Unidad I introducción y antecedentes 1 Introducción






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títuloUnidad I introducción y antecedentes 1 Introducción
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INTRODUCCIÓN

UNIDAD I

INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES

1.1 Introducción:


Sistema de abastecimiento de agua potable, es el conjunto de tuberías, instalaciones y accesorios destinados a conducir las aguas requeridas por una población determinada, desde un lugar de existencia natural hasta el hogar de los usuarios.
Los sistemas de abastecimiento de agua pueden ser desde sistemas sencillos como el de una zona rural que está formado por una sola tubería, hasta redes complejas que llevan el agua a las viviendas en las grandes ciudades.
El sistema de alcantarillado sanitario o red de alcantarillado es el sistema usado para transportar las aguas residuales, desde el punto de su producción hasta el sitio donde se le da tratamiento o el lugar de disposición final.
Ambos sistemas, el sistema de abastecimiento como la red de alcantarillado sanitario están formados por una serie de elementos que permiten el suministro de agua potable o el drenaje de agua residual. Entre estos elementos tenemos, sistema de bombeo, línea de conducción, sistema de tratamiento, etc.

1.2 Antecedentes históricos:


La humanidad en la antigüedad se dedicaba principalmente a las actividades de caza y recolección de alimentos. Sólo en los últimos 9,000 a 10,000 años la humanidad ha descubierto la forma de cultivar y domesticar animales.
La agricultura probablemente tuvo lugar primero en las colinas del norte de lo que es hoy Irak y Siria. Luego se extendió hacia el Río Nilo y los Valles del Indo. La gente comenzó a vivir en pueblos sedentarios en lugar de llevar una vida nómada. Alrededor de 6,000 a 7,000 años los pueblos granjeros del Cercano y Medio Oriente se convirtieron en ciudades1.
Los primeros esfuerzos con éxitos para controlar el agua se realizó en Mesopotamia y Egipto. Aún existen restos de estos de canales de irrigación prehistóricos. Durante el período Neopalaciego (1,700 a 1,400 años antes de Cristo), Knossos alcanzó la cima de su esplendor, tenía una población en varias decenas de miles de habitantes. El suministro de agua en Knossos estaba formado por un acueducto que suministraba agua mediante conductos tubulares desde las regiones de knunavoi y Archanes y se ramificaba para abastecer la ciudad y el Palacio.
La Ciudad de Efeso en Anatolia, Turquía fue fundada en el Siglo X antes de Cristo. El agua para la fuente principal, construida durante el Siglo XIV antes de Cristo fue desviada mediante una pequeña presa en Marnss y conducida a la ciudad, por un sistema de tubería de 6 kilómetros de longitud que consistía en tres tramos de arcilla, uno más largo y dos más pequeños.
Los romanos construyeron muchos acueductos, sin embargo no fueron los primeros. El rey Sennechorio construyo también acueductos, igualmente los fenicios y los helenos. Los romanos y los helenos necesitaban un sistema extenso de acueductos para sus fuentes, baños y jardines. Los acueductos romanos fueron construidos sobre estructuras elevadas para proporcionar la pendiente necesaria para el flujo de agua.
El conocimiento de la fabricación de tuberías, utilizando bronce, plomo, madera, arcilla y cemento; estaba en su inicio y la dificultad de hacer conductos era un problema. La mayoría de las cañerías romanas se hacía de plomo, e incluso los romanos reconocían que el agua transportada en tuberías de plomo era un riego para la salud.

