mediante una palanca o bien mediante un volante.

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8.8.2. VÁLVULAS REDUCTORAS DE PRESIÓN Las válvulas reductoras de presión tienen la función de reducir la presión aguas abajo de ellas, mediante la provocación de una pérdida de carga. Ello puede ser interesante en casos en que a unas zonas muy deprimidas topográficamente lleguen presiones excesivamente altas. Las válvulas reductoras se taran a la presión máxima deseada, de manera que el agua a la salida nunca supere la presión de tarado (por ej., 20 mca).

La colocación de una válvula reductora es la opción óptima en estos casos, aunque el precio es alto. Otras posibilidades más baratas en inversión (aunque a largo plazo pueden resultar más caras, por roturas del sistema, funcionamiento deficiente, etc):

1. Reducir el diámetro de la tubería, de manera que las pérdidas de carga sean grandes y, por tanto, la presión aguas abajo se reduzca. El problema es que en los momentos en que el agua no circule la presión será la hidrostática, ya que las pérdidas de carga serán nulas.

2. La colocación de una válvula de corte semiabierta provoca una pérdida de carga localizada. El problema es que, por una parte, la válvula de corte se acaba rompiendo debido a la cavitación, y, por otra parte, sólo hay pérdida de carga cuando hay flujo, por lo que en hidrostática la presión es la máxima igualmente.

8.8.3. VÁLVULAS MANTENEDORAS DE PRESIÓN Las válvulas mantenedoras de presión tienen la función de asegurar una cierta presión aguas arriba de ellas. Estas válvulas se taran, de manera que la presión aguas arriba (presión de tarado) sea como mínimo la deseada.

Las válvulas mantenedoras de presión son útiles cuando hay una pequeña zona de cotas topográficas muy superiores al resto de la población, de manera que interesa asegurar que tendrán una presión mínima.

Este tipo de válvulas tienen, igual que las reductoras de presión, un precio elevado, por lo que hay que valorar en cada caso si su colocación es más económica que independizar las redes de abastecimiento de las zonas altas respecto a las bajas.

8.8.4. VÁLVULAS REGULADORAS DE FLUJO Las válvulas de flujo tienen la función de asegurar que el caudal en el tramo donde están instaladas no supera el valor de tarado. De esta manera, se asegura que no se va excesivo caudal a una zona, en perjuicio de otra.

El precio de estas válvulas es elevado, por lo que en ciertos casos puede ser más económico independizar las redes de abastecimiento a las distintas zonas.

8.8.5. CONTADORES Los contadores de agua sirven para medir el volumen de agua que circula por ellos. Se instalan en cada acometida particular, a fin de determinar la tarifa, así como en las conducciones de transporte principales, con ánimo de detectar fugas y conocer el consumo total de una comunidad.

ESF



8.8.6. VENTOSAS Las ventosas son elementos que se colocan en los puntos topográficamente elevados de una conducción. Su función es permitir la entrada y salida de aire a la tubería.

La entrada de aire es importante cuando la conducción se vacía, puesto que en caso contrario la tubería podría entrar en succión. Cuando la tubería no tiene agua, es deseable que tenga aire a presión atmosférica.

La salida de aire es deseable cuando la tubería está llena de agua a presión. De esta manera se evita que queden bolsas de aire que provocarían una sobrepresión excesiva.

8.8.7. VÁLVULAS DE DESAGÜE Las válvulas de desagüe tienen la función de desaguar la instalación para realizar, por ejemplo, trabajos de reparación o mantenimiento. Se colocan en los puntos topográficamente deprimidos. Hay que buscarle una salida al agua asegurando que no se inunde la comunidad, como por ejemplo, el vertido a un lago, río, quebrada, etc.

8.8.8. ARQUETAS Y TAPAS Los pozos de registro son estructuras prismáticas verticales construidas mediante pared de ladrillo rebozado y alisado, cuya función es permitir el acceso a los elementos la red desde la superficie para trabajos de inspección y mantenimiento.

Los pozos son de planta cuadrada de dimensiones variables, entre 20x20 y 60x60 cm. Apoyado sobre las paredes del pozo se coloca una tapa de fundición dúctil, que debe resistir las cargas del tráfico.

8.8.9. PIEZAS EN T Las piezas en T tienen la función de unir dos tramos de tubería orientadas perpendicularmente. Es la manera habitual de realizar bifurcaciones en redes de agua a presión.

8.8.10. RED PRIVADA La propiedad de la red de aguas de abastecimiento se rige en la mayoría de municipios por el siguiente criterio: delante de cada cliente se coloca una arqueta con un contador y una llave de corte. La arqueta con estos elementos y la red aguas arriba pertenece a la comunidad, mientras que el tramo de tubería comprendido entre la arqueta y la vivienda es de propiedad particular.

asociación catalana de ingeniería sin fronteras · vÁlvulas reguladoras de flujo.....60 8.8.5....

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