Agua Potable 3

7/25/2019 Agua Potable 3

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Escuela

Politcnica

Nacional

AGUA POTABLE

Enfermedades de origen hdrico


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Conceptos

1. Agua no tratada

2. Agua parcialmente tratada

3. Agua tratada


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Objetivo

Remocin de patgenos

No hay mejor intervencin en la historia de la medicina que haya salvado

tantas vidas y que haya reducido tanto sufrimiento como la provisin deagua descontaminada (Ewald, 1994; Ewald et al., 1998)

La ruta de transmisin de un patgeno

puede ser interrumpida en dos lugares:

1. Planta de tratamiento de agua potable

2. Planta de tratamiento de aguas residuales


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En funcin del patgeno

1. Infecciones asintomticas: no haydaos al husped.

2. Infecciones moderadas: no hay daopermanente al husped.3. Infecciones severas: puede existir

dao permanente al husped.4. Muerte


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EjercicioConsecuencias de una epidemia de hepatitis A.Estimar el nmero de personas enfermas y obtener elriesgo de muerte de la comunidad.Datos:Poblacin= 10000 personas

Infeccin= 50% de la poblacin


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Respuesta


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Bacterias relacionadas con agua potable

Vibrio Cholerae: Salmonella Shigella

Escherichia coli Campylobacter jejuni Helicobacter pylori Yersinia Enterocolitica Legionalla pneumophila Aeromonas hydrophilia entre otras


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Virus relacionados con agua potable

Polivirus Hepatitis Rotavirus

Astrovirus

entre otros


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Politcnica

Nacional

AGUA POTABLE

Factores que afectan al consumo


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Objetivo:Entender la variacin de la demanda de

agua


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1. Tipo de comunidad

i. Sector residencialii. Sector comercialiii. Sector industrial

iv. Sector recreacional

Existirentonces unconsumo de

aguapredominante

1.1 Consumodomstico.

Consumo familiar

Lavado de ropa

Baos Lavado de autos Riego de jardines


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1.2 Consumo comercial o industrialGasto significativo. Ejemplos:

Curtiembre Fbricas de caf .etc

1.3 Consumo pblico

Parques Jardines Plazas


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1.4 Consumo por prdidas en la red

Tuberas en mal estado Vlvulas defectuosas Conexiones defectuosas

1.5 Consumo por incendio

2. Factores socioeconmicos

Tipo de vivienda Nmero de vehculos

Nmero de sanitarios


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2. Factores socioeconmicos

Tipo de vivienda Nmero de vehculos Nmero de sanitarios

3. Factores climticos

Temperatura

Sensacin trmica4. Tamao de la comunidad

A mayor desarrollo mayor consumo


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Politcnica

Nacional

AGUA POTABLE

Valores lmites para el agua potable


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Att./No

.

Parameter Unit Limit value

1/1 Escherichia coli (100 ml)-1 0

1/2 Enterokokken (100 ml)-1 0

1/3 Coliforme Bacteria (100 ml)-1 0

2/I/1 Acrylamid mg/l 0,0001

2/I/2 Benzole mg/l 0,001

2/I/3 Boron mg/l 1

2/I/4 Bromate mg/l 0,01 *) (01.01.2008)

2/I/5 Chrome mg/l 0,05

2/I/6 Cyanide mg/l 0,05

2/I/7 1,2-Dichlorethane mg/l 0,003

2/I/8 Fluoride mg/l 1,5

2/I/9 Nitrate mg/l 50

2/I/10 Biozids individual mg/l 0,0001

2/I/11 Biozids in total mg/l 0,0005


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Att./No

.


2/I/12 Mercury mg/l 0,001

2/I/13 Selen mg/l 0,01

2/I/14 Tetra-chlore-ethen und Tri-chlore-ethen mg/l 0,01

2/II/1 Antimon mg/l 0,005

2/II/2 Arsenic mg/l 0,01

2/II/3 Benzo-(a)-pyren mg/l 0,00001

2/II/4 Lead mg/l 0,01 *) (01.12.2013)

2/II/5 Cadmium mg/l 0,005

2/II/6 Epichlorehydrine mg/l 0,0001

2/II/7 Copper mg/l 2

2/II/8 Nickel mg/l 0,02

2/II/9 Nitrite mg/l 0,5

2/II/10 Polycyclic aromatic carbon hydroxids mg/l 0,0001

2/II/11 Trihalogenmethane mg/l 0,05

2/II/12 Vinyl chloride mg/l 0,0005


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Anl./Nr

.


3/1 Aluminium mg/l 0,2

3/2 Unionised Ammonia mg/l 0,5

3/3 Chloride mg/l 250

3/4 Clostridium perfringens (100 ml)-1 0

3/5 Ferric mg/l 0,23/6 Colour (spectral Absorption coefficient

Hg 436 nm)

m-1 0,5

3/7 Odour limit value 1 2 at 12 C, 3 at 25 C

3/8 Taste 1 Acceptable for consumer

3/9 Colony number at 22 C 1 Without anomal change

3/10 Colony number at 36 C 1 Without anomal change

3/11 Conductivity S/cm 2500 at 20 C

3/12 Manganese mg/l 0,05

3/13 Sodium mg/l 200


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Nacional

AGUA POTABLE

Dotaciones


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La unidad para dotaciones es:

Valores recomendados para comunidades < 1000

Poblacin Clima DotacionesBsica Media actual Media futura

0-250 FroTemplado

Clido

202525

253030

455050

251-500 FroTemplado

Clido

253040

303545

505565

501-1000 FroTemplado

Clido

3040

50

3545

60

5565

80


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Valores recomendados para comunidades > 1000

Poblacin Clima DotacionesBsica Media actual Media futura


Clido

120150130160170200


Clido

180200190220

200230> 50001 Fro

TempladoClido

200220230

* En general se debe hacer un estudio del consumoen la zona de influencia del proyecto.


