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2001 ABASTECIMIENTO DE AGUA INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA En la actualidad, ante el aumento dramático de la población en nuestro país y en general en el mundo entero, los diferentes servicios y recursos de que se dispone tienen que ser mejor administrados. La optimización de los recursos ha alcanz...

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2001

ABASTECIMIENTO DE AGUA INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA En la actualidad, ante el aumento dramático de la población en nuestro país y en general en el mundo entero, los diferentes servicios y recursos de que se dispone tienen que ser mejor administrados. La optimización de los recursos ha alcanzado todos los niveles de la vida humana. En el caso del agua, dicha optimización adquiere gran importancia, ya que la disponibilidad del vital líquido disminuye cada vez más y por lo tanto su obtención se dificulta y encarece de manera importante.

PEDRO RODRÍGUEZ RUIZ 01/01/2001

Pedro Rodríguez Ruiz

Abastecimiento de Agua

DIRECCIÓN GERENAL DE INSTITUTOS TECNOLÓGICOS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA

ABASTECIMIENTO DE AGUA

PEDRO RODRÍGUEZ RUIZ

www.civilgeeks.com AGOSTO 2001

Pedro Rodríguez Ruiz

Reservados todos los derechos conforme a la Ley. Se permite la reproducción total o parcial de esta obra citando la fuente. Agosto – 2001.

Abastecimiento de Agua

Pedro Rodríguez Ruiz

Abastecimiento de Agua

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, ante el aumento dramático de la población en nuestro país y en general en el mundo entero, los diferentes servicios y recursos de que se dispone tienen que ser mejor administrados. La optimización de los recursos ha alcanzado todos los niveles de la vida humana. En el caso del agua, dicha optimización adquiere gran importancia, ya que la disponibilidad del vital liquido disminuye cada vez más y por lo tanto su obtención se dificulta y encarece de manera importante. Un uso eficiente del agua implica la utilización de mejores sistemas de extracción, conducción y almacenamiento de agua; además del campo de la forma de pensar de los usuarios del recurso. Dentro de los sistemas de conducción, en el mercado existen tuberías fabricadas con gran diversidad de materiales, que dependiendo de las condiciones de operación se comportan de manera satisfactorias o no. El conjunto de las diversas obras que tienen por objeto suministrar agua a una población en cantidad suficiente, calidad adecuada, presión necesaria y en forma continua constituye un Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. El problema del agua potable no tiene solución permanente, por lo que en este aspecto siempre se debe estar buscando nuevas fuentes de Abastecimientos, realizando estudios hidrológicos o geohidrológicos para tener a la mano forma de ampliar los sistemas. Para desempeñar un papel activo en la solución a tales problemas, el Ingeniero Civil debe comprender claramente los fundamentos en que se basan. Por tanto, la finalidad de este libro es delinear los principios fundamentales de ingeniería implicados en las obras que constituyen el sistema de abastecimiento de agua potable e ilustrar su aplicación al proyecto. Las características anteriores se reflejan en las coberturas de los servicios de abastecimiento de agua potable y alcantarillado en el país. Las cifras disponibles señalan que un 30 % de la población total no cuenta con un sistema formal de abastecimiento de agua y que un 51 % no cuenta con alcantarillado sanitario. Históricamente, a los servicios de agua potable y alcantarillado se les ha inscrito en el campo de la salud pública. La razón es que siendo el agua fuente de vida, también es paradójicamente, vehículo para la transmisión de enfermedades tales como el cólera, la tifoidea, la disentería y la parasitosis intestinales. La salud humana depende no sólo de la cantidad de agua suministrada, sino también de la calidad de la misma; según la Organización Mundial de la Salud ( OMS). El presente libro está dirigido a los Estudiantes de Ingeniería Civil como consecución del aprendizaje de esta disciplina, apegado al programa de estudios vigente de “ABASTECIMIENTO DE AGUA” que forma parte de la currícula de Ingeniería Civil del Instituto Tecnológico de Oaxaca, a los catedráticos que imparten esta materia a fin de unificar criterios en la impartición de la misma y a los profesionistas que se dedican a diseñar, instalar y/o construir sistemas de agua potable en comunidades rurales y urbanas. El libro comprende VIII Capítulos el cual establece los criterios generales que se utilizan en el diseño de sistemas de Abastecimiento de Agua potable.

