Analisis Alternativas Diseño Sistema Abastecimiento Rural Chile

7/25/2019 Analisis Alternativas Diseo Sistema Abastecimiento Rural Chile

1/201

Universidad Austral de ChileFacultad de Ciencias de la Ingeniera

Escuela de Ingeniera Civil en Obras Civiles

ANLISIS DE ALTERNATIVAS Y DISEO SISTEMA DEABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE RURALMALLOCO LOLENCO, COMUNA DE VILLARRICA,

IX REGIN DE LA ARAUCANA

Tesis para optar al Ttulo de:Ingeniero ivil en Obras iviles

Profesor Patrocinante:

Sr. Luis Collarte ConchaIngeniero Civil. M.Sc. en Ingeniera Civil.

Especialidad Hidrulica Mecnica de Suelos


2/201

ndice general

ndice general

Resumen

Abstract

Captulo I: Introduccin ................................................................................................. 1

1.1 Planteamiento del problema ............................................................................. 1

1.2 Objetivos ............................................................................................................ 3

1.2.1 Objetivo general .................................................................................................................. 3

1.2.2 Objetivos especficos .......................................................................................................... 3

Captulo II: Descripcin sistemas de agua potable rural. ........................................... 4

2.1 Descripcin del sector .................................................................................................... 4

2.1.1 Agua potable urbana ........................................................................................................... 4

2.1.2 Agua potable rural ...................... ......................... ......................... ...................... ................ 5

2.2 Definicin de un sistema de agua potable. .................................................................... 5

2.2.1 Subsistema de captacin y tratamiento de agua potable. ................................. ................... 6

2.2.2 Subsistema de distribucin de agua potable. ......................... ........................ ...................... 6

2.2.3 Subsistema intradomiciliario. ............................................................................................... 6

Captulo III: Marco terico. .......................................................................................... 10

3.1 Sistemas de bombeo de agua ....................................................................................... 10

3.1.1 Sistemas de bombeo tradicionales .................................................................................... 10

3.1.1.1 Funcionamiento de sistemas de bombeo tradicionales ...................... ................. 10

3.1.1.2 Dimensionamiento de sistemas de bombeo tradicionales ........................ ........... 11

3.1.2 Sistemas de bombeo con estanques hidroneumticos ...................................................... 15

3.1.2.1 Funcionamiento de sistemas de bombeo con estanques hidroneumticos ......... 15


3/201

ndice general

3.3 Proyeccin de la poblacin........................................................................................... 27

3.3.1 Crecimiento Aritmtico. ..................................................................................................... 27

3.3.2 Crecimiento Geomtrico.................................................................................................... 27

3.3.3 Crecimiento Vegetativo...................................................................................... 28

3.3.4 Crecimiento exponencial ................................................................................................... 28

3.4 Proyeccin de la Demanda ........................................................................................... 28

3.5 Anlisis Hidrulicos de las Redes ................................................................................ 29

Captulo IV: Descripcin de la localidad .................................................................... 31

4.1 Descripcin general ...................................................................................................... 31

4.2 Caracterizacin topogrfica .......................................................................................... 33

4.3 Descripcin del sondaje existente ............................................................................... 33

Captulo V: Estudio de poblacin y consumo ........................................................... 38

Captulo VI: Identificacin y planteamiento de alternativas ..................................... 43

6.1 Actividades de terreno .................................................................................................. 44

6.2 Definicin de trazado y emplazamientos de obras ..................................................... 45

6.3 Planteamiento de alternativas ...................................................................................... 45

6.3.1 Descripcin alternativa 1 ................................................................................................... 47




Captulo VII: Dimensionamiento de alternativas ....................................................... 60

7.1 Consideraciones de Diseo .......................................................................................... 60

7.1.1 Presiones de Servicio ....................................................................................................... 60

7.1.1.1 Presin de Servicio Mnima................................................................................ 60


4/201

ndice general

7.2.1 Sondaje ............................................................................................................................ 63

7.2.2 Lnea de Impulsin ............................................................................................................ 63

7.2.2.1 Determinacin dimetro optimo econmico ....................... ......................... ........ 64

7.2.2.2 Determinacin altura de elevacin sistema de bombeo ..................... ................. 64

7.2.2.3 Anlisis del golpe de ariete ................................................................................ 67

7.2.3 Planta de agua potable ..................................................................................................... 687.2.3.1 Sistema de tratamiento ...................................................................................... 68

7.2.3.2 Estanque ........................................................................................................... 69

7.2.4 Red de distribucin ........................................................................................................... 70

7.2.5 Planta elevadora ............................................................................................................... 72

7.2.6 Instalaciones elctricas ..................................................................................................... 73

7.2.6.1 Cargas a conectar planta de agua potable ..................... ......................... ........... 73

7.2.6.2 Cargas a conectar recinto de sondaje ...................... ......................... ................. 73

7.3 Dimensionamiento Alternativa 2................................................................................... 74

7.3.1 Sondaje ............................................................................................................................ 74

7.3.2 Lnea de Impulsin ............................................................................................................ 74


7.3.2.2 Anlisis del golpe de ariete ................................................................................ 787.3.3 Planta de agua potable ..................................................................................................... 79

7.3.3.1 Sistema de tratamiento ...................................................................................... 79

7.3.3.2 Estanque ........................................................................................................... 79

7.3.4 Red de distribucin ........................................................................................................... 80

7.3.5 Planta elevadora ............................................................................................................... 82





7.4.1 Sondaje ............................................................................................................................ 84


5/201

ndice general





7.5.1 Sondaje ............................................................................................................................ 98

7.5.2 Lnea de Impulsin ............................................................................................................ 98


7.5.2.2 Anlisis del golpe de ariete .............................................................................. 102

7.5.3 Planta de agua potable ................................................................................................... 103

7.5.3.1 Sistema de tratamiento .................................................................................... 103

7.5.3.2 Estanque ......................................................................................................... 103

7.5.4 Red de distribucin ......................................................................................................... 104

7.5.5 Instalaciones elctricas ................................................................................................... 106

7.5.5.1 Cargas a Conectar Planta de Agua Potable ........................ ....................... ...... 106

7.5.5.2 Cargas a Conectar Recinto de Sondaje ........................................................... 106

Captulo VIII: Evaluacin econmica de alternativas .............................................. 108

8.1 Consideraciones generales ........................................................................................ 108

8.2 Costos de inversin inicial.......................................................................................... 108

8.3 Costos de operacin y mantencin ............................................................................ 109

8.3.1 Mano de obra .................................................................................................................. 110

8.3.2 Consumo elctrico .......................................................................................................... 110

8.3.2.1 Consumo elctrico bomba de pozo ........................ ........................ .................. 111

8.3.2.2 Consumo elctrico sistema de bombeo con estanques hidroneumticos .......... 111

8.3.2.3 Consumo elctrico sistemas de bombeo con variador de frecuencia ................ 112

8.3.3.4 Consumo elctrico alumbrado interior y exterior ........................ ....................... 113

8.3.3 Insumos qumicos (desinfeccin) .................................................................................... 114

8 3 4 Reposicin de equipos 114


6/201

ndice de figuras

ndice de tablas

Tabla 3.1: Tiempo entre partidas segn la potencia de la bomba......................................................... 18

Tabla 4.1: Antecedentes de Poblacin Localidad Malloco Lolenco....................................................... 32

Tabla 4.2: Caracterizacin topogrfica localidad Malloco Lolenco........................................................ 33

Tabla 4.3: Estratigrafa Sondaje Malloco Lolenco................................................................................. 34

Tabla 4.4: Habilitacin Sondaje Malloco Lolenco........................ ......................... ......................... ........ 34

Tabla 4.5: Prueba de Gasto Variable. .................................................................................................. 36

Tabla 5.1: Proyeccin poblacin Malloco Lolenco................................................................................ 39

Tabla 5.2: Proyeccin de caudales. ..................................................................................................... 41

Tabla 5.3: Proyeccin Caudales de Bombeo........................................................................................ 42

Tabla 7.1: Datos clculo dimetro econmico lnea de impulsin alternativa N1. ................................ 64

Tabla 7.2: Datos prdidas de cargas friccionales impulsin alternativa N1. ....................... ................. 65

Tabla 7.3: Prdidas de cargas singulares impulsin alternativa N1. ................................................... 65

Tabla 7.4: Datos de la bomba seleccionada alternativa N1. ............................................................... 65

Tabla 7.5: Cuadro prdidas de carga y altura de elevacin alternativa N1. ..................... .................... 66

Tabla 7.6: Resultados anlisis golpe de ariete alternativa N1...................... ......................... .............. 67

Tabla 7.7: Clculo contrapresin bomba dosificadora alternativa N1. ........................ ...................... ... 69Tabla 7.8: Dimetros y longitudes red de distribucin alternativa N1. ........................ ...................... ... 70

Tabla 7.9: Datos prdidas de cargas friccionales impulsin alternativa N2. ....................... ................. 75

Tabla 7.10: Prdidas de cargas singulares impulsin alternativa N2. ................................................. 76

Tabla 7.11: Datos de la bomba seleccionada alternativa N2. ............................................................. 76

