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MODELACION Y DISEÑO EJEMPLO RED DE ACUEDUCTO PARA EL MUNICIPIO
DE FIRAVITOBA BOYACA.
ESP. AGUAS Y SANEAMIENTO AMBIENTAL
SISTEMAS DE ACUEDUCTOS
LUIS EDUARDO FORERO DOMINGUEZ
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MODELACION Y DISEÑO EJEMPLO RED DE ACUEDUCTO PARA EL MUNICIPIO DE FIRAVITOBA BOYACA., Ejercicios de Hidráulica e hidrología 2
Este documento ofrece una guía practica para el diseño de redes de acueducto, abordando todos los aspectos esenciales para garantizar la eficiencia y sostenibilidad en la infraestructura. Incluye cálculos hidráulicos, explicaciones de normativas técnicas aplicables y la selección de materiales adecuados para sistemas de distribución de agua. Además, explora el uso de software especializado para facilitar el diseño y presenta ejemplos prácticos que ilustran soluciones a desafíos comunes en la ingeniería hidráulica. Ideal para ingenieros civiles, estudiantes y profesionales interesados en proyectos de redes de acueducto, este recurso combina teoría y práctica para apoyar la planificación de sistemas de agua confiables y modernos.
Tipo: Ejercicios
2021/2022
1 / 42
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MODELACION Y DISEÑO EJEMPLO RED DE ACUEDUCTO PARA EL MUNICIPIO
DE FIRAVITOBA BOYACA.
ESP. AGUAS Y SANEAMIENTO AMBIENTAL
SISTEMAS DE ACUEDUCTOS
LUIS EDUARDO FORERO DOMINGUEZ
Contenido
1. INTRODUCCIÓN
En el presente documento se explica de forma detallada del proceso de modelación del sistema de acueducto mediante una red ramificada y una red mallada para el municipio de Firavitoba - Boyacá, apoyados en la herramienta de modelación para acueductos EPANET 2 Esp, aquí se mostrara de forma descriptiva cada uno de los pasos ejecutados inicialmente para realizar el cálculo de la población, caudales, presiones, implementación de bombas en serie y en paralelo, calidad del agua y demás datos necesarios para realizar la modelación del sistema, todo esto ejecutado para un periodo de diseño de 25 años de acuerdo a lo establecido en la normativa técnica, de igual forma se evaluaran los resultados arrojados por el Software, se analizaran los resultados y se determinara las condiciones mínimas de diseño en el sistema para su posterior construcción y operación.
2. GENERALIDADES 2.1. Localización Ilustración 1. Localización municipio Firavitoba, Boyacá.
El municipio de Firavitoba está ubicado en la provincia de Sugamuxi en el departamento de Boyacá, está situado a unos 77 kilómetros de la ciudad de Tunja, la capital del departamento y a 10 kilómetros de Sogamoso, la capital de la provincia. Se encuentra aproximadamente entre los 2500 y 3400 msnm, la temperatura varía entre los 15° y 21°c, y cuenta con una superficie total de 108 km2.