1.3 Generalidades


El agua es un elemento indispensable para la vida. Cubre casi cuatro quintas partes de la superficie terrestre. El hombre la utiliza como elemento para su nutrición, sea como bebida o para otras actividades tales como: lavado de trastos y ropas, baño para evacuar sus desechos, para producir electricidad y vapor.
El uso de agua para proveer “Saneamiento básico” a comunidades tiene enorme importancia ya que cualquier población, por pequeña que sea, debería contar como mínimo con los servicios de acueducto y alcantarillado, para impulsar su desarrollo social y económico y, ante todo, para reducir las altas tasas de morbilidad y mortalidad en especial de la población infantil.
El trabajo que deben desarrollar los ingenieros hoy en día no es tanto el diseño de nuevas redes en grandes ciudades, sino la ampliación de dichas redes y la creación de la infraestructura necesaria en poblaciones pequeñas, en términos de soluciones adecuadas y acordes con una limitada inversión de capital.
El diseño, construcción y supervisión de los sistemas de abastecimiento de agua potable han sido por largo tiempo una responsabilidad de ingenieros civiles especializados en control de la calidad del agua y su distribución.
Con el objeto de suministrar agua potable a una comunidad, es necesaria la construcción de una serie de obras Hidráulicas para la captación, el sistema de purificación del agua, la conducción, el almacenamiento y la distribución.

La figura 1.1 esquematiza este proceso
F
ig. 1.1.


El agua tiene su propia dinámica en el denominado ciclo hidrológico, que impulsado por la energía solar, realiza la evaporación del agua superficial, que posteriormente pasa a la atmósfera en forma de vapor y finalmente retorna a la superficie.
En este ciclo, el hombre ha introducido modificaciones para utilizar el agua para su provecho, sea para su propio consumo personal, o para obtener algún beneficio mejorando cosechas, obteniendo energía o utilizándola en los procesos industriales. Para abastecimiento y distribución de la misma ha ido generando cambios drásticos en el ciclo de agua que no solo modifican su circulación, sino también sus y su calidad.

1.4 Enfermedades de Origen Hídrico

Son causadas por elementos patógenos, perjudiciales para la salud humana, que utilizan como vectores el agua y otros agentes como moscas, ratas y alimentos. Generalmente son originadas por descargas intestinales o por contagio.
El agua de lluvia en su caída arrastra hacia la tierra partículas de polvo y gases. Al caer, escurre sobre la superficie arrastrando materia orgánica en descomposición, y desechos de diversas naturalezas (humana, animales, industriales, etc.), que pueden provocar serios daños a la salud humana y al medio ambiente.
Las enfermedades hídricas son causadas por virus, bacterias, protozoos o helmintos. Estas enfermedades pueden ser de tipo endémico o esporádico. Algunos ejemplos de estas enfermedades se muestran en la tabla 1.1
Tabla 1.1

Enfermedades hídricas

Enfermedad

Agente etiológico

Fiebre tifoidea

Bacilo de Eberth

Fiebre paratifoidea

Salmonella paratyphi-A

Disentería bacilar

Género Shigella

Cólera

Vibrio colera

Parálisis infantil

Virus

Parasitismo intestinal

Virus

Gastroenteritis

Microorganismo

Hepatitis infecciosa

Virus

Disentería amibiana

Entoameba histolytica



1.5 Elementos de un Sistema de Abastecimiento de Agua
Esquema convencional de abastecimiento

Cualquier sistema de abastecimiento de agua a una comunidad, por rudimentario que sea, consta de los siguientes elementos:


  1. Fuente de abastecimiento

  2. Obras de captación

  3. Estación de Bombeo

  4. Obras de conducción

  5. Tratamiento del agua

  6. Almacenamiento

  7. Distribución.


1. Fuente de abastecimiento

La fuente de abastecimiento de agua constituye la parte más importante del sistema de abastecimiento de agua. Esta puede ser superficial, tales como: ríos, lagos, embalses o las aguas de lluvias, o de aguas subterráneas superficiales o profundas, localizadas en acuíferos confinados o acuíferos freáticos.
La fuente tiene que ser capaz de abastecer de agua a la población futura de diseño. La selección de las fuentes se basa en los datos o registros hidrológicos disponibles y las determinaciones estadísticas, pero es evidente que para poder garantizar un servicio continúo y eficiente es necesario que la fuente sea capaz de suplir agua para el día más crítico del período de diseño (día de máximo consumo).