Tabla 7.12: Cuadro prdidas de carga y altura de elevacin alternativa N2. ......................... .............. 77

Tabla 7.13: Resultados anlisis golpe de ariete alternativa N2.......................... ......................... ........ 78

Tabla 7.14: Clculo contrapresin bomba dosificadora Alternativa N2. ............................. ................. 79

Tabla 7.15: Datos prdidas de cargas friccionales impulsin alternativa N3. ........................ .............. 85

Tabla 7.16: Prdidas de cargas singulares impulsin alternativa N3. ..................... ......... ................... 86

Tabla 7.17: Datos de la bomba seleccionada alternativa N3. ............................................................. 86


7/201

ndice de figuras

Tabla 7.26: Cuadro prdidas de carga y altura de elevacin alternativa N4. ......................... ............ 101

Tabla 7.27: Resultados anlisis golpe de ariete alternativa N4.......................... ......................... ...... 102

Tabla 7.28: Clculo contrapresin bomba dosificadora alternativa N4. ......................... .................... 103

Tabla 7.29: "Resumen dimensionamiento de alternativas"....................... ......................... .................... 107

Tabla 8.1: Resumen de inversiones iniciales por alternativa....................... ......................... ............... 109

Tabla 8.2: Valores Unitarios Consumo elctrico................................................................................. 111Tabla 8.3: "Datos de potencia bomba seleccionada" ............................................................................ 112

Tabla 8.4: Nmero de horas segn % de consumo mximo horario................................................... 112

Tabla 8.6: Resumen evaluacin econmica por alternativa. ..................... ........................ .................. 115

Tabla 9.1: Resumen anlisis de tarifa por alternativa. ........................................................................ 118

ndice de figuras

Figura 2.1: Impulsin desde fuente subterrnea a estanque elevado..................................................... 7Figura 2.2: Impulsin desde fuente subterrnea a estanque semienterrado........................................... 8Figura 2.3: Conduccin desde fuente superficial a estanque elevado.......................... ...................... ..... 8Figura 2.4: Conduccin desde fuente superficial a estanque semienterrado........................ ................... 8Figura 2.5: Impulsin desde fuente superficial a estanque elevado........................................................ 9Figura 2.6: Impulsin desde fuente superficial estanque semienterrado................................................. 9Figura 3.1: Esquema sistema de bombeo con estanques hidroneumticos.......................................... 16Figura 3.2: Diagrama de control para un equipo de elevacin de agua con variador de frecuencia....... 19Figura 3.3: Variacin de la curva de la bomba para pasar de Qmax a Q1............................................ 19Figura 3.4: Perfil de 24 horas figura izquierda, Perfil de carga figura derecha......................... .............. 21 Figura 3.5: Pautas de consumo para distintas aplicaciones........................ ......................... ................. 21Figura 3.6: Curva de rendimiento de la bomba..................................................................................... 22Figura 3.7: Curva NPSH. ..................................................................................................................... 22

Figura 3.8: Sistema con y sin bomba de reserva figura izquierda y derecha respectivamente............... 23Figura 4.1: rea de intervencin del proyecto. ..................................................................................... 31Figura 4.2: Habilitacin Sondaje Malloco Lolenco. ............................................................................... 35Figura 4.3: Esquema Niveles Dinmicos sondaje Malloco Lolenco...................... ......................... ........ 36Figura 4.4: Curva de Aforo sondaje Malloco Lolenco.................... ......................... ......................... ...... 37Figura 5.1: Proyeccin Poblacin Malloco Lolenco. .............................................................................. 40


8/201

ndice de figuras

Figura 7.1: Curva del sistema vs curva de la bomba alternativa N1. .................... ......................... ...... 66Figura 7.2: Anlisis hidrulico alternativa N1 con consumo m ximo horario......................... .............. 70Figura 7.3: Anlisis hidrulico alternativa N1 con consumo m nimo..................... ......................... ...... 71Figura 7.4: Curva del sistema vs curva de la bomba alternativa N2. .................... ......................... ...... 77Figura 7.5: Anlisis hidrulico alternativa N2 con consumo m ximo horario......................... .............. 80Figura 7.6: Anlisis hidrulico alternativa N2 con consumo m nimo..................... ......................... ...... 81Figura 7.7: Curva del sistema vs curva de la bomba alternativa N3. .................... ......................... ...... 87

Figura 7.8: Anlisis hidrulico alternativa N3 con consumo m ximo horario......................... .............. 90Figura 7.9: Anlisis hidrulico alternativa N3 para determin ar altura de bombeo................................ 92Figura 7.10: Curva equipo Hydro Solo-E CRE 3-10.............................................................................. 93Figura 7.11: Anlisis hidrulico alternativa N3 con consumo m ximo y bomba seleccionada............. 95Figura 7.12: Anlisis hidrulico alternativa N3 con consumo m nimo......................... ...................... ... 96Figura 7.13: Curva del sistema vs curva de la bomba alternativa N4. ........................ ...................... . 101Figura 7.14: Anlisis hidrulico alternativa N4 con consumo m ximo horario................................... 104Figura 7.15: Anlisis hidrulico alternativa N4 con consumo m nimo......................... ...................... . 105


9/201

Resumen

Resumen

El presente estudio ha consistido en realizar un anlisis tanto del punto de vista tcnico como del

punto de vista econmico de cuatro alternativas distintas en su anatoma pero conceptualmente similares,

para dotar con servicio de agua potable a la localidad de Malloco Lolenco.

Esta localidad, es un sector rural que se encuentra situado en la comuna de Villarrica a unos ocho

kilmetros al oriente de la ciudad. En este sector hay un total de 93 familias que no cuentan con agua

potable.

En cuanto a los servicios bsicos, la localidad cuenta con electricidad domiciliaria proporcionada por

la empresa CGE Distribucin, pero no poseen alumbrado pblico. En el sector existe suministro

monofsico y bifsico en media y baja tensin.

Por otra parte existe un sondaje que se encuentra habilitado para su explotacin, el cual tiene una

profundidad de 60 metros y un caudal de prueba (Prueba de gasto constante) de 14 [Lt/s]. En el captulo

5 se ha visto que el caudal de bombeo que requiere la poblacin es de 2,3 [Lt/s], por lo que no hay

problemas con la fuente de abastecimiento.

Conceptualmente las cuatro alternativas estn conformadas por: fuente de abastecimiento, lnea de

impulsin, sistema de tratamiento, estanque de regulacin, planta relevadora y redes de distribucin.

Cada una tiene sus variaciones en los aspectos mencionados. En los captulos 6 y 7 respectivamente se

describe y dimensiona cada alternativa.

En el captulo 8 se realiza la comparacin econmica de las cuatro alternativas considerando una

evaluacin en base a costos, la cual consiste en comparar a valor presente todos los costos de cada

alternativa. Los costos se han separado en dos: Costes de inversin y Costes de operacin y

mantencin. Y los ndices que se han utilizado para poder tomar una decisin con respecto a que

alternativa es ms conveniente son: Valor actual de costo (VAC) y Costo anual equivalente (CAE).

De los resultados finales se ha visto que la alternativa que presenta la menor inversin inicial es la


10/201

Abstract

Abstract

This study involved an analysis of both the technical perspective and the economic perspective of four

different alternatives in their anatomy but conceptually similar, to provide potable water service to the

locality of Malloco Lolenco.

This locality is a rural area that is located in the commune of Villarrica about eight kilometers east of

the city. In this area there are a total of 93 families who do not have drinking water.

In terms of basic services, the locality has electricity provided by the company home CGE Distribution,

but do not have street lights. In the area there monophasic and biphasic supply medium and low voltage.

On the other hand there is a probing that is enabled for operation, which has a depth of 60 meters anda flow test (constant flow test) of 14 [Lt/s]. In Chapter 5 we have seen that the pumping rate required by

the population is 2,3 [Lt/s], so no problems with the power supply.

Conceptually the four alternatives are comprised of: power supply, drive line, treatment system,

regulating pond, plant relay and distribution networks. Each has its own variations on these aspects. In

chapters 6 and 7 respectively is described and dimensioned each alternative.

In chapter 8 economic comparison is made of the four alternatives considering a cost-based

evaluation, which involves comparing the present value all the costs of each alternative. Costs have been

split into two: Investment costs and Operation and maintenance costs. And the indexes that have been

used to make an informed decision regarding which alternative is most convenient are: Present value of

cost (VAC) and equivalent annual cost (CAE).

In the final results, it is seen that the alternative with the minimum initial investment is alternative 2 inthe amount of $ 203.513.636, while the alternative with the highest amount of investment is alternative 4

with a value of $ 242.644.970. With respect to the operation and maintenance costs the alternative that

has the lowest amount is Alternative 2 with a value of $ 116.830.507 and the alternative with the highest

amount is Alternative 4 with a value of $ 140 717 005


11/201

Captulo I: Planteamiento del problema

Captulo I: Introduccin

1.1 Planteamiento del problema

Segn el censo del 2002, en el sector rural de Chile vivan aproximadamente 2 millones de personas

que equivalen a ms de 600.000 familias, marginadas en muchos aspectos de los servicios que el Estado

y el sector privado prestan al rea urbana. Un ejemplo de esto es la falta del servicio de agua potable en

muchos sectores rurales, lo que se produce fundamentalmente por la dispersin de estas localidades.