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AGUA POTABLE

Periodos de diseo


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Un sistema de agua potable debe estar enconformidad con:

1. Una eficiencia del 100%2. Suficiente capacidad de conduccin3. La resistencia de los materiales debe ser la

adecuada

PERIODO DE DISEO

Comunidades < 1000 habitantes = 20 aos


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Comunidades > 1000 habitantes

Vida til de algunos tipos de tuberas


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Alternativa para el clculo del periodo de diseo.Sharma and Swamee (2004)

Para sistemas a gravedad

Para sistemas de bombeo

Donde: = factor de descuentor = tasa de incremento de agua. Tal que


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Factores determinantes del periodo de diseo

1. Durabilidad de las instalaciones.

2. Facilidades de construccin y posibilidades deampliacin.

3. Crecimiento de la poblacin.4. Financiamiento y tasas de inters.5. Nuevas tecnologas.


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AGUA POTABLE

Variaciones del consumo


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Tipos de variaciones

1. Estacionales.2. Mensuales.3. Diarias.

4. Horarias.

Se lo puedeexpresar enfuncin delCONSUMO MEDIO

DIARIO (Qm)


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Consumo medio diario. (Qm)

Promedio de los consumos diarios durante unao de registros. Unidad [l/s]

86400 Donde:P= poblacin al final del periodo de diseo

Dot= Dotacin

86400


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Consumo mximo diario. (QMD)

Da de mximo consumo de una serie deregistros observados durante los 365 das delao.

1 Donde:Qm= consumo medio diario

K1= Coeficiente entre 1.3 y 1.5


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Consumo mximo horario. (QMH)

Consumo al de la hora de mximo consumo delda de mximo consumo.

2 Donde:Qm= consumo medio diario

K2= Coeficiente entre 2 y 3


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Factores pico: horario y diario

(DVGW-W 400-1)


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Smbolo Definicin Dimensionamiento

Qm Consumo medio diario Costos

QMD Consumo mximo diario Extraccin de agua,almacenamiento

QMH Consumo mximo horario Redes de distribucin

mdMD QfQ

mQ hMH fQ

Definicin y aplicacin de factores pico


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Caudales de diseo poblaciones >1000 hab

FUENTE: cpe inen 5, parte 9-1 1992


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Ejercicio.

1. Por qu las redes de distribucin y reservorios son

dimensionados con diferentes parmetros?2. Por qu los factores o coeficientes disminuyen para ciudades

con mayor poblacin?3. Por qu necesitamos reservorios para sistemas de agua

potable?4. En una pequea comunidad con 2000 habitantes se consumeen promedio 0.25 metros cbicos por persona diariamente.

1. Cul es la cantidad de agua necesaria para sureservorio. Qu caudal es necesario para su red dedistribucin.

2. Anualmente 5% del consumo de agua diario esnecesario para riego de jardines. Qu cantidad de aguaes necesaria para los jardines? Asumir que se riega 30

das al ao durante 4 horas.


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Tarea.

En una comunidad de 9800 habitantes se consume

125L/(persona*da). Adicionalmente hay un hospital con 180camas y una escuela con 490 estudiantes. Para el hospital utilizarun fd=1.3 y un fh=3.2. Para la escuela utilizar un fd=1.7 y unfh=7.5. Calcular los consumos parciales y el consumo total.

Usuario Unidad Dotacin especfica

Escuela L/(estudiante*d) 8

Hospital L/(cama*d) 500


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AGUA POTABLEClases de tubera

Tipo de material Presiones internas de trabajo


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De acuerdo al material

1. Tuberas de acero

Caractersticas Buena resistencia Costos elevados Dependiendo de la tubera depender

la costura. En funcin del suelo se requiere

proteccin catdica para evitarcorrosin


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2. Tuberas de hierro fundido

Caractersticas Resistencia a la corrosin La presencia de grafito la convierte en

tubera frgil. Su condicin limita su utilizacin.


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3. Tuberas de hierro fundido dctil

Caractersticas La presencia de magnesio de manera

que el grafito adopte formasgranulares. Material menos frgil que

el hierro fundido.


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4. Tuberas de hierro galvanizado

Caractersticas

Contenido de carbn < que el delhierro fundido. Resistencia a corrosines menor.

Recubrimiento de zinc.


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5. Tuberas de asbesto cemento.

Caractersticas

Tubera mas frgil que el hierrofundido

Material inerte a la corrosin.


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6. Tuberas de plstico PVC.

Caractersticas

Buena maniobrabilidad. Menor peso. Menores de costos por transporte e

instalacin. Inerte a la corrosin.


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De acuerdo a las Presiones internas detrabajo.

En funcin de la norma se utilizadiferente nomenclatura. Generalmente sehabla de clases de tubera.

Un tubo soporta presionesinternas como:

Presiones hidrostticasPresiones hidrodinmicas


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De acuerdo a las Presiones internas detrabajo.

Las unidades de presin pueden ser:

1 Kg/cm2 10 mca (metros columna de agua) Aprox 1 atm etc

E l


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Politcnica

Nacional

AGUA POTABLEPoblacin actual y futura

bj i


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Objetivo

Conocer la cantidad de agua que se requiere enel futuro.

Factores:

1. Periodo de diseo (lapso de funcionamiento

del sistema a plena capacidad).

2. Poblacin al final del periodo.3. Consumo de agua en ese periodo

C i i d l bl i


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Crecimiento de la poblacin.

Poblacin crece por:

Nacimientos

Migracin

Anexin

Poblacin decrece por:

Muertes

Migracin

ndice de:1. Natalidad2. Mortalidad

El ndice cambiar por:1. Restricciones inmigracin.2. Avances en la higiene.3. Adelantos en la nutricin.4. Descubrimientos en la

medicina.5. Fluctuaciones en la economa.

Crecimiento idealizado de la poblacin


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Crecimiento idealizado de la poblacin.