La elección del tipo de abastecimiento depende de factores tales como localización, calidad y cantidad. El período de diseño depende de la naturaleza de la fuente. Los suministros de agua subterráneas son por los general más fácil de expandir mediante la construcción de pozos adicionales, y los período de diseño son más cortos, que las fuentes de aguas superficiales las cuales requieren de la construcción de embalses para cubrir la demanda durante el período de poco flujo (fuente con regulación) en ríos y por tanto, los períodos de diseño son mucho más largos.
Fig. 1.2

Reservorio de agua en Holanda



Tipos de fuentes de abastecimiento:

Según sean las características del proyecto, tales como disponibilidad de fuentes de agua, tamaño de la población, caudal requerido y recursos económicos, se pueden enumerar las siguientes fuentes:
Subterráneas: Las aguas subterráneas se localizan en el subsuelo, que provienen de la infiltración del agua de lluvia. En el subsuelo encontramos dos zonas: Zona saturada y zona no saturada. En la primera todas las cavidades entre los granos de suelo están lleno de agua y el agua acumulada se denomina agua subterránea. En la zona no saturada el espacio entre los granos del suelo contienen agua, gases atmosféricos. El agua en esta zona esta sostenida por atracción molecular, por lo que se conoce como agua suspendida.
Dependiendo de las formaciones geológicas y de la hidráulica subterránea, se pueden tener fuente de agua subterránea superficiales o profundas. De acuerdo a las características del nivel piezométrico y de las condiciones hidráulicas del depósito de agua, se puede tener un acuífero recargado por la infiltración superficial (acuífero freático), o en ciertas condiciones el agua puede brotar a la superficie sin necesidad de la utilización de bombas (acuífero artesiano).
Otra fuente de agua subterránea los manantiales, son afloramientos superficiales de agua subterránea. El afloramiento puede ser por gravedad pasando a través de una capa superficial permeable y escurriendo a la superficie, o bien puede ser un manantial artesiano si el estrato permeable se halla confinado entre dos estratos impermeables y se encuentra a presión debido a la cota piezométrica del depósito de agua.
Los manantiales artesianos son por lo general perennes y no dependen de la época del año, mientras que los manantiales por gravedad suelen ser periódicos y relacionados con la época del año.
Superficial: Las fuentes de agua superficial la constituyen los ríos, riachuelos, lagunas o lagos.
Agua de lluvia: Las aguas de lluvia están menos expuestas a la contaminación con bacterias y parásitos. No constituyen una fuente de aprovechamiento constante, por lo que deben colectarse solamente en épocas de lluvia y almacenarse durante la estación seca.
2. Obras de Captación

El tipo de estructura utilizada para la captación del agua depende en primer lugar del tipo de fuente de abastecimiento utilizado. En general, en los casos de captación de agua superficial se habla de “bocatomas” mientras que la captación de aguas subterráneas se hace por medio de “pozos”. El agua pluvial a través de los techos de las viviendas y cisternas.
3. Estación de Bombeo

Las estaciones de bombeo son generalmente diseñadas para un periodo de cerca de 10 años, dado que su modificación y ampliación son fáciles, si la provisión para el cambio se hace desde del inicio.
Para la selección de la bomba se requiere un conocimiento del flujo máximo incluyendo la demanda para incendios. La capacidad total de bombeo instalada excederá el flujo máximo que se espera para ser bombeado.
Interviene una variación adicional que es el número de horas de bombeo (N), por lo que al considerar el crecimiento poblacional en el período de diseño, el factor asumido para el caso del día de máximo consumo pudiera ser absorbido mediante una variación del tiempo de bombeo para el día crítico, logrando diseños más económico utilizando la siguiente formula en función del número de horas trabajadas.


4. Líneas de Conducción

En un proyecto existen numerosas conducciones de agua entre diferentes puntos, como por ejemplo bocatoma–Tratamiento, Tratamiento-tanque de almacenamiento y línea matriz. Hidráulicamente estas conducciones pueden ser de diferentes formas, dependiendo de la topografía y la longitud de las mismas. Estas conducciones son generalmente por tubería a presión o por gravedad, por canales rectangulares o trapeciales abiertos o cerrados.