Frente a esta realidad, desde 1964 el Estado ha venido construyendo sistemas de abastecimiento

de agua potable rural, con el fin de resolver favorablemente el tema de la salubridad rural.

El origen de ste proyecto nace por la necesidad de dotar con servicio de agua potable a la localidad

rural de Malloco Lolenco, ubicada en la comuna de Villarrica, IX Regin de la Araucana. Esto con el fin

de mejorar las condiciones de vida para los habitantes del sector.

Se ha observado que en los sistemas de abastecimiento de agua potable rural de Chile, los

estanques elevados cuya materialidad puede ser metlica o de hormign armado y que proporcionan

agua potable de manera gravitacional a toda una poblacin han sido una solucin estndar y de bajo

costo que ha logrado mantenerse vigente hasta el da de hoy. sta solucin tipo, en su momento fue fcil

y rpida de implementar ya que para las condiciones de la poca no se requeran demasiadas exigencias

por parte de los beneficiarios y adems no se le daba tanto nfasis a este sector.

Con el tiempo las condiciones en el mbito rural han ido cambiando y la gente quiere tener la misma

calidad de vida y comodidad que se presenta en el rea urbana, donde cada vez es ms comn

encontrar artefactos que contribuyan a esto, como lavadoras, calefones o lavaplatos. Para que estos


12/201


Cualquier solucin por econmica que sea, debe considerar en su estructuracin los elementos que

sean necesarios para cumplir con la continuidad del abastecimiento y la calidad del agua producida.

Desde el punto de vista econmico, se sabe que en los proyectos donde se opta por la solucin

tradicional de estanques elevados, la inversin inicial es donde se concentra la mayor cantidad de

recursos, siendo los gastos de operacin y mantencin menores en relacin a los primeros costos.

Sin embargo una solucin que ha presentado buenos resultados segn Inostroza (2011) y que se

viene utilizando hace un par de aos en aplicaciones al sector urbano, se propone evaluar como solucin

alternativa en el diseo del sistema de agua potable del sector mencionado. Esta opcin consiste en

distribuir el agua por medio de un sistema de bombeo de agua con variadores de frecuencia.

El propsito de este proyecto es realizar el estudio de alternativas y el diseo a nivel de ingeniera de

detalle del sistema de abastecimiento de agua potable para la localidad rural de Malloco Lolenco, ubicada

en la comuna de Villarrica, IX Regin de la Araucana. Para esto, se considera evaluar tcnica y

econmicamente distintas alternativas de solucin. Para obtener conclusiones respecto de que

alternativa es ms conveniente, se har una evaluacin de costos. Adicionalmente se considerar el

aspecto cualitativo de las alternativas dado que no se puede perder de vista que los sistemas deben ser

operados por un comit de agua potable rural conformado por personas del sector.


13/201


1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo general

Analizar, determinar y disear la alternativa de abastecimiento de agua potable ms eficiente entre cuatro

opciones distintas mediante una comparacin de los aspectos tcnicos y econmicos para dotar con

servicio a la localidad de Malloco Lolenco, Comuna de Villarrica, IX Regin de la Araucana.

1.2.2 Objetivos especficos

Desarrollar una etapa de perfil mediante trabajos de terreno con el fin de identificar todos los

parmetros existentes que definirn el tipo de solucin a abordar.

Realizar tanto cualitativa como cuantitativamente identificando ventajas y desventajas un anlisis

de alternativas tcnicas de solucin para contribuir a la eleccin de la mejor alternativa.

Desarrollar el diseo a nivel de ingeniera de detalle para las soluciones escogidas.

Identificar las obras necesarias y los costes ms importantes en base a la valoracin de los tems

de cada alternativa para conocer su sensibilidad econmica.

Estimar y proponer la tarifa promedio mnima de agua potable para la alternativa de solucin ms

eficiente desde el punto de vista tcnico y econmico a travs de un estudio tarifario con el fin de

t l i d l i t d b t i i t


14/201

Captulo II: Descripcin sistemas de agua potable rural

Captulo II: Descripcin sistemas de agua potable

rural.

2.1 Descripcin del sector

Los sistemas de abastecimiento de agua potable se distinguen entre urbanos y rurales. Mientras en

el sector urbano la responsabilidad del servicio recae en las empresas sanitarias, en el sector rural la

responsabilidad recae en el Ministerio de Obras Pblicas (MOP). Aproximadamente el 87% de la

poblacin habita en el sector urbano y el 13% restante en el sector rural (Censo, 2002).

2.1.1 Agua potable urbana

Las empresas sanitarias, concesionarias del servicio de agua potable y de la recoleccin y

disposicin de aguas servidas en el sector urbano, son fiscalizadas y controladas por la Superintendencia

de Servicios Sanitarios (SISS), que es el organismo encargado de establecer normas, otorgar las

concesiones, aprobar los planes de desarrollo de las empresas sanitarias y fijar las tarifas del sector. Lasempresas deben dar cumplimiento a sus planes de desarrollo y tienen la obligatoriedad de dar servicio en

su rea de concesin y sus tarifas se fijan con criterio de costo marginal de largo plazo. La cobertura de

agua potable en el sector urbano es de 99.8%(SISS, 2013). El marco legal del sector sanitario est

principalmente constituido por los siguientes cuerpos legales:


15/201


2.1.2 Agua potable rural

Respecto al sector rural, en general se conoce como localidad rural una unidad poblacional cuyos

habitantes tienen como actividad predominante la realizacin de labores de carcter agrcola, extractivas,

pecuarias o pequeas industrias rudimentarias. En general, la poblacin rural dispone de escasos medios

econmicos y generalmente la familia es la unidad de produccin y consumo a la vez. Presenta unamarcada dependencia de los centros urbanos ms cercanos en relacin a lo laboral, administrativo,

educacional y asistencial.

En Chile, el 68% de la poblacin rural reside en localidades rurales concentradas, es decir, alrededor

de 1,35 millones de habitantes. El programa de agua potable rural y en adelante APR, destinado a dotar

del servicio de agua potable a las localidades concentradas, se inici en 1964, teniendo actualmentecomo organismo responsable al departamento de programas sanitarios del MOP. A los servicios de APR

se les aplica parcialmente la siguiente normativa:

DFL N 382, de 1988 del MOP

Ley que crea la Superintendencia de servicios sanitarios (Ley 18.902)

Ley de subsidio al pago de consumo de agua potable y servicio de alcantarillado (Ley N 18.778)

La administracin y operacin de los sistemas de APR est a cargo en la mayora de los casos de

sistemas de administracin comunitaria, denominados comits de APR. Un componente clave en la

estructura organizacional del programa de APR es la unidad tcnica, que acta a nivel regional y que

bsicamente corresponde a la empresa sanitaria de la regin y en algunas regiones a la Direccin de

Obras Hidrulicas (DOH). Estos organismos tcnicos son contratados para prestar asesora tcnica, y

como tales, son responsables de la ejecucin del proyecto desde su fase de pre inversin hasta la

recepcin de la obra y de asistir tcnicamente al comit de APR durante la operacin del proyecto

ejecutado.


16/201


2.2.1 Subsistema de captacin y tratamiento de agua potable.

Corresponde al sistema de produccin y consiste en captar agua cruda desde las fuentes de la

naturaleza, sean stas superficiales o subterrneas y conducirla mediante gravedad o impulsin hacia la

planta de tratamiento, o directamente al sistema de distribucin (estanques de distribucin) cuando el

agua cruda no requiere tratamiento y slo cloracin. En la planta de tratamiento se realiza el proceso depotabilizacin del agua cruda mediante procesos mecnicos y qumicos, entregando como producto de

salida, agua potable.

2.2.2 Subsistema de distribucin de agua potable.

Consiste en portear el agua potable desde la planta de tratamiento o estanques de distribucin, por

medio de conducciones, y entregarla en la entrada de la casa o industria del usuario, (antes del medidor)

mediante una red de tuberas. Este sistema comprende conducciones, red de tuberas de distinto

dimetro, estanques y plantas de elevacin, en caso de ser requerida su impulsin.

2.2.3 Subsistema intradomiciliario.

Son obras destinadas a conducir el agua potable desde la entrada de la casa o industria hasta los

artefactos sanitarios ubicados en su interior. Se compone del arranque y medidor ms todas las

instalaciones interiores. Estas inversiones normalmente son pagadas por el usuario directamente a la

compaa de agua potable y no a travs de la tarifa.

En la tarifa, los elementos que componen un sistema de agua potable son los siguientes:

Captaciones (subterrneas o superficiales)

Plantas elevadoras


17/201


En general un sistema de agua potable rural se puede definir conceptualmente mediante 6

alternativas de solucin, que dan cuenta de los aspectos ms importantes que controlan el diseo y que

se independizan del tamao de la solucin, de manera de poder realizar ajustes de tamaos de esta, sin

variar sustancialmente su concepcin bsica.