C. aritmtico:

C. geomtrico:

(), ,

()


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Mtodo aritmtico

1 + 1 0

En donde:

P= poblacin al final del periodo de diseon= Periodo comprendido entre el ltimo censoconsiderado y el ltimo ao del periodo de diseo.

m= periodo intercensal entre los censos P1 y P0


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Mtodo Geomtrico

1(1+ )^

En donde:

P= poblacin al final del periodo de diseoP1= poblacin actualr= tasa de crecimiento

n= # de aos entre el ltimo censo y el ltimo ao delperiodo de diseo


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Interpolacin y extrapolacin lineal

+ ( )

En donde:

P= poblacin al final del periodo de diseoPi= poblacin inicialti= fecha inicial

tf= fecha finalKa= constante = (p2-p1)/(t2-t1)


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Ejercicio.

Comparar los Qm, QMD,QMH actuales con los consumos

en 20 aos si la poblacin se contrae en 1% por ao y ladotacin disminuye a 100 L/(personas*da) . En lacomunidad hay 9800 personas.

PresenteQm /d 1398.1QDM /d 2450.0QMH

/h 229.7

E l


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Politcnica

Nacional

RecapitulacinCriterios bsicos para el diseo1. Factores que afectan al consumo2. Valores lmite

3. Dotaciones4. Periodo de diseo5. Variaciones del consumo6. Clases de tubera7. Poblacin actual y futura

E l


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Politcnica

Nacional

AGUA POTABLETransporte de agua


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Es posible clasificar el tipo de flujo engrupos.

Flujo uniforme: Si la velocidad es la misma enmagnitud y direccin en todos los puntos.

Flujo no uniforme: En un instante dado, lavelocidad no es la misma en todos los puntos.

Flujo estacionario o permanente: Si la velocidad,presin y seccin transversal puede diferir de un

punto al otro pero no cambian con el tiempo. Flujo no permanente o no estacionario: Si en unpunto las condiciones cambian con el tiempo.


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Es posible clasificar el tipo de flujo engrupos.

Flujo uniforme: ;

Flujo no uniforme:

; Flujo estacionario o permanente:

; Flujo no permanente o no estacionario:

;


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Ejemplos de combinaciones

Flujo estacionariouniforme: (Fluido normal) Fluidode agua en una tubera con dimetro y velocidadconstanteFlujo estacionariono uniforme: Fluido en una

tubera con diferente seccin transversal. La velocidadcambiar con la longitud de la tubera hacia la salida.Flujo no estacionariouniforme: Fluido de agua enuna tubera con dimetro constante conectado a unabomba con un Q constante la cual es apagadaposteriormente.Flujo no estacionariono uniforme: Ondas en un

canal.

f i


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Modelos de fluidos

3D, Turbulento Investigacin de procesos locales

1D, No estacionario y no uniforme Modelos numricos Eventos histricos Alternativas

1D, estacionario y uniforme Diseo y dimensionamiento general


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Flujo estacionariouniforme

1 2 1 2

;

Relacin nica entre Q y h.

NOHistresis

Conservacin de energa (Bernoulli)


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Conservacin de energa. (Bernoulli)

1. Cintica (movimiento)2. Carga Presin

3. Potencial

Prdida de energa

Escuela


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Escuela

Politcnica

Nacional

AGUA POTABLE

Extraccin de agua

Subterrneas (pozos) Superficiales

C i i d t bl


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Composicin de agua no potable

Aguas subterrneas

Valores tpicos



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Composicin de agua no potableAgua en una presa

Parameter Unit Wahnbach

(Siegelsknippen)

Klingenberg

(Coschtz)

Muldenberg

(Muldenberg)

Temperature C 3,86,7 4,014,5 0,712,8

pH-value 6,8...7,1 6,6...7,7 4,3...4,9

Oxygen mg/l 5,9...11,1 7,8...12,3 5,8...12,9

DOC mg/l 0,48...1,27 2,2...2,6 2,0

SAC 436 nm m-1

0,06...0,08 0,14...0,46 < 0,1...0,4Turbidity TE/F 0,48...1,27 0,3...1,8 0,43...2,5

AOX mg/l < 0,01 < 0,01...0,018 < 0,0015

KS 4,3 mol/m 0,43...0,50 0,15...0,4 0,01...0,03

Hardness mol/m 0,7...0,8 0,5...0,7 0,17...0,19

Aluminium mg/l 0,02...0,27 < 0,02...0,16 0,62...0,96

Nitrate mg/l 16...17 12...19 2,0...3,6

Ferric, total mg/l < 0,01...0,03 < 0,05...0,12 < 0,17...0,60

Manganese mg/l 0,01...0,19 0,024...0,14 0,48...0,59

Arsenic g/l < 0,5 1,0...2,9 < 1,0

Colonies no. at 20 C ml-1 22...1490 0... > 1000 0...528

Coliformes 1/100 ml 0...12 0 0



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Composicin de agua no potableAgua de un ro

Parameter Unit Elbe

(Hosterwitz)

Donau at Leipheim

Mean 2001

Temperature C 0,622,5 10,4

pH-value 7,3...8,6 8,12

Oxygen mg/l 4,4...11,8 10,51

DOC mg/l 4,6...6,6 2,85

SAC 436 nm m-1

0,65...1,9 n.b.Turbidity TE/F 34...140 8,48

AOX mg/l 0,022...0,199 0,012

KS 4,3 mol/m 1,2...2,15 4,27

Hardness mol/m 1,4...2,1 2,5

Aluminium mg/l 0,025...0,82 0,04

Nitrate mg/l 16...30 13,7

Ferric mg/l 0,25...4,4 0,02

Manganese mg/l < 0,02...0,51 < 0,0050

Arsenic g/l 2,5...3,3 0,00014

Colonies no. at 20 C ml-1 1000... > 168 000 5651

Coliforms 1/100 ml > 2400 13393



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Composicin de agua no potableAgua de un lago

Parameter Unit Lake of Constance (60 m depth)

Mean 2000

Temperature C 5,1

pH-value 8,05

Oxygen mg/l 10,6

DOC mg/l 1,3

SAC 254 nm m-1 3,1

SAC 436 nm m-1 Not detectable

Turbidity FNU 0,51

AOX mg/l 0,006

KS 4,3 mol/m 2,52

KB 8,2 mol/m 0,03

Hardness dH 8,97

Aluminium mg/l 0,0085

Nitrate mg/l 4,5

Ferric mg/l 0,010

Manganese mg/l 0,0009

Arsenic mg/l 0,0013


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CONCEPTOS BSICOS DE HIDROGEOLOGA

Qu es el agua subterrnea?