Las líneas de conducción deben satisfacer condiciones de servicio para el día de máximo consumo, garantizando de esta manera la eficiencia del sistema. El diseño se hará de acuerdo a criterios para las diferentes condiciones, afectados o no por el tiempo de bombeo.
Las conducciones en tuberías son diseñadas para una su vida útil; un período de unos 25 años o más que es lo usual. Ver ejemplo de líneas de conducción en la figura 1.3
Figura 1.3



5. Tratamiento del agua

El agua potable debe estar libre de todos elementos que causen problemas a la salud humana. En la actualidad ninguna agua en su estado natural es apta para el consumo humano ya que requiere un tratamiento mínimo de desinfección con el fin de prevenir la contaminación con organismos patógenos durante la conducción del agua.
Un ejemplo de tratamiento de agua se muestra en la figura 1.4
Fig. 1.4

Adición de cal (CO2) para reducir la dureza

6. Almacenamiento

Dado que el caudal de captación no es siempre constante y que el caudal demandado por la comunidad tampoco lo es, es necesario almacenar agua en un tanque. Durante los períodos en los que la demanda es menor que el suministro se almacena en el tanque, y se usa en los períodos en que la comunidad demanda gran cantidad del líquido.
El almacenamiento generalmente es un elemento intermedio entre la fuente y la red de distribución y de su funcionamiento depende que el suministro de agua sea continuo a la ciudad. El tanque de almacenamiento actúa con funciones de almacenaje y de compensador de variaciones de los consumos.

7. Distribución

La distribución de agua a la comunidad puede hacerse desde la manera más simple que sería un suministro único por medio de un tanque o puesto público, hasta su forma más compleja por medio de una serie de tuberías o redes de distribución que llevan el agua a cada domicilio. Para garantizar la eficiencia en el suministro se debe considerar un sistema que provea de agua a la comunidad en la condición crítica de máximo horario.
Los elementos del sistema de distribución de agua se instalan debajo de la superficie del terreno, usualmente debajo de las calles. Su vida útil es muy larga y su reposición muy costosa, de modo que su período de diseño y capacidad se diseñan basados en el desarrollo urbano máximo previsto en el área que sirve.
1.6 Volumen de Agua

La determinación de la cantidad de agua a ser suministrada es la base del diseño del acueducto. Los diseños deberán satisfacer las necesidades de la población durante un período suficientemente grande debido al hecho de que los sistemas de acueductos están constituidos por estructuras relativamente grandes, tales como presas, plantas de tratamiento, conducciones, etc.
Para cumplir con lo dicho anteriormente se requiere estudiar factores tales como:



  1. Período de diseño.

  2. Población de diseño.

  3. Área de diseño.

  4. Hidrología de diseño.

  5. Usos del agua.

  6. Inversión de capital.


1.7 Planeación de los servicios de agua potable y estudios previos al proyecto.



En su sentido más amplio, se utiliza el concepto de planeación para referirse al conjunto de técnicas y métodos que permiten organizar, jerarquizar y otorgar una secuencia temporal a las acciones y/o actividades que se realiza para lograr ciertos fines que juzga convenientes o deseables de alcanzar, a partir de cierta disponibilidad de recursos.
La formulación de un proyecto de agua potable requiere de estudios e investigaciones previas, tanto de campo como de gabinete, que permitan al ingeniero proyectista concebir con la mayor amplitud de criterio la solución o soluciones posibles a los problemas de abastecimiento de agua potable de una comunidad.
De la cantidad y calidad de información previa que se obtenga y de su selección y procesamiento, dependen las características, eficiencia y costo del proyecto futuro.
Los estudios previos al proyecto son:

  1. Estudio de población o demográfico: La determinación de las características de la población y su proyección futura, son los aspectos más importantes del análisis demográfico. Las características de la población se obtienen por métodos de observación directa, encuesta, estudios demográficos previos y del análisis e interpretación de las estadísticas disponibles.

Para propósito de un proyecto de agua potable interesa conocer la población actual, la densidad de población por zonas y sus características generales como estructuras por edades y nivel de general ingreso. Las investigaciones de campo son necesarias también para captar las características de vivienda y la existencia de actividades industriales, comerciales y artesanales que aumentaría el consumo de agua potable.