Se debe considerar que la solucin a adoptar, depender en definitiva de las condiciones particularesque presenta en cada caso el entorno de la poblacin a beneficiar. Al respecto, existen variantes que se

debern considerar al aplicar cualquiera de las soluciones que se muestran a continuacin. Estos

aspectos tienen relacin principalmente con la calidad de agua y los tratamientos especficos que se

deben considerar en cada caso.

En la caracterizacin de cada solucin se consideran principalmente los tres siguientes aspectos:

Tipo de fuente.

Tipo de estanque de regulacin.

Topografa relativa de las componentes unitarias.

Figura 2.1: Impulsin desde fuente subterrnea a estanque elevado.


18/201


Figura 2.2: Impulsin desde fuente subterrnea a estanque semienterrado.

Fuente: Subdere 2009.

Figura 2.3: Conduccin desde fuente superficial a estanque elevado.


Figura 2.4: Conduccin desde fuente superficial a estanque semienterrado.


19/201


Figura 2.5: Impulsin desde fuente superficial a estanque elevado.


Figura 2.6: Impulsin desde fuente superficial estanque semienterrado.



20/201

Captulo III: Marco terico.

Captulo III:Marco terico.

El marco terico que se presenta a continuacin, est basado en la metodologa descrita y definida en

todos los instructivos, normas, parmetros y criterios para el diseo de proyectos de agua potable descritos

tanto por el MOP, Instructivos Mideplan Serplac IX Regin (2006), Instituto Nacional de Normalizacin (1998),

Superintendencia de Servicios Sanitarios (2003) y tesis que tienen directa relacin con el tema. Para el

marco terico se ha considerado lo siguiente:

3.1 Sistemas de bombeo de agua

3.1.1 Sistemas de bombeo tradicionales

3.1.1.1 Funcionamiento de sistemas de bombeo tradicionales

Estos sistemas son usados para bombear agua tanto de una captacin superficial como de una

captacin subterrnea hacia un estanque de acumulacin que puede ser elevado o semienterrado segn

las figuras 2.1, 2.2, 2.5 y 2.6. Est conformado por bombas hidrulicas, especficamente por bombas

sumergibles.

En general en cualquier sistema de bombeo, existen dos variables que son de suma importancia para


21/201


3.1.1.2 Dimensionamiento de sistemas de bombeo tradicionales

Para dimensionar un sistema de bombeo tradicional, es necesario conocer las dos variables que

condicionan este diseo. Para conocer el caudal que se tiene que bombear, se considera la siguiente

ecuacin:

b med

24Q = *F.D.M.C.*Q

N Ec. 3.1

Dnde:

Qb : Caudal de bombeo [Lt/s].

N : Nmero de horas de bombeo [horas].

Qmed : Caudal medio diario [Lt/s].

F.D.M.C. : Factor del da de mximo consumo

La altura total del sistema se conoce como altura manomtrica y se compone por la altura esttica

ms la altura dinmica. La altura esttica es la suma de la altura geomtrica ms la carga de presin.

La altura geomtrica es la diferencia de cota entre el nivel del lquido en la succin y en la

descarga. Si la tubera de descarga esta sobre el nivel del lquido en el depsito de descarga,

entonces la altura geomtrica se debe referir a la lnea de centro de la tubera de descarga y no

al nivel del lquido.

La carga de presin es la diferencia de presin existente entre los depsitos de descarga y

succin. Esta expresin es aplicable en depsitos cerrados. Para sistemas abiertos estaexpresin no se considera.

La altura dinmica est compuesta por las prdidas de carga total ms la carga por velocidad.


22/201


Las prdidas de carga se clasifican en prdidas de carga friccional y prdidas de carga singular. Para

la determinacin de las prdidas de carga friccionales, se utilizar la frmula de Hazen y Williams:

1,852

f 1 ,8 52 4 ,8 69

QP =10,665* *

C *DL Ec. 3.3

Dnde:

J : Prdida de carga unitaria [m.c.a/ m.c.a]

Q : Caudal en [m3/s]

D : Dimetro interior de la tubera en [m]

C : Coeficiente de rugosidad que depende del material de la tubera.

Para distintos materiales, se adopt el siguiente coeficiente C:

P.V.C. C=130

HDPE C=130

Acero C=100

En general a nivel de estudios de prefactibilidad se asume que las prdidas de carga singulares son

equivalentes a un 10% de la prdida friccional del tramo. A nivel de diseo de Ingeniera de Detalles las

prdidas de carga singulares se calculan para cada pieza especial, y son proporcionales a la altura de

velocidad del escurrimiento. Para este estudio se considera esto ltimo y de este modo, la prdida de

carga singular (Ps), se determina mediante la siguiente expresin:

2

s

vP =k*

2*g Ec. 3.4

Dnde


23/201


Para el clculo de aducciones e impulsiones los coeficientes de prdidas de carga singulares son los

siguientes:

Curva 90 K=0,6

Tee K=1 8

Reduccin K=0,2 Ensanche K=0,6

Vlvula de compuerta abierta K=0,2

Vlvula de retencin K=2,5

Un aspecto importante a considerar en cualquier sistema de bombeo y ms especficamente en las

lneas de impulsin es el efecto del golpe de ariete.

El golpe de ariete junto con la cavitacin son los principales causantes de averas en tuberas e

instalaciones hidrulicas. A menudo cuando se cierra bruscamente una llave en servicio dentro de una

casa, se siente una vibracin que se transmite por toda la caera. Este fenmeno se produce por un

paro violento del chorro de agua, accin que se refleja en la vibracin antes citada. En sistemas de

bombeo el efecto de golpe de ariete, es altamente perjudicial por cuanto un paro violento del motor, sea

manual o por corte de la energa, hace que la velocidad de agua dentro de la caera disminuya casi

instantneamente hasta ser nula, la energa que lleva el agua se transforma en deformacin del lquido

que tiende a expandirse en el extremo donde est ubicada la vlvula de retencin. Esta expansin del

agua produce en la caera un excesivo aumento de presin en sus paredes internas por sobre la presin

de trabajo, producto del cierre la vlvula de retencin, generando la explosin de la caera.

La onda de choque se devuelve generando un vaco que hace que la caera quede sometida apresiones exteriores por sobre su lmite y por consiguiente se produce el colapso o implosin.

En forma simplificada, el golpe de ariete se puede expresar de la siguiente manera:


24/201


La velocidad de propagacin de la onda de presin (c) depende de la elasticidad del fluido y de la

elasticidad de la pared de la tubera. Para una tubera de seccin circular y libremente soportada, la

velocidad de propagacin se puede determinar por:

p

p e

w

E *g

c=

E d+

E e

Ec. 3.6

Dnde:

Ep : Mdulo de elasticidad de la tubera. Para tubera HDPE PE

100 se considera 1,49 x 109[kgf/m2].

g : Aceleracin de gravedad. 9.81 [m/s2]

: Peso especfico del fluido. Para agua se considera = 1.000

[kgf/m3]

Ew : Mdulo de elasticidad del fluido. Para el agua se considera

2,2x108[kgf/m2].

Dm : Dimetro medio de la tubera [m]

E : Espesor de pared de la tubera [m]

El dimensionamiento de las tuberas debe considerar la suma de las presiones existentes, es decir,

las presiones internas necesarias para la conduccin del fluido ms las sobrepresiones originadas por el

golpe de ariete.

De cualquier manera, siempre que sea posible, se debe intentar disminuir o eliminar la ocurrencia del

golpe, para lo cual se deben tomar algunas precauciones tales como:

Adoptar velocidades del fluido menores que 2 [m/s].

Adoptar vlvulas de cierre y aperturas lentas. En la partida de la bomba, cerrar parcialmente la descarga de la lnea hasta que est

completamente llena y la bomba haya entrado en rgimen; entonces abrir lentamente la

descarga.

Ad t l l ti g l


25/201


Se considera cierre lento cuando el tiempo de cierre es:

2*Lt>

c Ec. 3.7

Dnde:

t : Tiempo de cierre [s]

L : Longitud de la lnea [m]

c : Velocidad de propagacin de la onda de presin [m/s]

En este caso, la sobre presin de golpe de ariete puede calcularse por la frmula de Michaud:

2 =

* L* vP

g* t

Ec. 3.8

Dnde:

P : Sobre presin debido al golpe [m.c.a]

L : Longitud de la lnea [m]

v : Velocidad media del fluido [m/s]

g : Aceleracin de gravedad [m/s2]

t : Tiempo de cierre [s]

3.1.2 Sistemas de bombeo con estanques hidroneumticos

3.1.2.1 Funcionamiento de sistemas de bombeo con estanques hidroneumticos

Este tipo de equipos conjuga como su denominacin lo indica tres principios, HIDRO: fluido (agua),

NEUMA: aire, TICO: automtico. El propsito de estos equipos, es abastecer una necesidad de caudal

variable hasta un mximo, el cual se le denomina caudal de conexin (Qa) al cual le corresponde una

i d i (P )


26/201

Captulo III: Marco terico

produce la seal de parada de la bomba y el tanque queda con la capacidad de abastecer a la red,

cuando los niveles de presin bajan a los mnimos preestablecidos se acciona el mando de encendido

de la bomba nuevamente.