El agua subterrnea que puede llenar parcialmente ototalmente el espacio entre sus poros.

SUELO

AGUAAIRE


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INGENIERA CIVILHIDROLOGA

4 Acuferos (Hidrogeologa)

Acuferos confinadosAcuferos no confinados

Hidrogeologa


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Hidrogeologa

suelos no consolidados suelos consolidados

Conceptos bsicos


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Conceptos bsicos.

Agua de Constitucin: es aquella que hace parte de la estructura no molecular de laspartculas slidas.

Agua adsorbida: Se refiere a aquellas partculas de agua que las envuelve y seadhiere fuertemente a las partculas slidas.

Agua higroscpica: Es aquella que todava se encuentra en los suelos secos expuesta alaire libre.

Agua capilar: es aquella que en los suelos de grano fino sube por los intersticioscapilares.

Agua libre: es la que se encuentra en una determinada zona del terreno llenandotodos los vacos, su estudio se rige por las leyes de la hidrulica.

Conceptos bsicos


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Conceptos bsicos.

Vt = Vv + Vs = Vaire + Va + VsPt = Ps + Pa

Pa = Va . raPs = Vs . rgGs = rg/ raPs = Vs . Gs . ra

100% xPs

Pah

Humedad

Peso especfico aparente

Vt

Pth

Peso especfico aparenteseco de un suelo seco

Vt

Pss

ndice de vacos

Vs

Vve

Conceptos bsicos


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Conceptos bsicos.

Vt = Vv + Vs = Vaire + Va + VsPt = Ps + Pa

Pa = Va . raPs = Vs . rgGs = rg/ raPs = Vs . Gs . ra

Porosidad

e

e

VsVvVs

en

VvVsVt

VsVt

VsVv

Vt

Vvn

e

en

1/

/

/

1

Conceptos bsicos


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Conceptos bsicos.

GRADO DE SATURACIN DE UN SUELO (s)

Conceptos bsicos


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Conceptos bsicos.

Grado de aireacin

SA

x

Vv

VaVvA

xVv

aireVA

1

100

100

Distincin (Dos conceptos DIFERENTES)

AGUA DEL SUELO AGUA SUBTERRANEA

Zona no saturada ozona de aireacin

Zona saturada

Zona capilar

Zona no saturada

Zona del agua del suelo

Contenido de humedad

Alturadesdelazonasaturada

Conceptos bsicos


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Conceptos bsicos.

Distincin (Dos conceptos DIFERENTES)

AGUA DEL SUELO AGUA SUBTERRANEA

Zona no saturada ozona de aireacin

Zona saturada

En que punto habrmayor presin?

Presin hidrosttica

Presin hidrosttica


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Presin hidrosttica

h= altura de la columna de agua [m] o tambin llamado carga (pressurehead)= densidad del lquido [kg/m3]g= gravedad [9.81 m/s2]

HAY CAMBIO DE

PRESIN PERO

NO HAY

MOVIMIENTO!

Presin en un acufero confinado


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Capa confinada (confined bed)

Acufero confinado(confined aquifer)

Ecuacin?

Considerando un cambio de presin del agua. Ecuacin?

Cul es la conclusin?



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Capa confinada (confined bed)

Acufero confinado(confined aquifer)

El Cambio en genera propiedades en el

almacenamiento del agua

Acuferos confinados y no confinados


79/184


Roca

Cota 0.00



80/184


Roca

Cota 0.00

Acuferos no confinados

Roca

Cota 0.00

Acuferos confinados

Nivel fretico Lnea de presin



81/184


Acufero P. OBS. 1 P. OBS. 2 P. OBS. 3 P. OBS. 4

A --- ---

B ---

C

D

Propiedades de almacenamiento de agua subterranea


82/184


Cambio relativo en el volumende agua [-]

Compresibilidad del agua [LT2/M].4.4*10-10m2 /N

Cambio en la presin hidrosttica[M/L/T2]



83/184


Cambio relativo en el volumende agua [-]

Compresibilidad del medio poroso[LT2/M].

Cambio de presin delmedio poroso [M/L/T2]

Coeficiente de almacenamiento de acuferos confinados


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Coeficiente de almacenamiento de acuferos confinados

Confinamiento superior

Confinamiento inferior

Espesor m

Ej. Presin hidrosttica esreducida en 1 unidad. m3

Ej. rea = 1m2

Vt= A*m


85/184

INGENIERA CIVIL5 Ley de Darcy

LEY DE DARCY


86/184

LEY DE DARCY


87/184

Objetivo?

Medir:

Caudal Velocidad Diferencia de presin Distancia del fluido Seccin transversal

LEY DE DARCY


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Para continuar se debe entender 4 conceptosdiferentes.1. Presin hidrosttica2. Carga de presin (altura)3. Carga hidrulica o carga piezomtrica

4. Cota (carga por elevacin)

p h g

h z g + ?

Elevacin

LEY DE DARCY


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El caudal es: Proporcional a la seccin transversal

Proporcional a la carga hidrulica

Inversamente proporcional a la distancia de recorrido

El flujo de agua subterrnea se mover de regiones con

mayores cargas hidrulicas a regiones con menores cargas

hidrulicas

K= conductividad hidrulica

K= Unidades [L/T]. NO ES VELOCIDAD

Gradiente hidrulica.

Diferencia de cargahidrulica

Distancia

Seccin transversal.