3. OBJETIVOS 3.1. OBJETIVO PRINCIPAL Diseñar un sistema de acueducto mediante una red ramificada y una red mallada mediante captación por medio de bombas para el municipio de Firavitoba, Boyacá. 3.2. OJETIVOS ESPECIFICOS Aplicar la normativa técnica establecida para la modelación del sistema de acueducto para el municipio de Firavitoba, Boyacá. Aplicar el software de diseño EPANET 2 Esp para realizar la modelación de la red del sistema de acueducto para el municipio de Firavitoba-Boyacá, verificar que cumpla con los parámetros técnicos de diseño exigidos por la normativa. Elaborar la modelación de las bombas en serie y las bombas en paralelo para evaluar costos con el fin de identificar el más económico. 4. MARCO LEGAL En el presente laboratorio se tuvo en cuenta la normativa colombiana actual vigente para el diseño de sistemas de acueducto que corresponde a la Resolución 0330 de 2017, “por la cual se adopta el reglamento técnico para el sector de agua potable y saneamiento básico RAS y se derogan las resoluciones 1096 de 2000, 0424 de 2001, 0668 de 2003, 1459 de 2005 y 2320 de 2009”, de igual forma se tuvo en cuenta las consideraciones técnicas establecidas en el titulo B del RAS que corresponde a Sistemas de Acueducto. (Completar normatividad utilizada) Res 2115 de 2007 5. DEFINICIÓN DEL PERIODO DE DISEÑO Y CAUDAL DE DISEÑO De acuerdo con lo definido en el RAS título A, numeral 7.4.1 el periodo de diseño de las redes de distribución para el sistema de complejidad bajo es de 25 años, teniendo en cuenta lo establecido en el artículo 47 de la resolución 0330 de 2017 se tomará el Caudal Máximo Horario QMH para el diseño de la red.
Tabla 2. Proyección Departamento Nacional de Estadística DANE (1985-2017). AÑO
POBLACION
DANE
Tabla 3. Proyección Departamento Nacional de Estadística DANE (2018-2035). 5.3. Métodos de Cálculo para la Proyección de Población Los métodos que establece el RAS para el cálculo de las proyecciones de población se encuentran en el Titulo B.2, el cual se refiere a la determinación de la población, dotación y demanda. Estos métodos, se presentan a continuación: 5.3.1. Método Aritmético Consiste en considerar que el crecimiento de una población es constante, es decir la población crece de forma lineal, empleando la siguiente expresión: Donde, PF : Población correspondiente al año para el que se quiete realizar la proyección (habitantes). Puc : Población correspondiente a la proyección del DANE (habitantes).
* ( Tf Tuc )
Tuc Tci
puc pci
p f puc
P á g i n a 8 | 42 Pci : Población correspondiente al censo inicial con información. Tuc : Año correspondiente al último año proyectado por el DANE. Tci : Año correspondiente al censo inicial con información. Tf : Año al cual se quiere proyectar la información. METODO ARITMETICO Pci (habitantes) 2018 2497 Tci (años) 2018 Puc (habitantes) 3044 Tuc (años) 2035 Pf (habitantes) 3462 Tf (años) 2048 Tabla 4. Resultados finales obtenidos mediante el método aritmético Para la proyección de población al año 2048. Tabla 5. Proyección de población mediante el método Aritmético. 5.3.2. Método Geométrico El RAS recomienda este método, es útil en poblaciones que muestran una actividad económica importante, que generan un desarrollo apreciable y que posee áreas de expansión importantes las cuales pueden ser dotadas, sin mayores dificultades, de la infraestructura de servicios públicos. El crecimiento es geométrico si el aumento de la población es proporcional al tamaño de la misma. La ecuación que se emplea es: AÑO METODO ARITMETICO 2018 2497 2019 2529 2020 2561 2021 2594 2022 2626 2023 2658 2024 2690 2025 2722 2026 2754 2027 2787 2028 2819 2029 2851 2030 2883 2031 2915 2032 2947 2033 2980 2034 3012 2035 3044 2036 3076 2037 3108 2038 3141 2039 3173 2040 3205 2041 3237 2042 3269 2043 3301 2044 3334 2045 3366 2046 3398 2047 3430 2048 3462