Figura 3.1: Esquema sistema de bombeo con estanques hidroneumticos

Fuente: Wekker (2004)

3.1.2.2 Dimensionamiento de sistemas de bombeo con estanques hidroneumticos

Un sistema hidroneumtico est compuesto por tres elementos importantes: un estanque o sentinadonde se acumular el agua, equipos de bombeo que pueden ser uno o los necesarios para impulsar el

caudal requerido por la red y que impulsarn el agua desde la sentina hasta el punto donde se requiere

llegar con presin, y un estanque hidroneumtico con el cual se otorga la presin requerida a la red.


27/201


Para el clculo de los equipos de bombeo, primero es necesario establecer la cantidad de unidades

en servicio. Estas deben ser capaces de elevar el caudal mximo probable (QMP) a la presin requerida,

la cual se denomina presin de conexin.

La presin mnima de bombeo o presin de conexin (Pa) debe ser igual o mayor que la diferencia de

cotas entre el eje de aspiracin (o el nivel ms deprimido que alcanza el espejo de agua de la sentina de

acumulacin) y el nivel del punto ms alto, ms las prdidas de carga totales entre la bomba y el punto

ms desfavorable, ms una presin til mnima de 12 m.c.a.

La presin de desconexin o presin de parada se calcula segn la letra k) del artculo 84del RIDDA

la cual dice: Para que el suministro se realice a una presin estable, la presin de desconexin o de

parada del sistema tendr una variacin mxima de 12 m.c.a. A la presin de desconexin le

corresponde un caudal de desconexin (Qb). Con el caudal de conexin y de desconexin se calcula un

caudal medio (Qm) y se escoge un tiempo (T) entre partidas de la motobomba en funcin de la potencia

de esta.

Para calcular el volmen del hidropack primero es necesario calcular el volumen de regulacin, el

cual corresponde a la cantidad en litros de agua capaz de acumularse en la membrana del estanque

hidroneumtico, cuando la bomba alcanza su presin de desconexin y el aire pre inyectado estcomprimido. Este volmen se calcula de acuerdo a la siguiente expresin:

mR

Q * TV =

4 Ec. 3.10

El volmen del estanque hidroneumtico corresponde al volumen fsico del estanque hidroneumtico,

ste contendr el aire pre inyectado y el volumen de regulacin. Este volumen se calcula de acuerdo a la

siguiente expresin:

R bV *(P +10)

V E 3 11


28/201


Tabla 3.1: Tiempo entre partidas segn la potencia de la bomba.

Pot. en Hp T (min)

1,0 - 3,0 1,2

3,0 - 5,5 1,5

5,5 - 7,5 2

7,5 - 15,0 315,0 - 30,0 4

sobre 30,0 6

Fuente: Oyendel (s.f)

3.1.3 Sistemas de bombeo con variador de frecuencia

3.1.3.1 Funcionamiento sistemas de bombeo con variador de frecuencia

Un grupo de presin con motores de velocidad controlada electrnicamente es usado cuando se

requiere un funcionamiento controlado, es decir, el consumo vara y se requiere mantener una presin

constante. La aplicacin de estos sistemas es variada y se pueden mencionar algunas como:

Instalaciones de suministro de agua

Edificios

Hoteles

Industrias

Hospitales Escuelas

Los sistemas de bombeo con motores de velocidad controlada se basan en la estructura de tener un


29/201


Figura 3.2: Diagrama de control para un equipo de elevacin de agua con variador de frecuencia.

Fuente: Inostroza (2011).

El sistema de control compara la presin real existente en la red, en este caso P1 medida por eltransductor de presin con la presin set point Pset ingresada en el variador de frecuencia. Si la presin

real P1 es superior al valor establecido, el sistema de control reduce la velocidad de la bomba y, en

consecuencia, el rendimiento de la bomba, hasta que se cumpla la relacin P1=Pset.

En la figura 3.3 se muestra que sucede cuando se pasa de caudal mximo (Q max) a un caudal menor

(Q1). El sistema de control se encarga que la velocidad de la bomba se reduzca o se aumente de manerade garantizar que la presin de descarga requerida sea P1=Pset, por ejemplo en la ilustracin, la

velocidad se disminuye de nna nx. La instalacin de la bomba garantiza que la presin de suministro ser

constante en el rango de caudales entre 0 y Qmax.

As tambin en caso que la presin P1 sea inferior a la presin requerida Pset, el sistema de control

aumenta la velocidad de la bomba de manera de alcanzar en el menor tiempo posible la presin Pset

.

Figura 3.3: Variacin de la curva de la bomba para pasar de Qmax a Q1.


30/201


3.1.3.2 Dimensionamiento de sistemas de bombeo con variador de frecuencia

Cuando se dimensiona un grupo de presin, es importante asegurar que el funcionamiento del grupo

de presin puede satisfacer la mayor demanda posible tanto de caudal como de presin y adems que el

equipo no est sobredimensionado. Esto es importante en relacin a los costes de instalacin y de

funcionamiento. Para dimensionar estos sistemas, al igual que los sistemas de bombeo tradicional, es

necesario definir las dos variables que controlan este diseo y que son el caudal y la altura de elevacin.

Para la determinacin del caudal se considera el caudal mximo horario segn lo que establece la

normativa chilena. Para determinar la presin que debe mantener el grupo de presin, es necesario

realizar un anlisis hidrulico para que la presin en cualquier punto del sistema se mantenga dentro del

rango establecido por la normativa.

Para la seleccin del grupo de presin se debe tener en cuenta lo siguiente:

La pauta de consumo a satisfacer por el grupo de presin: Cuanto vara el consumo y con qu

brusquedad vara el consumo.

La distribucin del consumo en el tiempo.

El tipo de grupo de presin que hay que seleccionar, el cual debera basarse en la pauta de

consumo.

Las dimensiones del sistema que hay que seleccionar, funcionamiento y nmero de bombas.

La proteccin contra marcha en seco si es que no viene incorporada en el equipo de presin.

La pauta de consumo puede ilustrarse como un perfil de 24 horas y un perfil de carga. El perfil de 24

horas indica el consumo durante 24 horas y el perfil de carga est basado en el perfil de 24 horas yproporciona una visin general en porcentaje del funcionamiento diario del grupo de presin con un

caudal especfico.


31/201


Figura 3.4: Perfil de 24 horas figura izquierda, Perfil de carga figura derecha.

Fuente: Grunfos (s.f).

En la figura 3.5 se muestran ejemplos de pautas de consumo y sus perfiles de 24 horas y de carga

para distintas aplicaciones.

Figura 3.5: Pautas de consumo para distintas aplicaciones.


32/201


El sistema debe satisfacer la mayor demanda posible. Dado que la mayor demanda se realizar

durante un momento breve del periodo de trabajo total, es importante seleccionar un tipo de bomba que

pueda satisfacer la demanda variable durante el perodo de trabajo completo.

Con el fin de conseguir una economa de funcionamiento ptima, se deben seleccionar las bombas

en base a un rendimiento ptimo, es decir, las bombas, en la medida de lo posible, deberan trabajar

dentro de sus rangos de funcionamiento nominales.

El dimensionamiento del grupo de presin est basado en el mayor consumo posible, por lo que el

punto de trabajo de las bombas debera estar siempre a la derecha en la curva de rendimiento con el fin

de mantener un rendimiento alto cuando el consumo disminuye.

Figura 3.6: Curva de rendimiento de la bomba.


Por otro lado para evitar los efectos de la cavitacin, nunca se debe seleccionar una bomba cuyo

punto de trabajo este demasiado a la derecha de la curva NPSH. Se recomienda comprobar siempre los

valores NPSH de la bomba al mayor consumo posible.

Figura 3.7: Curva NPSH.


33/201


A menudo no es aceptable que el sistema no mantenga su caudal mximo, incluso durante

reparaciones o averas de las bombas. Para evitar cualquier interrupcin del suministro en esta situacin,

el grupo de presin puede equiparse con una bomba de reserva.

Figura 3.8: Sistema con y sin bomba de reserva figura izquierda y derecha respectivamente.


3.2 Sistemas de tratamiento

3.2.1 Soluciones qumicas

Una solucin o disolucin es una mezcla de dos o ms componentes, perfectamente homognea ya

que cada componente se mezcla ntimamente con el otro, de modo tal que pierden sus caractersticasindividuales. Esto ltimo significa que los constituyentes son indistinguibles y el conjunto se presenta

en una sola fase que puede ser slida, lquida o gas y que se encuentra bien definida.

Una solucin que contiene agua como solvente se llama solucin acuosa. Si se analiza una muestra

de alguna solucin puede apreciarse que en cualquier parte de ella su composicin es constante.

Entonces, reiterando, llamaremos solucin o disolucin a las mezclas homogneas que se

encuentran en fase lquida. Es decir, las mezclas homogneas que se presentan en fase slida, como

las aleaciones de acero, bronce, o latn o las que se hallan en fase gaseosa como aire o humo no se les

conoce como disoluciones


34/201


Los componentes de una solucin son soluto y solvente. Soluto es aquel componente que se

encuentra en menor cantidad y es el que se disuelve. El soluto puede ser slido, lquido o gas.