90/184

GravaArena gruesaArena mediaArena finaArena limosa

LimoArcilla

En funcin del

fluido:1. Densidad2. Viscosidad3. Temperatura

YEn funcin delmedio poroso:1. Porosidad

efectiva2. Tamao del

grano



91/184

Permemetro con carga constante Permemetro con carga variable

Conductividad hidrulica y permeabilidad intrnseca


92/184

Permeabilidad

intrnseca [L2]

Densidad [M/L3]

Gravedad [L/T2]

Viscosidad dinmica

Densidad [M/L3]

viscosidad

cinemtica

[L2/T]

Velocidades


93/184

Seccin transversal = ne * A

Velocidad lineal

Velocidad de darcy

Heterogeneidad de acuferos


94/184

Heterogeneidad (por losmenos una propiedad vara

con el espacio)

Homogeneidad (sus

propiedades no varan en elespacio)

Flujo paralelo a sistema de capas


95/184

Capa 3Capa 4

Capa 4

Q

L

h (perdida decarga)

Capa 3Capa 4

Capa 4

Q

h (perdida

de carga)

Entonces existir una conductividad hidrulica efectiva

Flujo paralelo a sistema de capas


96/184

Para ambos posibles flujos se puede obtener conductividadeshidrulicas efectivas

Dependiendo del flujo se podr obtener el promedio aritmtico o

promedio armnico

Paralelo al concepto de conductividad hidrulica se puede obtener laresistencia hidrulica.

Conductividades grandes equivalen a resistencias pequeas

(1/K)

Flujos paralelos a las capas. Conductividad hidrulica efectivaequivale al promedio aritmtico y la resistencia al promedio

armnico.

Flujos perpendiculares a las capas. Conductividad hidrulica

efectiva equivale al promedio armnico y la resistencia al

promedio al promedio aritmtico.

Anisotropa y efectos escala


97/184

Se considera un medio poroso isotrpico si las propiedades sonindependientes de la direccin.

Se considera un medio poroso anistropo si al menos una de sus

propiedades son dependientes de la direccin

El movimiento del agua subterrnea est en funcin de laanisotropa. Sin embargo, en acuferos no consolidados, la

heterogeneidad es posiblemente ms importante.

Isotrpico Anistropo

Q


98/184

Ley de Darcy

En acuferos isotrpicos En acuferos anistropos

El experimento de Darcy est relacionado con un flujo

estacionario 1D. Entonces, la carga hidrulica depende de unacoordenada. Si el flujo estacionario es considerado como 3D,

entonces, h=h(x,y,z).

Los acuferos son usualmente considerados como sistemas 2D

siempre y cuando el flujo vertical sea muypequeocomparado

con el flujo horizontal

Isolneas e Isosuperficies


99/184

Isolneas (isosuperficies) son curvas (superficies) en donde unacantidad fsica asume un valor.

Problemas 2D: isolneas Varias isolneas generan un plano Problemas 3D: isosuperficies

Ejm. Isolneas de carga de

un modelo 2D de flujo de

agua subterranea.

Carga hidrulica en

m.s.n.m.Intervalos 0.1m

Tringulo hidrolgico y aplicacin


100/184

Ac. Heterogneo K=K(x,y,z)

Ac. Homogneo K=cst.

Velocidades de Darcy


101/184

Lneas de flujo y redes de flujo


102/184

Lneas de flujo son curvas tangenciales a la direccin del flujo Por definicin, no existe un componente de flujo perpendicular a las

lneas de flujo.

Las lneas de flujo son perpendiculares a las isolneas de carga

Las Redes de flujo con un conjunto de isolneas y lneas de flujo.

Las redes de flujo son aplicadas usualmente a escenarios de flujo 2D.


103/184

INGENIERA CIVILHIDROLOGA

6. Pozos

Lneas de flujo y redes de flujo


104/184

Roca

Cota 0.00

Q

Carga hidrulica(isolneas de carga)

Lneas de flujo

pozo

Ptoestancamiento

Velocidad cero

Lneas de flujo y redes de flujo (REGLAS)


105/184

Es necesario conocer las condiciones de borde ! Para luego dibujar las

redes de flujoreglas del partido

Carga constante No hay flujo nivel fretico nivel fretico

Condiciones de borde impermeables representan una lnea de flujo

Condiciones de borde con carga constante representan isolneas

Simetras en la geometra y condiciones de borde se traduce en redes simtricas Isolneas y lneas de flujo funcionan solo en zonas saturadas y no cruzan el nivel

fretico

Las isolneas no se intersectan entre si.

Las lneas de flujo no se intersectan entre si.

Las lneas de flujo nunca se cierran. Comienzan en un punto y terminan en otro

Isolneas y lneas de flujo deben formar cuadrados curvilineos


106/184


107/184

Ley de Darcy

En acuferos isotrpicos En acuferos anistropos

En un acufero anistropo existe una direccin con una

conductividad hidrulica mxima y otra con una conductividadhidrulica mnima. Generalmente son perpediculares.

Anlisis matricial


108/184

gradiente

movimiento

gradiente

movimiento

Isotrpico Anistropo

Ejemplos de redes de flujo en acuferos anistropos


109/184

Pozos de agua


110/184

http://www.youtube.com/watch?v=8K6V450StO4

Pozos de agua


111/184

Disminucin del nivel de agua

Nivel de agua

Excavacin

Pozos

Ecuaciones de acuferos confinados y no confinados


112/184

max 2 ( )

15 1

3 0 0 0 ( 1962)

Escuela

P lit i


113/184

Politcnica

Nacional

AGUA POTABLE

Conducciones A flujo libre A presin (Gravedad o por bombeo)

Conducciones a presin


114/184

Estructuras especiales y accesorios


115/184

Tanques rompe cargas Vlvulas reductoras de presin Chimeneas de equilibrio Vlvulas de aire Vlvulas de desage Reducciones

Codos Anclajes

Conservacin de energa. (Bernoulli)


116/184

1. Cintica (movimiento)2. Presin3. Potencial

Prdida de energa

Hazen-WilliamsAllen Hazen y Stewart Williams


117/184

y

S.I. V 0 . 8 4 9 C . .