Pedro Rodríguez Ruiz

Abastecimiento de Agua

El Capítulo I trata acerca de los estudios preliminares de carácter socioeconómicos y de campo que son necesario investigar para poder realizar el proyecto de un sistema de abastecimiento de agua, aplicando los métodos para determinar la población de proyecto, así como de aplicar las especificaciones que nos indica las normas de diseño, se plasma varios ejemplos prácticos. El Capítulo II analiza las diferentes fuentes de abastecimiento de agua en la naturaleza y de las diferentes obras de captación de esta aguas. Se ven ejemplos prácticos. En el capitulo III, se aborda los tipos de líneas de conducción existentes , la metodología de diseño por gravedad y por bombeo, así como los materiales de la tuberías que se utilizan conducir el agua, diseño de cruceros y accesorios, realizándose una serie de ejercicios aplicativos. En el Capitulo IV, se destaca la importancia que representa la determinación de la capacidad de los tanque de regularización y la determinación del coeficiente de regularización para diferentes horas de bombeo y los planos tipos. El capitulo V, sobre distribución del agua, trata sobre los criterios de diseño de redes cerradas por el método de Hardy Cross, diseño de cruceros, accesorios y lista de piezas especiales. En el capitulo VI, comprende los diferentes tipos de tratamiento que se le da al agua y los componentes de una planta potabilizadora. El Capitulo VII, se aborda los procedimientos constructivos de las obras de captación, conducción, regularización y redes de distribución. Finalmente el Capitulo VIII, un ejemplo completo para la formulación de un proyecto ejecutivo de un sistema de agua potable de un localidad cualquiera, con su calendario de obra y presupuesto. Como anexo se presenta un cuestionario para que el estudiante ejercite lo aprendido en el aula. Agradezco a la Academia de Ingeniería Civil, al jefe del Departamento de Ciencias de la tierra del Instituto Tecnológico de Oaxaca, el interés que mostraron y el apoyo recibido para su dictaminación para bien de los estudiantes, asimismo al Ing. Sergio Pablo Ríos Aquino por sus comentarios y aportaciones y al c . Alfonso Diego Martínez Pablo estudiante del octavo semestre de Ingeniería Civil, hoy ingeniero civil titulado y contratista quien capturo el material y dibujo los planos respectivos en autocad.

PEDRO RODRÍGUEZ RUIZ AGOSTO 2001

Pedro Rodríguez Ruiz

Abastecimiento de Agua

INDICE PROLOGO INTRODUCCIÓN

PAGINA

CAPITULO I.- ESTUDIOS Y TRABAJOS DE CAMPO 1.1. 1.2. 1.2.1. 1.2.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.9.1

ANTECEDENTES HISTORICOS CALIDAD DEL AGUA ANÁLISIS FISICOS, QUÍMICOS Y BACTERIOLÓGICOS ESPECIFICACIONES DEL AGUA POTABLE INFORMACIÓN BÁSICA PARA EL PROYECTO POBLACIÓN DE PROYECTO DEMANDA DOTACIÓN VARIACIÓN DE CONSUMO GASTOS DE DISEÑO DATOS DE PROYECTO EJERCICIOS

1 6 7 10 15 25 29 30 35 38 40 45

CAPITULO II. OBRAS DE CAPTACIÓN 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

FUENTES DE ABASTECIMIENTO OBRAS DE CAPTACIÓN METEORICAS OBRAS DE CAPTACIÓN SUPERFICIALES OBRAS DE CAPTACIÓN SUBTERRÁNEAS

62 66 70 78

CAPITULO III. LÍNEAS DE CONDUCCIÓN 3.1 3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.1.4. 3.1.5. 3.1.6. 3.2. 3.2.1 3.2.2. 3.2.3.

DISEÑO DE UNA LINEA DE CONDUCCIÓN POR GRAVEDAD MATERIALES ESPECIFICACIONES DISEÑO DEL DIÁMETRO ECONÓMICO ACCESORIOS Y PIEZAS ESPECIALES DISEÑO DE CRUCEROS ESPECIFICACIONES PARA DISEÑO DE CANALES REVESTIDOS DISEÑO DE UNA LINEA DE CONDUCCIÓN POR BOMBEO MÉTODOS DE DISEÑO PLANTA DE BOMBEO ESTUDIOS AUXILIARES

108 124 126 153 166 196 196 198 203 225 228

CAPITULO IV. REGULARIZACIÓN Y ALMACENAMIENTO 4.1. 4.2. 4.3. 4.4.