Solvente es aquel componente que se encuentra en mayor cantidad y es el medio que disuelve al

soluto. El solvente es aquella fase en que se encuentra la solucin. Aunque un solvente puede

ser un gas, lquido o slido, el solvente ms comn es el agua

En una disolucin, tanto el soluto como el solvente interactan a nivel de sus componentes ms

pequeos (molculas, iones). Esto explica el carcter homogneo de las soluciones y la

imposibilidad de separar sus componentes por mtodos mecnicos.

La mayor o menor concentracin de una solucin va a depender de la cantidad de soluto que se est

disolviendo en una solucin. Para saber exactamente la cantidad de soluto y de solvente de una

disolucin se utiliza una magnitud denominada concentracin. Dependiendo de su concentracin, las

disoluciones se clasifican en diluidas, concentradas, saturadas, sobresaturadas.

Diluidas: Si la cantidad de soluto respecto del solvente es pequea. Ejemplo: una solucin de 1

gramo de sal de mesa en 100 gramos de agua.

Concentradas: Si la proporcin de soluto con respecto del solvente es grande. Ejemplo: una

disolucin de 25 gramos de sal de mesa en 100 gramos de agua.

Saturadas: Se dice que una disolucin est saturada a una determinada temperatura cuando no

admite ms cantidad de soluto disuelto. Ejemplo: 36 gramos de sal de mesa en 100 gramos de

agua a 20 C.

Si intentamos disolver 38 gramos de sal en 100 gramos de agua, slo se disolvera 36 gramos y

los 2 ramos restantes permanecern en el fondo del vaso sin disolverse.

Sobresaturadas: Disolucin que contiene mayor cantidad de soluto que la permitida a una

temperatura determinada. La sobresaturacin se produce por enfriamientos rpidos o pordescompresiones bruscas. Ejemplo: al sacar el corcho a una botella de refresco gaseoso.

Las unidades de concentracin en que se expresa una solucin o disolucin pueden clasificarse


35/201


Porcentaje peso a peso (% P/P): Indica el peso de soluto por cada 100 unidades de peso de la

solucin.

P peso del soluto% = *100

P peso de la solucin Ec. 3.12

Porcentaje volumen a volumen (% V/V): Se refiere al volumen de soluto por cada 100 unidades

de volumen de la solucin.

V volumen de soluto% = *100

V volumen de la solucinEc. 3.13

Porcentaje peso a volumen (% P/V): Indica el nmero de gramos de soluto que hay en cada 100

ml de solucin.

P gramos de soluto% = *100

V ml de la solucin Ec. 3.14

3.2.2 Tratamiento del agua

Debido a que el agua es un solvente casi universal, el agua completamente pura es extremadamente

escasa y difcil de obtener debido a que prcticamente todas las sustancias son solubles hasta cierto

grado. A causa de esta propiedad, el agua se contamina frecuentemente por las substancias con la que

entra en contacto.

La contaminacin del agua ser entonces cualquier diferencia de un parmetro respecto de la

normativa correspondiente.

La contaminacin del agua se puede clasificar de la siguiente manera:

Fsica: Es aquella que se considera como la presencia de uno o ms cuerpo slidos de diferentes


36/201


Existen variadas formas para mejorar la calidad del agua para consumo. Las ms comunes son la

decantacin y el filtrado, seguidas por la desinfeccin. La eliminacin de los organismos patgenos y la

desinfeccin se puede lograr de muchas formas, pero la ms comn es mediante la adicin de cloro

(hipoclorito de calcio). La cloracin es el proceso que hasta ahora rene mayores ventajas al ser

eficiente, de bajo costo, fcil de aplicar, y su presencia se puede medir con mtodos simples.

Cuando se aade cloro, ste purifica el agua al destruir la estructura celular de los organismos, sin

embargo, el cloro se consume a medida que los organismos se destruyen. Este proceso slo funciona si

el cloro entra en contacto directo con los organismos. Si el agua contiene lodo por ejemplo, las bacterias

se pueden esconder dentro del mismo y no son alcanzadas por el cloro. El cloro necesita cierto tiempo

para destruir todos los organismos. En agua a una temperatura mayor de 18C, el cloro debe estar en

contacto con el agua, al menos, durante 30 minutos. Si el agua est ms fra, el tiempo de contacto se

debe incrementar. Si se aade suficiente cloro, quedar un poco en el agua luego de que se eliminentodos los organismos; se le llama cloro libre.

Si se analiza el agua y se encuentra que todava existe cloro libre en ella, se comprueba que la

mayora de los organismos peligrosos ya fueron eliminados del agua y, por lo tanto, es seguro

consumirla. Este procedimiento se le denomina medicin de cloro residual. La norma NCh 409 indica

que la concentracin mxima de cloro libre debe quedar entre los valores de 0,2 mg/L y 2 mg/L.

Por esta razn, es normal que se le aada cloro al agua apenas se introduce en el tanque de

almacenamiento o en una tubera larga de distribucin, para darle tiempo a que el producto qumico

reaccione con el agua antes de llegar al consumidor.

Los indicadores de contaminacin son la existencia o ausencia de algunas familias de bacterias, queson las ms resistentes a ser eliminadas. Estas son de la familia de los coliformes como por ejemplo

Eschericha Coli, Enterobacter, Klebsiella y Citrobacter. Estas son las bacterias cuya existencia se

determina en los anlisis que se realizan en los laboratorios, y su ausencia indica que no existen otras

bacterias patgenas porque estas ltimas mueren antes que las de la familia coliforme


37/201


3.3 Proyeccin de la poblacin

La proyeccin de la poblacin se refiere al clculo del crecimiento aproximado previsto en el nmero

de habitantes en un lugar para un futuro dado. Existen diferentes mtodos para el clculo de la poblacin

futura a partir de modelos de crecimiento.

Estos modelos incluyen variables bsicas de poblacin y no buscan predecir con exactitud la

dinmica de una poblacin, sino ms bien explicar el tipo de dinmica esperada con base en el

comportamiento de aos pasados y su posible comportamiento futuro bajo el mismo esquema de

crecimiento u otro distinto.

Los modelos ms utilizados en la proyeccin de la poblacin para proyectos de agua potable rural

son:

3.3.1 Crecimiento Aritmtico.

El modelo de crecimiento aritmtico de la poblacin, est dado por la siguiente ecuacin:

Pf= P0+ r*n Ec. 3.15 En que:

Pf : Poblacin futura.

P0 : Poblacin ao base.

r : Incremento medio anual (habitantes).

n : Nmero de aos, desde el ao base.

3.3.2 Crecimiento Geomtrico

El modelo de crecimiento geomtrico de la poblacin, est dado por la siguiente ecuacin:


38/201


3.3.3 Crecimiento Vegetativo

El modelo de crecimiento vegetativo de la poblacin, est dado por la siguiente ecuacin:

Pf= P0*(1 + r*n) Ec. 3.17 En que:

Pf : Poblacin futura

P0 : Poblacin ao base

r : Tasa de crecimiento anual

n : Nmero de aos, desde el ao base

3.3.4 Crecimiento exponencial

El modelo de crecimiento exponencial de la poblacin, est dado por la siguiente ecuacin:

Pf= P0*er*n Ec. 3.18 En que:

Pf : Poblacin futura

P0 : Poblacin ao base

r : Tasa de crecimiento anual

n : Nmero de aos, desde el ao base

3.4 Proyeccin de la Demanda

Los caudales a considerar para el diseo de cada alternativa estarn determinados por la proyeccin de


39/201


med

Pob*dotQ =

86400*(1-perdidas)

Ec. 3.19

max,d medQ =F.D.M.C*Q Ec. 3.20

max,h medQ =F.D.M.C*F.H.M.C*Q Ec. 3.21

Dnde:

Qmed : Caudal medio diario [Lt/s]

Qmax d : Caudal mximo diario [Lt/s]

Qmax h : Caudal mximo horario [Lt/s]

Pob : Poblacin total [hab]

Dot : Dotacin de produccin [Lt/hab/da]

Prdidas : Perdidas en la red [%/%]

N : Nmero de horas de bombeo

[horas]

3.5 Anlisis Hidrulicos de las Redes

Para poder realizar el correspondiente anlisis hidrulico para cada alternativa de estudio, es

necesario definir el trazado que tendr la red de distribucin de la localidad.

Con el trazado definido de la red de distribucin de agua potable de la localidad de Malloco Lolenco se

procede a estructurar la topologa de la red de simulacin hidrulica, para poder procesarla mediante el

programa computacional EPANET. Este programa de dominio pblico, permite calcular complejas redes de

abastecimiento y regado, desde un punto de vista hidrulico y de calidad. El programa fue desarrollado por

la USEPA (U.S Enviromental Protection Agency), organizacin creada en 1970 en E.E.U.U encargada de

velar por los recursos naturales del pas.

Dentro de las caractersticas que ofrece este potente software, se encuentran las siguientes:


40/201


Admite depsitos de geometra variable, esto es, cuyo dimetro vare con el nivel.

Considera diferentes tipos de demanda en los nudos, cada uno con su propia curva de modulacin

en el tiempo.