Donde:

V: velocidad [m/s]

Q: caudal en

/

C: coeficiente de H.W. (revisar tabla)

R: Radio hidrulico (rea de la seccin transversal/permetro mojado)

s: pendiente de la lnea de energa o perdida de carga unitaria o gradiente hidrulico

s=hf [m] / L [m] . Es decir, Atura disponible / longitud de la tubera

D: dimetro interno de la tubera [m]

Utilizando Q = A * V se tiene que obtener

Q 0 . 2 8 C . .

Tipp: una buena

velocidad es 2m/s



118/184

y

C: coeficiente de H.W.

Clase LBS/pulg2 m de agua

100 100 70

150 150 105

200 200 140

250 250 175

Ejemplo clases de tubera. AWWA

EJERCICIO


119/184

Determinar la perdida carga de una tubera

de 1000 con un dimetro interno de 500mm conun caudal de 0.25 metros cbicos por segundo.Material utilizado: acero soldado



120/184

Donde:

: coeficiente en funcin de C y D (ver tablas)

Q: caudal en /n: 1.85 2 en funcin de la tabla

s=hf [m] / L [m] . Es decir, Atura disponible / longitud de la tubera

Nota: el diseo consistir en aprovechar el mximo desnivel (hf) y escoger la tuberaque se ajuste al factor alfa

Ejercicio


121/184

Cotas en msn

325.5

304

257

186.4

317

290.6

Dibujar la lnea de presin esttica?

Punto crtico?

Disponibilidad de carga?

Qu caudal se utilizar para el diseo?

En donde est la carga mxima?

Qu tubera soportar la presin esttica?

34.90

1

139.1A

B C

D

E

F

Ejercicio


122/184

Cotas en msn

325.5

304

257

186.4

317

290.6

Considerando la tubera mas econmica (clase 100). Hasta que cota se podr

utilizar esa tubera?

presin esttica

255.5Clase 100

200 110 255 67 688

220.5Clase 150

185.5Clase 200

Ejercicio


123/184

Cotas en msn

325.5

304

257

186.4

317

290.6

presin esttica

Clase 100

200 110 255 67 688

Clase 150

Clase 200

Clase 100

Clase 100

Clase 100

Ejercicio


124/184

Cotas en msn

325.5

304

257

186.4

317

290.6

presin esttica

Clase 100

200 110 255 67 688

Clase 150

Clase 200

Clase 100

Clase 100

Clase 100

Con la frmula de H.W. que dimetros se deben utilizar?. Asumir un Q= 40 l/s

y un C=100

Ejercicio


125/184

Metodologa

1.- Entender el problema

Se necesita cubrir una demanda de agua potable. Es decir llevar el agua de un

punto hacia otro

A B

Ejercicio


126/184

Metodologa

2.- Hacer una primera aproximacin, es decir, un hacer un clculo grueso para

luego afinar el clculo

A

B

h1

h2

1 + 2 1 1 + 2 2

L1 L2

presin esttica

???

Ejercicio2.- Hacer una primera aproximacin, es decir, un hacer un clculo grueso para


127/184

p p , , g p

luego afinar el clculo. Definir dos tramos!

A

B

h1

h2

1 + 2 1 1 + 2 2

L1 L2

presin esttica

zoom in

L

hs

1



128/184

p p , , g p


A

B

h1

h2

1 + 2 1 1 + 2 2

L1 L2

presin esttica

1+21320Q=A*VCon un 200 mm (ASUMIDO) calculamos velocidad, es decir,

(0.04m3/s)/(pi*0.4^2)= 1.27m/s

Ahora con un 160 (ASUMIDO) velocidad = 2m/s



129/184

p p g p


1 + 2 1 1 + 2 21+21320Q=A*VCon un 200 mm (ASUMIDO) calculamos velocidad, es decir,

(0.04m3/s)/(pi*0.4^2)= 1.27m/s

Ahora con un 160 (ASUMIDO) velocidad = 2m/s

Q 0 . 2 8 C . .

s= 0.014 para D=200mms= 0.041 para D=160mm

1 + 2 1 1 + 2 21 + 2 34.90 0.014 1 + 0.041 2

34.90 0.014 (1320 2) + 0.041 2 2 608.2 1 711.8

)

Ejercicio3.- Afinar el clculo por tramos


130/184

p

Tramo Caudal de Abscisas LongitudDiseo(m3/s) Inicial Final (m)

Dimetros VelocidadPrdidade carga

Nominal(mm) interno(m) (m/s) J (m/m) Tramo (m)

Cotapiezomt.

(msnm) C.terreno PresinInicial Final


131/184

GOLPE DE ARIETE (Budau)


132/184

Cambio rpido del flujo en tuberas

DV

Ag u*Ag

Cuando se cierra la compuerta la VELOCIDAD sigueempujando la compuerta

No es posible obtener un clculo perfecto del golpe de

ariete

GOLPE DE ARIETE


133/184

Se ASUME que: La presin y velocidad estn uniformemente distribuidas

sobre la seccin transversal del tubo.

El nivel de agua en reservorios conectados es constante

Las prdidas no son consideradas

Teora de una columna de agua rpida

==



134/184

F

T

La fuerza se desarrollaren funcin del tiempo

Cuando la compuerta

est cerrada no habr mas

fuerza.