RÉGIMEN DE DEMANDA Y RÉGIMEN DE APORTACIÓN COEFICIENTE DE REGULARIZACIÓN CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DEL TANQUE DE REGULARIZACIÓN PLANOS TIPOS DE TANQUES SUPERFICIALES Y ELEVADOS

241 250 258 265

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CAPITULO V. REDES DE DISTRIBUCIÓN DEL AGUA 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.5.1. 5.5.2. 5.5.3. 5.5.4.

INFORMACIÓN REQUERIDA PARA EL DISEÑO DE UNA RED TIPOS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN ESPECIFICACIONES MATERIALES Y ACCESORIOS DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN CERRADA MÉTODO DE HARDY CROSS PARA BALANCEO DE CARGAS DISEÑO DE CRUCEROS LISTA DE PIEZAS ESPECIALES Y CUANTIFICACIÓN PLANOS EJECUTIVOS

274 277 290 297 309 309 318 326 333

CAPITULO VI. TRATAMIENTO DEL AGUA 6.1. 6.2. 6.3.

TIPOS DE TRATAMIENTO AL AGUA COMPONENTES DE UNA PLANTA POTABILIZADORA PLANOS

340 348 351

CAPITULO VII. PROCEDIMIENTOS CONSTRUCTIVOS 7.1. CONSTRUCCIÓN DE OBRAS DE CAPTACIÓN 7.1.1 CISTERNAS 7.1.2 GALERIAS FILTRANTES 7.1.3 POZOS SOMEROS Y PROFUNDOS 7.2. CONSTRUCCIÓN DE LÍNEAS DE CONDUCCIÓN Y REDES DE DISTRIBUCIÓN 7.2.1 TENDIDO DE TUBERÍAS EN ZANJAS 7.2.2 TUBERÍAS SOBRE SILLETAS 7.2.3 CONSTRUCCIÓN DE CANALES REVESTIDOS 7.2.4 TENDIDO DE TUBERÍAS EN ZONAS URBANAS 7.3 CONSTRUCCIÓN DE TANQUES Y PLANTA POTABILIZADORA 7.3.1 SUMINISTRO DE EQUIPOS DE BOMBEOS 7.4. PRESUPUESTO E INTEGRACIÓN DE PRECIOS UNITRIOS

357 357 360 367 386 387 398 417 425 432 433

CAPITULO VIII. PROYECTO DE UN SISTEMA DE AGUA POTABLE 8.1. 8.2. 8.2.1. 8.2.2. 8.2.3. 8.2.4. 8.3. 8.4. 8.5.

MEMORIA DESCRIPTIVA DE LA LOCALIDAD MEMORIA DE CALCULO DEL SISTEMA CAPTACIÓN CONDUCCIÓN ALMACENAMIENTO Y REGULARIZACIÓN DISTRIBUCIÓN PLANOS EJECUTIVOS PROGRAMA DE OBRA PRESUPUESTO BIBLIOGRAFIA ANEXOS CUESTIONARIO

441 446 450 452 453 454 459 463 466

Un libro de texto para la enseñanza de la materia de abastecimiento de agua apegado al programa de estudios de la carrera de Ingeniería Civil que se imparten en los Institutos Tecnológicos del país no es la participación única del autor sino un resumen de experiencias propias y ajenas en la tarea de transmitir conocimientos. Un libro de texto no es únicamente para leerlo sino para utilizarlo como instrumento de trabajo. Creo que este trabajo puede considerarse como un libro de texto adecuado a las necesidades del estudiante de la carrera de ingeniería civil. El suministrar agua potable a las comunidades rurales y urbanas es una disciplina de la ingeniería civil que tiene por objeto el proyecto de un sistema de abastecimiento de agua tomando como base los estudios preliminares de carácter socioeconómicos, técnicos de campo y gabinete. El tratar de iniciar la construcción de un sistema de abastecimiento de agua potable sin contar con un proyecto ejecutivo del mismo, es quizá uno de los mayores riesgos que puede correrse en el campo de la ingeniería civil.