Para el proyecto, la determinación de la población futura es el dato más importante, pues de su realista estimación dependerá la capacidad del sistema de agua potable. En localidades de pequeño tamaño casi siempre deben formularse proyecciones propias.

En todos los casos de proyección de población es deseable contar con los datos censales de tres o cuatro décadas anteriores y una versión lo más actualizada posible de la población actual. Las proyecciones de la población se formulan para determinar la población del proyecto, la que a su vez esta condicionada por el periodo económico del proyecto.

  1. Estudio topográfico: Es el conjunto de datos obtenidos en el campo y operaciones y calculo realizados en gabinete, que se dibujan gráficamente en un plano elaborado a una escala determinada y que sirven para proyectar el sistema de agua potable.

El levantamiento topográfico del terreno debe reflejar con precisión los puntos principales, alturas, detalles y curvas de nivel. Se debe realizar una visita de campo al sitio, con el objeto de reconocer el área perimetral y preseleccionar los tipos de fuentes de abastecimientos probables que hay en el sitio.

También se investiga los sitios donde se pueden instalar los tanques de almacenamientos y de regulación, así como los sistemas de tratamientos. Una vez obtenida la información se procede a realizar los levantamientos topográficos del conjunto en escala de 1: 2000 – 1: 1000 (cartografía al detalle), elaboración de planos indicando calles, avenidas, cambios de pendientes, elevaciones (altimetría a cada 1 m o 5 m) y planta perfiles de las posibles líneas de conducciones.


  1. Estudio Geohidrológico: Se refiere a la localización de fuentes de abastecimiento, superficiales y subterráneas basado en estudios hidrológicos o geológicos. Así como la obtención de información que basado en la procedencia de la fuente de agua permita determinar la cantidad y calidad, forma de prevenir la contaminación, época en que se dispone de mayor o menor cantidad de agua, forma y manera de disponer de esas fuentes y cualquier otra información relacionada a la disponibilidad de agua para la localidad.


El estudio geológico de la localidad o zona de proyecto es básico para conocer el tipo de suelo y materiales que lo componen a distintas profundidades. Esto se realiza es mediante sondeos exploratorios en puntos seleccionados del terreno, para obtener muestras representativas de los materiales, los cuales se clasifican según sus características principales. Esta información se utiliza para determinar el tipo de excavación o perforación que será necesaria posteriormente para explotar el acuífero.


  1. Estudios de climatología e hidrología: Tiene como propósito de obtener los datos de precipitación y escurrimiento, vientos y temperaturas que resulten indispensables para el proyecto de agua potable. En nuestro país estos datos los recolecta el INETER e incluye registros de temperaturas, máximas, mínimas y medias, dirección de los vientos dominantes, periodos de lluvias e intensidad de estarlas mismas.




  1. Estudio de aforo y tomas de muestras: Se refiere a tomar con recipientes adecuados, con especiales precauciones sanitarias y a profundidades convenientes, las muestras representativas de las fuentes para análisis de laboratorio para conocer las características físicas, químicas, bacteriológicas y microscópicas del agua. La fuente se afora para determinar el gasto que pueden aportar.

1.8 Elaboración del Proyecto:
La información obtenida de campo se completa la información elaborado en oficina que incluye la determinación del período de diseño económico, estudio de población, estudio de dotación, estudio demográfico, población del proyecto, elección de la fuente de abastecimiento, el tipo de tubería, datos del proyecto.
La elaboración del proyecto incluye el diseño final de las obras de captación, líneas de conducción, obras de regulación y de almacenamiento, líneas de alimentación, red de distribución, potabilización, equipos e instalación electromecánicas, tomas domiciliares e hidrantes contra incendio. Especificaciones, presupuesto y financiamiento, memoria descriptiva del proyecto.
Para estos fines se llevan acabo actividades que norman el criterio del ingeniero con relación al medio en que va a operar.


1 Mays Larry W. Manual de Sistemas de Distribución de Agua. Traducido de la primera edición en inglés. España. 2002


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