Situacin real

23

3 ( )



135/184

32

( )

Zonas de presin

Conducciones a presin por bombeoPresin


136/184

P. TratamientoEstacin 1 y 2

V 1-2

Estacin 3

V 2-3

Estacin 3

V 3-4

Presinzona 1

Presin mnima

Parte baja 2,0 bar

En cada piso +0,5 barMnima +0,35 bar

p

Presinzona 2

Presinzona 3

zona 4

Conducciones a presin por bombeo

CONCEPTOS


137/184

CONCEPTOS

H

Q

Curva del sistemaH

Q

Curva de la bombaH

H

Q

Q

Conducciones a presin por bombeo

CONCEPTOS


138/184

CONCEPTOS

Q

Curva del sistemaCurva de la bomba

Punto de operacin

Darcy-Weisbach

Q

HH

Factor de friccin


139/184

Turbulento liso

T. transicin

Turbulento rugoso


140/184

Pendiente friccin

Prdidas por friccin

Velocidad

Factor de friccin


141/184

Factor ks (mm) - rugosidad


142/184

Nuevo ViejoMaterial

PVCHormign

Perdidas locales

K localAccesorio

Entrada ortogonal 0.5Entrada redondeada 0.25

Ejercicio


143/184

La demanda de agua potable de una ciudaddebe ser cubierta. Dos bombas idnticasfueron escogidas. El caudal necesario es 1440m/h

Dimetro: 0.60 mCoeficiente de friccin: 0.018Perdidas a la entrada (pozo): 0.5Perdidas a la salida (tanque dealmacenamiento): 1

NPSH Net Positive Suction Heado ANPA (Altura Neta Positiva en la Aspiracin)


144/184

a) Determinar la curva del sistema Ha. La diferencia de la velocidad entre la entrada y la

salida puede ser cero (caso prctico). Determinar la curva del sistema (tres o cuatro

puntos) y dibuje en la hoja entregada.

b) Determine el punto de operacin para una sola bomba y en paralelo. Puede el Caudal

ser entregado con la configuracin del grfico ?

c) Calcular la energa necesaria para la bomba bomba

d) Calcular si el NPSH del sistema es suficiente. Presin de vapor 0.01 bar patm: 1.013

bar)

NPSH

a) Determinar la curva del sistema Ha. La diferencia de la velocidad entre la entrada y la

salida puede ser cero (caso prctico). Determinar la curva del sistema (tres o cuatro

puntos) y dibuje en la hoja entregada.


145/184

b) Determine el punto de operacin para una sola bomba y en paralelo. Puede el Caudal

ser entregado con la configuracin del grfico ?

c) Calcular la energa necesaria para la bomba bomba

d) Calcular si el NPSH del sistema es suficiente. Presin de vapor 0.01 bar patm: 1.013

bar)

: +

+ 1

2

Ejercicio


146/184

1. Dibujar la lnea de energa en el siguiente grfico

2. Calcular la carga hidrulica que debe generar labomba para un Q 87m3/ h3. Despus de varios encendidos y apagados (usted

necesita regular Q en funcin de su necesidad) lavlvula de compuerta se da por cavitacin. Cul esel problema constructivo? Cmo lo arreglara?

1. Dibujar la lnea de energa en el siguiente grfico

2v 2l v


147/184

2

l vd 2g

2v

2g

v

2g

l v

d 2g

?

2. Calcular la carga hidrulica que debe generar la bomba paraun Q 87m3/ h 1 bar = 100,000 kg/(s2*m) o pa


148/184

Presin en el tanque: 3.70 barPrdida por codo : 0.15Prdida por friccin : 0.021Prdida en la entrada : 0.3Prdida en la vlvula de compuerta : ver graf

L total: 400 m: 140mm

+ + + ()

113.4

116.4

mpuerta


149/184

Compuerta abierta compuerta cerrada

# de revoluciones

Coeficiente

deperdidas

-com

Ejercicio Observando la siguiente configuracin. Determinar grficamente el

punto de operacin si solo B1 y B2 estn en operacin punto de


150/184

punto de operacin si solo B1 y B2 estn en operacin, punto deoperacin si B1,B2 y B3 estn en operacin. Determinar el caudal del

segundo caso para cada bomba. Solucin (tener en cuenta la lnea deoperacin)


151/184

Tanques de almacenamiento


152/184

Objetivos de los tanques de almacenamiento


153/184

Compensacin en los picos de consumo

Compensacin entre el pre bombeo y el bombeo principal

Control de presiones en funcin de las zonas de presin

Seguridad para la distribucin

Agua para casos de incendio

Puede funcionar como un reactor

Almacenamiento Tiempo determinadoEnerga

Higiene

Provisin de condiciones higinicas


154/184

Es necesario proteger el agua de la contaminacin

Temperatura - constante

Evitar fotosntesis

Evitar regiones con agua estancada Superficies lisas

Limpieza

Volumen del tanque


155/184

Compensacin

- entre el bombeo y consumo

- basado en variaciones diarias

Seguridad

- depender del tamao del sistema

Bomberos

- depender del tamao del sistema

Valores tpicos del volumen


156/184

Compensacin 50% del consumo diario

Seguridad mas 50% del consumo diario

bomberos

Disminucin reas grandes con varias entradas

Incremento reas pequeas con una entrada

Rule of thumb 0,2 to 0,5 m3/persona

Variacin diaria y estrategias de bombeo

Dimensionamiento


157/184

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

T (h)

Q

h/Q

24(%)

y g

Variacin diaria y estrategias de bombeo (acumulado)

Dimensionamiento


158/184

Variacin diaria y estrategias de bombeo (acumulado)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

T (h)

Bombeoycon

sumo

(%)

Use

0 h - 24 h

20 h - 6 h

6 h - 16 h

Min 100 m3

Incendio


159/184

Podr ser cero?

Dependiendo del rea

0,01 to 0,06 m3/s

100 m3para aproximadamente 0,5 h a 2,5 h

Torres de agua


160/184

Dimetros grandes pocas perdidastorres pequeas

Altura de agua grandedistintas variaciones de presintorres altas

Mximo volumen por celda 200 m3

inlet overflow

Lift

Daily variation

TORRES DE AGUA


161/184

effluent Firefighting

Fire fighting

LiftStaircase

EffluentEmptying

Fire fightingInlet

CablesOverflow

TORRES DE AGUA

Conceptos adicionales


162/184

Hidrograma

T

Q

Descarga no controlada

Caudal entra al reservorio



163/184

Hidrograma

T

Q


Caudal sale del reservorio



164/184

Hidrograma

T

Q


Caudal sale del reservorioCaudal entra al reservorio



165/184

Hidrograma

T

Q

Volumen del reservorio




166/184

Hidrograma

T

Q

Descarga con caudal de salida constante

Caudal sale del reservorioCaudal entra al reservorio

Volumen del reservorio

Ejercicio

Determinar el volumen de un tanque elevado con dos


167/184

Determinar el volumen de un tanque elevado con dosestrategias de llenado.