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CAPITULO I.- ESTUDIOS Y TRABAJOS PREVIOS 1.1.- ANTECEDENTES HISTÓRICOS Desde los tiempos más remotos el agua ha constituido un factor fundamental en el desarrollo y la estructuración política, social y económica de los pueblos, considerando que el agua es uno de los elementos fundamentales para la vida, gracias a ella el hombre puede desarrollarse y transformarse. El hombre utiliza grandes cantidades de agua para sus actividades cotidianas ( beber, cocinar, lavar, w.c, aseo personal etc.) pero mucho màs para producir alimentos, papel, ropa y demàs productos que consume. La huella hídrica de un paìs se define como el volumen total de agua que se utiliza para producir los bienes y servicios consumidos por sus habitantes. El concepto de huella hídrica fue introducido con el fin de proporcionar información sobre el uso de agua por los diferentes sectores. Los principales factores que determinan la huella hídrica de un paìs son : a) el consumo de agua promedio per càpita, relacionado con el ingreso nacional bruto, b) los hàbitos de consumo de sus habitantes, c) el clima, en particular la demanda evaporativa y d) las pràcticas agrícolas. La huella hídrica mundial por categoría de consumo en el año 2001 fue de: Uso domèstico 4.6 %, Industrial 9.6 % y Agricultura 85. 8 % . La dueña de nuestras vidas es el agua, porque constituye un importante porcentaje en la composición de los tejidos de nuestro cuerpo y de todos los seres vivos, El cuerpo humano de una persona adulta está compuesto en un 60 % por agua. El cuerpo de un niño contiene aproximadamente 75 % de agua. El cuerpo humano puede vivir varias semanas sin alimentos, pero puede sobrevivir sólo unos pocos días sin agua. Unos 220 millones de personas que viven en ciudades de países en desarrollo carecen de una fuente de agua potable cerca de sus hogares. El 90 % de las aguas de desechos de las ciudades de los países en desarrollo se descarga sin tratar en ríos, lagos y cursos de aguas costeras. El hombre requiere de 50 y 250 litros de agua diariamente para satisfacer sus necesidades de tipo domestico. La agricultura consume entre el 60 % y el 80 % de los recursos de agua dulce en la mayoría de los países, y hasta el 90 % en otros. Para la generación de un kilowatt-hora se emplean 4,000 litros promedio. En la industria, para producir un litro de petróleo se necesitan consumir 10 litros de agua; para un kilo de papel 100 litros; para una tonelada de cemento 4,500 litros; y para una tonelada de acero se requieren 20 mil litros. La realidad que se nos presenta hoy, nos obliga a reflexionar sobre la problemática del agua. El agua es un asunto de seguridad nacional. Gobiernos y sociedad estamos haciendo esfuerzos decididos para mejorar la calidad del agua, garantizar su acceso a todos los mexicanos y preservarla para beneficio de nuestros hijos” Acceso al agua potable. El acceso al agua potable se mide por el número de personas que pueden obtener agua potable con razonable facilidad, expresado como porcentaje de la población total. Es un indicador de la salud de la población del país y de la capacidad del país de conseguir agua, purificarla y distribuirla. El agua es esencial para la vida. Sin embargo, más de Mil millones de personas carecen de acceso al agua potable. Casi dos mil millones de personas carecen de acceso a servicios de saneamiento. La mayoría de esas personas vive en países de ingreso bajo y mediano.