Permite modelar tomas de agua cuyo caudal dependa de la presin como por ejemplo rociadores.

Admite leyes de control simples, basadas en el valor del nivel en los depsitos o en la hora prefijada

por un temporizador, y leyes de control ms complejas basadas en reglas lgicas.

Para realizar la modelacin hidrulica de las redes, ser necesario conformar la siguiente informacin:

Numeracin de nudos y tramos, los que se asignan arbitrariamente.

Determinacin de las cotas de cada nudo, estas se obtienen del levantamiento topogrfico.

Determinacin de las caractersticas fsicas de cada tramo, de acuerdo al catastro actualizado (forma

de conexin, nudos extremos, dimetro, material, longitud y tipo de tramo).

Clculo de los consumos asociados a cada nudo de la red, utilizando las densidades, dotaciones,

factores de mximos consumos, entre otros y que fueron definidas en el estudio de demandas

respectivo. Para cada nudo se determinar su rea tributaria (o rea circundante de cada nudo),

mediante el mtodo geomtrico (superficies trapeciales).

Con toda esta informacin se procede a generar en forma grfica el archivo de entrada de datos, en el

cual se pueden simular distintas alternativas de funcionamiento como por ejemplo: sistemas de fuentes,

variacin de consumos, operacin de la red, entre otros.

Se efecta el proceso computacional respectivo, de tal manera de presentar el output en forma grfica

y/o mediante listados.

Los resultados obtenidos en los procesos computacionales para cada alternativa de estudio,

correspondientes a presiones, caudales, velocidades de escurrimiento, aportes y direccin de flujos se

graficarn en colores en un plano global de la red y sus magnitudes se resumirn mediante listados anexos,

de tal manera de obtener una visin lo ms exacta posible de cada proceso que representara a los distintos


41/201

Capitulo IV: Descripcin de la localidad

Captulo IV: Descripcin de la localidad

4.1 Descripcin general

El sector rural de Malloco Lolenco se encuentra ubicado en la comuna de Villarrica a 8 kilmetros al

este de la ciudad. Se accede en el km. 6 de la ruta 69B119 Villarrica-Pucn, punto en el cual se toma el

camino 69E006 hacia el sur, denominado Los Guindos-Segunda Faja hasta empalmar con la ruta 2Faja-

Molco. Siguiendo 2 km hacia el este se encuentra el rea de intervencin del proyecto.

Otra va de acceso, es ingresar directamente por la ruta 2Faja-Molco recorriendo aproximadamente

8 km. Esta ruta se encuentra asfaltada los primeros 3 km y el resto es una carpeta granular.

Los antecedentes demogrficos generales se indican en la tabla 4.1, y segn los antecedentes

recopilados, en esta localidad existen 92 familias y 1 capilla, lo que se traduce en un total de 93

arranques a considerar.

Figura 4.1: rea de intervencin del proyecto.


42/201


Tabla 4.1: Antecedentes de Poblacin Localidad Malloco Lolenco.

reaPoblacin [Habitantes]

Censo 1992 Censo 2002

Repblica de Chile 13.348.401 15.116.435

Regin de La Araucana 781.242 869.535

Provincia de Cautn 578.205 667.920Comuna de Villarrica 35.867 45.531

Localidad de Malloco Lolenco Sin Informacin Sin Informacin

Fuente: Instituto Nacional de Estadstica.

Malloco Lolenco no se encuentra cercano a sectores urbanos que cuentan con agua potable como es

el caso de la ciudad de Villarrica, distante a 8 km. del sector, razn por la cual se analizarn soluciones

propias para esta localidad.

Sobre la base de la estadstica existente de la estacin Villarrica (DGA) se aprecia que el ao

promedio presenta un total de agua cada de 2.107 mm. El ao ms lluvioso que se registra es 1993, con

un total de 2.670,0 mm y el menos lluvioso es 1998, con 1.142,4 mm.

Con respecto a la variacin mensual, los meses estivales o menos lluviosos (perodo Diciembre a

Febrero) presentan un promedio de precipitacin de 62,3 mm mensuales, con un acumulado de 187,0

mm equivalentes al 8,9 % de la precipitacin media anual. En tanto, los meses ms lluviosos, desde

Mayo a Agosto, presentan una precipitacin media mensual de 314,6 mm, con un acumulado de 1.258,6

mm, vale decir, un 59,7 % del total anual. El mes ms lluvioso es Junio y el menos lluvioso es Febrero.

La vegetacin nativa de la zona ha sido bastante explotada, observndose terrenos utilizados para laplantacin de pastizales para la engorda de ganado y sectores de bosque nativo aun no explotados,

ubicados en los sectores altos y cercanos a las riberas de cauces superficiales.

Se presenta como principal fuente de escurrimiento superficial el Lago Villarrica, destacando que los


43/201


4.2 Caracterizacin topogrfica

En general, la localidad presenta una configuracin topogrfica caracterstica de una faja volcnica

con fuertes pendientes. El sector ms alto se encuentra ubicado al sur de la ruta 69E839 y el sector ms

bajo se encuentra ubicado al norte de la misma ruta. Las viviendas que se encuentran a lo largo de esta

ruta, presentan una serie de repechos.

Por otra parte la localidad presenta una baja densidad de viviendas por kilmetro de camino segn

como se indica en la tabla 4.2.

Tabla 4.2: Caracterizacin topogrfica localidad Malloco Lolenco.

Localidad

Longitud de

caminosCotas [m.s.n.m.]

Cota

MediaDesnivel Densidad

[Km] Ms baja Ms alta [m.s.n.m.] [m] [Viv./Km]

Malloco

Lolenco6,861 282 363 302,30 81 13,6

Fuente: Elaboracin propia.

4.3 Descripcin del sondaje existente

Actualmente existe una captacin subterrnea junto a la Ruta S-839 en las coordenadas SIRGASWGS-84 N=5.643.560,9 y E=745.838,9 en el sector Poniente del rea de Intervencin del Proyecto. La

captacin corresponde a un sondaje de 60 m. de profundidad, habilitado con tubera de acero de 10 de

dimetro. El terreno donde est ubicado el sondaje, tiene una superficie de 36 m2.


44/201


Tabla 4.3: Estratigrafa Sondaje Malloco Lolenco.

HorizonteProfundidad [m]

DescripcinDesde Hasta

1 0 1 Tierra Vegetal

2 1 23 Arena Fina

3 23 32 Arena Media4 32 40 Arena y Grava

5 40 44 Arena Fina

6 44 50 Arcilla

7 50 51 Arena Fina

8 51 60 Arena y Grava

Fuente: PERFOMAQ (2011)

Luego de la perforacin se habilit el sondaje con caera de acero de 10 hasta los 32 metros. Se

intercalaron cribas de Acero Inoxidable Slot 40 de 10 entre los 32 y 38 metros y Slot 20 entre 38 y 44

metros, adems de dos tramos en Slot 20 entre 51-54 y 56-59 metros.

En resumen, la habilitacin fue la siguiente:

Tabla 4.4: Habilitacin Sondaje Malloco Lolenco.

Profundidad [m] Habilitacin

0 a 32 Caera de Acero D=250 mm. (10).

32 a 38 Criba de Acero Inoxidable D=200 mm. (10) Slot 40.

38 a 44 Criba de Acero Inoxidable D=200 mm. (10) Slot 20.44 a 51 Caera de Acero D=250 mm. (10).

51 a 54 Criba de Acero Inoxidable D=200 mm. (10) Slot 20.

54 a 56 Caera de Acero D=250 mm. (10).


45/201


Figura 4.2: Habilitacin Sondaje Malloco Lolenco.

Fuente: PERFOMAQ (2011)

En general para determinar la capacidad del acufero se llevan a cabo pruebas de bombeo. En primer

trmino se realizan las pruebas de bombeo de gasto variable y en segundo lugar, las pruebas de bombeo

de gasto constante. Estas pruebas se efectan con una bomba de pozo profundo accionada con un

generador procediendo a medir la produccin de agua del pozo con caudales crecientes, es decir se

procede a restringir en forma significativa el caudal generado por la bomba a travs de una llave de paso


46/201


Tabla 4.5: Prueba de Gasto Variable.

Etapa

Caudal

[l/s]

Duracin

[minutos]

N. Esttico

inicial[m]

Depresin

total [m]

1 (14:00 a 20:00 de 12-12-2011) 8 360 23,63 2,88

2 (20:00 a 24:00 de 12-12-2011) 12 240 26,51 1,71

3 (0:00 a 4:00 de 12-12-2011) 16 240 28,22 1,29

Fuente: PERFOMAQ.

La prueba de gasto constante se efectu utilizando el mismo criterio utilizado para la prueba de

bombeo de gasto variable en cuanto a la metodologa, extendiendo esta prueba por un periodo de 24

horas con un caudal constante de 14 litros/segundo, que corresponde al 87,5% del mximo valor de

gasto variable.

El nivel esttico inicial fue de 23,80 metros y el nivel estabilizado fu de 29,89 metros, por lo tanto se

tuvo una depresin de 6,09 m. La recuperacin del pozo al cabo de 60 minutos de finalizada la prueba

fu de 4,43 metros, es decir, en ese lapso se recuper gran parte de la depresin del pozo (73%).