1. Llenado durante todo el da2. Llenado desde las 22 horas hasta las 6 horas

Considerar un 6 % de seguridad

tiempo h Qd % Qd acum %

1 2 2

2 1.5 3.5

3 1 4.5

4 0 5 5

Porcentaje de Q diario.

%


168/184

4 0.5 5

5 0.5 5.5

6 1.5 77 2.5 9.5

8 3 12.5

9 3.5 16

10 4 20

11 5 25

12 7 3213 9.5 41.5

14 10 51.5

15 8.5 60

16 5 65

17 3.5 68.5

18 3 71.519 5 76.5

20 8 84.5

21 6 90.5

22 4 94.5

23 3 97.5

24 2.5 100

Tiempo

Reservorios


169/184

http://www.youtube.com/watch?v=BQFcr3Dtmbw

http://www youtube com/watch?v=Rg5b4Crga7U

Reservorios

D fi i i


170/184

Definiciones:

Clasificacin de almacenamientoCurva de volumen de almacenamientoEficiencia del reservorioGrado de desarrolloEcuacin de almacenamientoGrado de desarrollo del reservorioAlgoritmo de picos secuenciales

Definiciones:

Curva rea altura


171/184

Curva rea altura

Curva Almacenamiento altura de agua

Definiciones:

Balance de agua en un reservorio


172/184

Balance de agua en un reservorio

Entradas

Caudal Precipitacin

Entrada de agua subterrnea lateral

Salidas

Caudal Evaporacin Infiltracin

Definiciones:

Ecuacin de almacenamientoSi+1 = Si + Ii Oi


173/184

Ecuacin de almacenamiento

Entrada

Salida

Almacenamiento

Definiciones:

Eficiencia del reservorio


174/184

Eficiencia del reservorio

Sumatoria de valoresesperados de salida________________Sumatoria de valoresesperados de

entrada= 1 ecualizacin totalGrado de desarrollo del reservorio

Capacidad

Valor esperado de entrada

=0.5 el reservorio puede almacenar el 50% del caudal anual Incremento de cambio en el rgimen

Algoritmo de picos secuenciales

Balance de masas para determinar la capacidad del


175/184

Balance de masas para determinar la capacidad del

reservorio Basado en la ecuacin de almacenamiento Curva diferencial caudal de entrada menos el caudal de

salida en un periodo de tiempo

Curva diferencial curva diferencial acumulada (incluyepicos y valles) La capacidad necesaria puede ser determinada de la

curva diferencial de masa

K necesario = pico (max y min) de la curva diferencial

Curva diferencial de masas

C d l d d d l d lid l l l d


176/184

Caudal de entrada menos caudal de salida + el valor acumulado

K1

K2

K3

EjercicioDimensionar el reservorio para una ecualizacin total. Elcaudal de salida es constante. Utilizando los siguientes datos.Cmo se debera manejar el reservorio hectmetro cbico = 1 000 000 m3


177/184

Cmo se debera manejar el reservorio

Mes Q entrada

1 4

2 5

3 5

4 45 1

6 5

7 2

8 7

9 8

10 1

11 1

12 4

hectmetro cbico = 1.000.000 m3

Mes Q entrada

13 2

14 3

15 10

16 817 5

18 3

19 2

20 4

21 2

22 1

23 1

24 2

redes


178/184

Ejercicio Q=25l/s

Tanque


179/184

4000m

500m

300m

600m

400m

400mA 103m

C 101m

B 102m

D 100m

F 100m

E 100m

400P

300P200P

200P

300P

800P

200P

Q=35l/s

Tanque

Datos

V: 0.5 a 2 m/s

Presin mnimas: 2 bar

tramolongitud habitantes

consumo consumo consumo caudalen tubera adicional total en tubera

m p l/s l/s l/s l/s


180/184

p / / / /

seccin ki [mm] [mm] V [m/s] J [m/km]

Seccin

prdida

[m]

Presin necesaria en

punto final [m]

Lnea de presinhidrulica comienzo

finalComienzo final

Hardy Cross

Caudal de

J2=(AD+DC)QJ1 AB + BC Q


181/184

1885 - 1959

entrada Qe

Caudal desalida Qs

A B

D C

Q1

Q2

El caudal en cada nodo debe ser cero.Convencin de signos. Positivo para las prdidas de carga resultantes de los gastosque circulan en el sentido de las agujas del reloj y signo negativo para el casocontrario.El mtodo se basa en aproximaciones sucesivas hasta balancear la red a partir deflujos originalmente asumidos

Ejercicio10 l/s 40 l/s


182/184

100 l/s

10 l/s30 l/s10 l/s

1 2 5

4 3 6

Bucle 1 Bucle 2

200 m

200 m 200 m

200 m

100m

100m

Dimensionar y hacer el clculo de la red de tubera utilizando el mtodo de

Cross. Coeficiente de friccin K=1 Calcular el caudal en cada tubera Calcula las perdidas en cada tubera

Ejercicio10 l/s 40 l/s

50 l/s 25 l/s


183/184

100 l/s

10 l/s30 l/s10 l/s

1 2 5

4 3 6

Bucle 1 Bucle 2

200 m

200 m 200 m

200 m

100m

100m

50 l/s

50 l/s

40 l/s

15 l/s

25 l/s

25 l/s

15 l/s

Nodo (2) Conexin(3)

Longitud[m] (4)

Dimetro[mm] (5)

Caudal[l/s] encada nudo(6)


184/184

(6)

Caudal[l/s] (7)

Velocidad[m/s] (8)

Perdida[m/km](9)

Perdidasen tubo[m] (10) =(4*9) denomograma

Perdida /Caudal(11) =(10/7)

Q (12) Q1 (13) =7+12

Q1 (14) (15)

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Agua Potable 3