1
Tuc Tci
r Puc ^ ^
Tf Tuc
Pf Puc r
5.3.3. Método Exponencial El crecimiento de la población exponencial obedece a la siguiente ecuación:
Donde, Pcp : Población del censo posterior (proyección del DANE). Pca : Población del censo anterior (habitantes). Tcp : Año correspondiente al censo posterior. Tca : Año correspondiente al censo anterior. Ln : Logaritmo natural o neperiano. AÑO EXPONENCIAL 1985 1707 1986 1727 1987 1747 1988 1767 1989 1787 1990 1808 1991 1829 1992 1850 1993 1872 1994 1893 1995 1915 1996 1938 1997 1960 1998 1983 1999 2006 2000 2029 2001 2053 2002 2076 2003 2100 2004 2125 2005 2149 2006 2174 2007 2200 2008 2225 2009 2251 2010 2277 2011 2303
METODO EXPONENCIAL
Pca (habitantes) 2154 Tca (años) 2005 Pci (habitantes) 2497 Tci (años) 2018 Pcp (habitantes) 3044 Tcp (años) 2035 k (Tasa de crecimiento de la población) 0. Pf (habitantes) 3529 Tf (años) 2048
Grafica 1. Análisis estadístico de los métodos aritmético, geométrico y exponencial. Una vez realizada la gráfica, se le agrega la línea de tendencia y se identifica el R² que más se aproxime al 1, donde se puede evidenciar que los datos más confiables pertenecen al del método exponencial con una proyección de población de 3529 habitantes. Seleccionado el método exponencial, con una población proyectada de 3529 se considera un porcentaje del 5% para la población flotante en este municipio teniendo en cuenta el poco turismo generado en el municipio de Firavitoba, Boyacá. POBLACION PROYECTADA DE DISEÑO
POBLACION
FLOTANTE (5%)
POBLACION FINAL DE
DISEÑO (población proyectada + población flotante) 3529 176 3705 Población final de diseño teniendo en cuenta la población flotante. Una vez obtenida la población flotante, se le suma a la proyección conseguida mediante el método exponencial arrojando una población total de 3705 habitantes la cual es designada como la población final de diseño. R² = 0. 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 1 9 8 0 1 9 9 0 2 0 0 0 2 0 1 0 2 0 2 0 2 0 3 0 2 0 4 0 2 0 5 0 2 0 6 0 POBLACION AÑOS
PROYECCION POBLACIONAL FIRAVITOBA CABECERA
MUNICIPAL
POBLACION DANE ARITMETICO GEOMETRICO EXPONENCIAL Polinómica (POBLACION DANE)
6. EVALUACIÓN DE DOTACIONES DE AGUA
La dotación es la asignación de agua que se le hace a un habitante usuario de un sistema de acueducto. La demanda total de agua se obtiene cuando se multiplica la población que va a ser servida por la dotación; por tal razón, la evaluación de la dotación es tan importante como la proyección de la población. La dotación, tal como ya se ha definido, se denomina usualmente “dotación bruta” (dbruta), y en su definición intervienen dos variables: la dotación neta (dneta) y el índice de pérdidas de agua en el sistema de acueducto (%P). El RAS define la dotación bruta (numeral B.2.7) como:
p
d
d
neta bruta
(EC. B.2.8)
La dotación neta (dneta) corresponde a la cantidad de agua que requiere un habitante o usuario del servicio de acueducto para satisfacer sus necesidades normales, sin con- siderar las pérdidas que ocurren en el sistema. En otros términos, se podría decir que es el consumo normal de agua de una persona cuando se tiene un abastecimiento pleno. La unidad usual de medida de la dotación neta es litros por habitante por día (L/hab.*d). Las pérdidas totales de agua de un sistema son la diferencia entre el volumen de agua tratada producido por el sistema y el volumen de agua medido como consumo de sus usuarios. Se debe aclarar que mientras la dotación neta es un parámetro que se puede enmarcar dentro de un rango de valores mínimos y máximos normales, las pérdidas de agua son un parámetro particular y propio de cada sistema de acueducto, de las condiciones físicas de la red, de sus sistemas de macro y micro medición y de sus condiciones operativas; por tanto, deben ser evaluadas en detalle para cada sitio.