Figura 4.3: Esquema Niveles Dinmicos sondaje Malloco Lolenco.


47/201


En un sondaje hay dos niveles especiales:

El nivel esttico: que es el nivel en que se encuentra el agua cuando no se ha iniciado la

extraccin de agua.

El nivel dinmico: cuando se inicia el bombeo el nivel del agua comienza a bajar segn la rapidez

de bombeo hasta que despus de un tiempo el nivel se detiene. La rapidez de llenado del pozose equilibra con la del bombeo y esta nueva profundidad o punto es el nivel dinmico.

Para diferentes caudales habr diferentes niveles dinmicos. Y la unin de todos estos diferentes

niveles dinmicos v/s caudal originan una curva llamada curva de aforo del pozo. La figura N4.4

muestra la curva de aforo para el sondaje de la localidad.

Esta curva es muy importante porque se conoce cuanto rinde el pozo para un determinado caudal

requerido y la profundidad a la que se debe instalar la bomba, para evitar que se quede sin agua. Para el

diseo de las bombas de pozo se considerar un nivel dinmico de 32 [m].

Figura 4.4: Curva de Aforo sondaje Malloco Lolenco

0

10

20

30

40

50


48/201

Captulo V: Estudio de poblacin y consumo


Esta actividad tiene importancia estratgica en el sentido de compatibilizar el presente estudio con los

requerimientos de demanda que plantea la comunidad, en relacin a la definicin de la cobertura de los

beneficiarios y calidad del servicio. Se definir como ao 0 el ao 2013 en el cual se supone que el proyecto

an no entra en funcionamiento.

El clculo de la demanda estar basado en la metodologa descrita y definida en todos los instructivos,

normas, parmetros y criterios para el diseo de proyectos de agua potable descritos tanto por el MOP,

como as tambin el ex SENDOS y MIDEPLAN. El Estudio de poblacin y consumo ha considerado lo

siguiente:

Cantidad de arranques: Para efectos de clculo de la demanda al ao 0 se han considerado lossocios que se encuentran en la nmina base, todo dentro del marco del rea de intervencin del

proyecto. La cantidad proviene del listado actual de socios del comit de agua potable rural de

Malloco Lolenco. En la actualidad son 93 arranques que no cuentan con el servicio de agua potable,

stos se componen de 92 viviendas y 1 capilla.

Densidad habitacional: Corresponde al promedio de habitantes por vivienda determinado en base

a la Encuesta Socioeconmica. En el caso de Malloco Lolenco se calcul 3,5 habitantes por

vivienda. Pero para efectos de diseo se adoptar el valor de 5 habitantes por vivienda, lo que

redunda en una poblacin al ao 0 de 474 habitantes.


49/201


Perodo de previsin:Se considera como ao base el ao 2013 con un horizonte de anlisis que se

extiende por 20 aos hasta el ao 2033. Se estima adems que el proyecto comienza a operar a

partir del ao 2014.

Coeficiente de Caudal: El coeficiente para el caudal mximo diario ser de 1,5 con respecto al

caudal medio diario. El coeficiente de caudal mximo horario ser de 1,5 con respecto al caudalmximo diario.

Coeficiente de Prdidas: Si bien normalmente no se consideran en diseos de agua potable rural,

en ste estudio se considera un 15% de prdidas.

Caudal de bombeo: Para el abastecimiento con elevacin mecnica se consideran 18 horas de

bombeo del caudal mximo diario.

Volumen de regulacin: Corresponde a la compensacin entre caudales producidos y consumidos.

Para el diseo del volumen del estanque se ha considerado un volumen igual o superior al 20% del

consumo mximo diario al final del periodo de previsin. En sistemas de agua potable rural el

volumen de regulacin no considera el volumen de incendio.

En la Tabla 5.1 y Grfico 5.1 se detalla la proyeccin de la poblacin con el objeto de obtener las bases

necesarias que permitan determinar la demanda actual y futura de agua potable.

Tabla 5.1: Proyeccin poblacin Malloco Lolenco.

Tasa de

Crecimiento

Poblacin

Ao 0

Poblacin

Ao 10

Poblacin

Ao 20

C l V E di d bl i


50/201


Figura 5.1: Proyeccin Poblacin Malloco Lolenco.

Fuente: Elaboracin Propia.

Las necesidades por consumo de agua potable a lo largo del periodo de previsin y por consiguiente los

caudales que se utilizaran en el diseo de los diferentes componentes del sistema se muestran en la Tabla

5.2.

Se observa tambin que para el ao 20 de la proyeccin, los caudales: medio, mximo diario y

mximo horario son de 1,15 [Lt/s], 1,73 [Lt/s] y 2,59 [Lt/s] respectivamente.

Por otra parte segn el clculo que se muestra a continuacin, el volumen de regulacin que se

requiere es de 30 [m3].

3

3

lt s1,73 *86400

s diaV=0,2* =29,89 m

lt1000

m

Ec. 5.1

Debido a que los volmenes de regulacin que se manejan en agua potable rural son: 25 [m 3], 50

[m3], 75 [m3]y 100 [m3], se adoptar un volumen de regulacin para el estanque de regulacin es de 50

[m3].

465474484493503513524534545

556567578590602614626638

651664677691705

0

200

400

600

800

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Poblacin

Aos



51/201


Tabla 5.2: Proyeccin de caudales.

Ao

Qmedio

[Lt/s]

Qmx,diario

[Lt/s]

Qmx,horario

[Lt/s]

2012 0,76 1,14 1,71

2013 0,78 1,16 1,74

2014 0,79 1,19 1,78

2015 0,81 1,21 1,81

2016 0,82 1,23 1,85

2017 0,84 1,26 1,89

2018 0,86 1,28 1,93

2019 0,87 1,31 1,96

2020 0,89 1,34 2,00

2021 0,91 1,36 2,04

2022 0,93 1,39 2,08

2023 0,94 1,42 2,13

2024 0,96 1,45 2,17

2025 0,98 1,47 2,212026 1,00 1,50 2,26

2027 1,02 1,53 2,30

2028 1,04 1,56 2,35

2029 1,06 1,60 2,39

2030 1,09 1,63 2,44

2031 1,11 1,66 2,492032 1,13 1,69 2,54

2033 1,15 1,73 2,59

Fuente: Elaboracin Propia.



52/201


Tabla 5.3: Proyeccin Caudales de Bombeo.

Ao

Caudal de bombeo

[Lt/s]

18 hr.

2012 1,52

2013 1,55

2014 1,58

2015 1,61

2016 1,64

2017 1,68

2018 1,71

2019 1,75

2020 1,78

2021 1,82

2022 1,85

2023 1,89

2024 1,932025 1,97

2026 2,01

2027 2,05

2028 2,09

2029 2,13

2030 2,172031 2,21

2032 2,26

2033 2,30

Captulo VI: Planteamiento de alternativas


53/201


Captulo VI: Identificacin y planteamiento de

alternativas

Del diagnstico que se ha podido realizar, la localidad de Malloco Lolenco no cuenta actualmente con

un sistema de agua potable y su principal problema es la deficiente provisin de agua para consumo

humano, que se realiza a partir de norias, que durante el perodo de estiaje disminuyen notablemente su

rendimiento, o de fuentes superficiales tales como canales o vertientes naturales afectas a contaminacin

bacteriolgica. Ello ha determinado la existencia de un riesgo sanitario importante, que se ha visto

reflejado en la presencia de enfermedades que se transmiten a travs del agua.

El rea de intervencin del proyecto considera un total de 93 arranques al ao 0.La situacin con

proyecto considera la instalacin de un servicio de agua potable rural para el cual es necesario realizar

un estudio de alternativas. En esta etapa se plantean y describen las alternativas tcnicas de solucin al

problema de capacidad de regulacin de la localidad en su conjunto, el problema de una adecuada

conduccin de agua hacia todo el sector de Malloco Lolenco y al problema de presin del sector alto de la

localidad.

Los aspectos considerados para solucionar estos problemas son:

Fuente de Abastecimiento: Para todas las alternativas se considera abastecer de agua a todo el

sector mediante el sondaje existente que se ha descrito en el captulo 4.

L d I l i L l d i l i t d l lt ti HDPE PE 100



54/201


Sistema de Regulacin: Para la regulacin del caudal producido con el caudal consumido, en el

anlisis de alternativas se consideran estanques metlicos elevados y estanques de hormign

armado semienterrados. En cada alternativa de estudio se consideran diferentes ubicaciones para

los estanques, esto es debido a la disponibilidad de terrenos que para ubicar la planta de

tratamiento.

Planta Relevadora: Para las 3 primeras alternativas se considera una planta relevadora dado que la

ubicacin de los estanques no permite dotar con servicio a toda la poblacin. Para la alternativa 1 y

2 se considera presurizacin particular para las casas del sector alto del rea de intervencin del

proyecto. La alternativa 3 considera presurizar un sector ms amplio

Documents

Analisis Alternativas Diseño Sistema Abastecimiento Rural Chile