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¿ Que es el agua potable y por qué es importante? El agua potable es el agua de superficie tratada y el agua no tratada pero sin contaminación que proviene de manantiales naturales, pozos y otras fuentes. Sin agua potable, la gente no puede llevar una vida sana y productiva. Abundar en el tema de la calidad del agua se torna todavía más complejo, si entendemos que diariamente alrededor de cinco mil personas mueren en el planeta a causa de una enfermedad de origen hídrico y que de éstas, el 90 por ciento son niños. como la Tifoidea, Paratifoidea, disinteria, gastroenteritis, la Bilharziasis y el Cólera. El agua potable escasea porque generalmente se la valora muy poco y se utiliza en forma ineficiente. A medida que la economía de un país se hace más fuerte, y a medida que aumenta su Producto Nacional Bruto ( PNB) per capital, generalmente un mayor porcentaje de la población tiene acceso a agua potable y servicios de saneamiento. En promedio, una persona necesita unos 20 litros de agua potable todos los días para satisfacer sus necesidades metabólicas, higiénicas y domésticas. Históricamente, el desarrollo de los pueblos ha estado estrechamente vinculado con el agua. Los primeros asentamientos humanos de importancia se ubicaron donde el agua estaba disponible. De esta manera tuvieron fácil acceso a ella para usos agrícolas, urbanos y PRE- industriales. Cuando el crecimiento urbano asociado con el incremento de las actividades industriales y del sector terciario llega a superar la disponibilidad del agua local o cercana, se alteran los usos del agua. Así, la empleada en riego, se cambia a la industria o a las ciudades, o bien, resulta obligado el importarla de otras cuencas, a distancias considerables y con altos costos económicos y a veces sociales. El concepto "cultura del agua" se relaciona con la cantidad de información y los conocimientos que uno tiene sobre el recurso, porque sólo así uno toma conciencia sobre la realidad del agua en el mundo y sobre el verdadero problema que enfrentamos como humanidad. Cuando estamos concientes de que en el mundo sólo el 1 por ciento es agua dulce disponible para nuestro uso y que con ella debemos vivir más de seis mil millones de personas, entonces la atención se vuelve mayor. Abundar en el tema de la calidad del agua se torna todavía más complejo, si entendemos que diariamente alrededor de cinco mil personas mueren en el planeta a causa de una enfermedad de origen hídrico y que de éstas, el 90 por ciento son niños. ¿Se acabará el agua? La respuesta es no, sin embargo cada día hay que traerla de más lejos y es menos suficiente para todos. La población crece, pero la cantidad de agua es la misma desde siempre. El ciclo hidrológico hace lo suyo, pero nosotros debemos aprender a respetar la vida de las generaciones futuras. Si bien es cierto que con recursos se podría construir mucha infraestructura, ésta no serviría de nada, ¿cuánto pagaríamos por el agua si no la tuviésemos? el agua que desperdiciamos, se la estamos quitando a alguien más. ¿Es necesario tener a la persona enfrente y negarle un vaso de agua para saber lo que hacemos? Aprendamos más sobre el agua y asumamos la responsabilidad: cuidarla cobrarla pagarla o legislar a su favor. Sólo así protegeremos la vida en nuestro planeta. EL AGUA EN MÉXICO

En los últimos cincuenta años, México pasó de ser considerado como un país con alta disponibilidad de agua percápita, a ser considerado como uno de baja disponibilidad, debido, principalmente, al crecimiento demográfico. Así, mientras que la disponibilidad anual promedio de agua percápita en Europa es de 8,576 m3, en Norte América, de 15,369, en Latinoamérica, de

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38,562, y en África, de 5,488, en México es de 4,986 m3. De hecho, en algunas cuencas hidrográficas del país, como la del Valle de México, la disponibilidad es al menos cinco veces al promedio mundial. En México, se precipita anualmente una lámina promedio de 772 mm sobre el territorio naciona l, que equivalen a un volumen de 1,511 km3 de agua, pero dos terceras partes de ella ocurren en forma torrencial de junio a septiembre, lo que hace muy difícil su aprovechamiento. Además, el 30% de la superficie del país, en el norte, se genera tan solo el 4% del escurrimiento, mientras que en el 20% del territorio, en el sureste y zonas costeras, se genera el 50% del escurrimiento. Estas irregularidades espaciales y temporales plantean un reto especial en el manejo del agua. La distribución de la población y de las actividades económicas agravan ese desequilibrio natural. Así, en las regiones que alojan al 76% de la población y que generan cerca del 77% del PIB, la precipitación pluvial representa solamente el 20% del total en el país. Esto ha producido un a muy fuerte competencia por el recurso, contaminación y sobreexplotación de acuíferos. De acuerdo con los últimos balances disponibles, se estima que el 76.3% del volumen de agua consumido en México se destina a la agricultura, el 17% al uso público, el 5.1% a la industria, el 1.4% a la acuacultura y el 0.2% a procesos de enfriamiento en plantas termoeléctricas.

La cobertura nacional de agua potable es del 86% y la de alcantarillado, del 72%, por lo que cerca de 13 millones de habitantes carecen de agua potable y 27 millones, de alcantarillado. La situación es aún más preocupante en el medio rural, en el que se estima que las coberturas son de 64% para agua potable y 32% para alcantarillado. Las pérdidas de agua pota...