La dotación neta debe determinarse haciendo uso de información histórica de los consumos de agua potable de los suscriptores, disponible por parte de la persona prestadora del servicio de acueducto o, en su defecto, recopilada en el Sistema Único de Información (SUI) de la Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios (SSPD), siempre y cuando los datos sean consistentes. En todos los casos, se deberá utilizar un valor de dotación que no supere los máximos establecidos en la Tabla X. ALTURA PROMEDIO SOBRE EL NIVEL DEL MAR DE LA ZONA ATENDIDA DOTACIÓN NETA MÁXIMA (L/HABDÍA)*
2000 m.s.n.m 120 1000 – 2000 m.s.n.m 130 < 1000 m.s.n.m 140 Dotación neta máxima según altura promedio sobre el nivel del mar de la zona atendida. Fuente: RAS 2000 (resolución 0330 de 2017). Artículo 43. Teniendo en cuenta a que el municipio de Firavitoba, Boyacá se encuentra entre los 2500 y 3400 de altura sobre el nivel del mar (msnm), se determina que la dotación neta máxima es de 120 L/HABDIA. 6.3. Perdida de Agua en el Sistema* El porcentaje de pérdidas técnicas máximas esperadas en todos los componentes del sistema (como conducciones, aducciones y redes), así como las necesidades de la planta de tratamiento de agua potable, y no deberá superar el 25%. 6.4. Dotación Bruta La dotación bruta para el diseño de cada uno de los componentes que conforman un sistema de acueducto se debe calcular conforme a la siguiente ecuación:
p
d
d
neta bruta
Donde, dbruta : Dotación bruta dneta : Dotación neta %p : Porcentaje de pérdidas técnicas máximas para diseño Por lo tanto, la dotación bruta para este proyecto se calcula de la siguiente manera:
Dbruta 160. 00 L / hab .* d
NOTA: La dotación bruta calculada, con una dotación neta de 1 20 l/hab.-día y un porcentaje de pérdidas técnicas del 25 % para este proyecto es de 160.00 L/hab.d.*
7. CÁLCULO DE LA DEMANDA DE AGUA La demanda total de agua del sistema de acueducto de un municipio corresponde a la sumatoria de las demandas originadas por los diferentes usos que se le dan al suministro. Por tanto, la proyección que se haga de la demanda hacia el futuro debe corresponder a la proyección de los diferentes usos, dando mayor importancia a aquellos que tienen mayor participación dentro de los consumos. Para un alto porcentaje de los municipios colombianos donde se demuestre que el consumo del uso residencial corresponde a más de 90% del volumen total de agua consumida, es válido realizar las proyecciones de demanda de agua contemplando únicamente la evolución en el tiempo de la población servida y de la dotación bruta residencial; esto es, calculando únicamente la demanda de agua residencial e incrementando ese valor en aquel porcentaje que corresponde a los otros usos, para obtener la demanda total de agua. Lo anterior presupone que la participación de los otros usos respecto a la demanda residencial se mantiene porcentualmente constante en el tiempo, lo cual es válido para poblaciones donde los otros usos se refieren a los comerciales e institucionales, los cuales son proporcionales al tamaño de la población. Esta metodología no puede aplicarse a proyecciones de la demanda en municipios donde el uso industrial sea importante en la actualidad o del cual se espere un crecimiento notable en el futuro, pues la magnitud de los consumos por este uso no depende mucho del tamaño de la población, sino de la actividad productiva que se realiza en dicha industria. 7.1. Estimación de la demanda total de agua Con el fin de diseñar las diferentes estructuras hidráulicas del sistema de acueducto, es necesario calcular el caudal apropiado, el cual debe combinar las necesidades de la población de diseño y los costos de la construcción de un acueducto para un caudal excesivo. Normalmente se trabaja con tres tipos de caudales: Caudal medio diario Caudal máximo diario
CLIMA SEGÚN RAS Frio DOTACION NETA (Lt/habdía)* 120 % PERDIDAS ACEPTABLE 25% DOTACIÓN BRUTA (Lt/habdía)* 160. Qmd Caudal medio diario Domestico (Lt/s) 6. ESCUELA PRIMARIA (500 ALUMNOS) (Lt/s) 0. COLEGIO (600 ALUMNOS) (Lt/s) 0. CENRO DE SALUD (15 CAMAS) (Lt/s) 0. PESLAC (Lt/s) 3. Qmd Total 10. Caudal medio diario (Lt/s). 7.1.2. Caudal Máximo Diario (QMD) Corresponde a la demanda máxima estimada en un lapso de 24 horas durante un periodo de análisis de un año. Se origina en el hecho de que los hábitos de consumos de agua de la población no son los mismos todos los días de la semana ni todos los días del año. Este caudal corresponde al caudal medio diario afectado por un coeficiente de consumo máximo K1. La ecuación con la cual se calculó este valor es la siguiente: Q (^) MD Qmd * K 1 Donde: QMD: Caudal máximo diario el Lt/s Qmd: Caudal medio diario en Lt/s K 1 : Coeficiente de consumo máximo diario El coeficiente K 1 se denomina coeficiente de consumo máximo diario y se obtiene de la relación entre el mayor consumo diario y el consumo medio diario, utilizando los registros de medición en un período mínimo de un año, o el promedio de varios años. Nota: articulo 47 / Parágrafo 2º de la resolución 0330 de 2017. Los factores de mayoración K1, para poblaciones menores o iguales de 12.500 habitantes, al periodo de diseño, en ningún caso el factor K1 será superior a 1.3; para poblaciones mayores de 12.500 habitantes, al periodo de diseño, en ningún caso el factor K1 será superior a 1.2. El valor del coeficiente de consumo máximo diario, k1, será 1.30.
Por lo tanto, el caudal máximo diario es de: QMD 10. 93 * 1. 30 QMD 14. 21 l / s. DEMANDAS Y CAUDALES DE DISEÑO Coeficiente de Consumo Máximo Diario k1 1. QMD Caudal Máximo Diario (Lt/s) 14. Caudal máximo diario 7.1.3. Caudal máximo horario (QMH) El caudal máximo horario ( QMH ), corresponde al consumo máximo registrado durante una hora en un período de un año sin tener en cuenta el caudal de incendio. Se calcula como el caudal máximo diario multiplicado por el coeficiente de consumo máximo horario, ( K 2 ). Nota: articulo 47 / Parágrafo 2º de la resolución 0330 de 2017. Los factores de mayoración K2 deben calcularse para cada caso con base en los registros históricos de macromedición. En condiciones excepcionales en las que dicha información no esté disponible, debe justificarse la selección de los valores empleados. Para poblaciones menores o iguales de 12.500 habitantes, al periodo de diseño, en ningún caso el factor K2 superior a 1.6. Para poblaciones mayores de 12.500 habitantes, al periodo de diseño, en ningún caso el factor K2 superior a 1.5. Dado que el valor del coeficiente de consumo máximo horario ( K 2 ) es bastante sensible al tamaño de la población y a la simultaneidad de los diferentes usos del agua, en lo posible debe ser calculado en forma específica en cada municipio. En donde no exista información para hacerlo se recomienda que por medio de mediciones en la red de distribución se establezca la curva de variación horaria de la demanda, que es la variación de los consumos hora a hora a lo largo de las 24 horas del día; para ello se deben tomar mediciones continuas de caudal al menos durante una semana (siete días) que se considere representativa del consumo promedio del municipio. Cuando se utilice este método debe recordarse que en la curva de variación horaria de la demanda se obtiene el consumo pico o máximo en 24 horas referido al consumo medio de ese período, esto es, la relación entre la demanda máxima horaria ( QMH ) y la demanda media ( Qmd ) que corresponde al producto de los coeficientes de consumo máximo diario ( K 1 ) y máximo horario ( K 2 ).