UNIDAD V
FUENTES DE ABASTECIMIENTO
5.1 Generalidades:
La elección de la fuente de abastecimiento de agua, ya sea superficial, subterránea o pluvial, debe cumplir requisitos mínimos de cantidad, calidad y localización
1. Cantidad: La fuente de abastecimiento debe tener una caudal superior al caudal de diseño en cualquier época del año, de manera que se pueda garantizar un suministro continuo. Se debe, entonces, realizar estudios hidrológicos que permitan establecer las curvas de duración de caudales para corrientes superficiales, o pruebas de equilibrio para fuentes subterráneas. En la siguiente tabla se muestra algunas dotaciones para consumo humano y de ciertos animales domésticos.
Tabla 5.1
Consumo de agua de humanos y animales domésticos
Consumidor Zona Medios de distribución Dotación (l/p-d)
Personas Rural Bomba de mano 25
Puesto público 25
Urbana Conexión de patio 100
Conexión domiciliar 150 – 250
Consumidor Dotación (l/p-d)
Animales Caballo, burro, buey 35
Vaca lechera (solo bebida) 45
Vaca lechera (bebida y aseo) 100 Cerdo (bebida y aseo de la porqueriza) 15
Oveja, chivo 8
Gallinas (por cada 100) 15
2. Calidad: El agua de fuente de abastecimiento deberá ser examinada con el objeto de determinar las características siguientes:
- Bacteriológicas - Físicas
- Químicas - Biológicas
Tabla 5.2
Parámetros Físicos – Químicos de calidad de agua Parámetros Físicos – Químicos
Parámetro Unidad Valor recomendado Valor máximo admisible
Temperatura ° c 18 a 30
-Iones hidrógeno pH 6.5 – 8.5(1)
Cloro residual mg/l 0.5 – 1.0 (2)
Cloruros mg/l 25 250
Conductividad us/cm 400
-Dureza mg/l CaCO3 400
-Sulfatos mg/l 25 250
Aluminio mg/l - 0.2
Calcio mg/l CaCO3 100
-Cobre mg/l 1 2.0
Magnesio mg/l MgCO3 30 50
Sodio mg/l 25 200
Potasio mg/l 10
Sólidos Totales Disueltos
mg/l 1000
Zinc mg/l 3.0
Parámetros Organolépticos
Parámetro Unidad Valor recomendado Valor máximo admisible
Color Verdadero mg/l (pt-Co) 1 15
Turbiedad UNT 1 5
Olor Factor de
dilución
0 2 a 12°c
3 a 25°c
Sabor Factor de
dilución
0 2 a 12°c
3 a 25°c Parámetros Biológicos y Microbiológicos
Parámetro Unidad Valor recomendado Valor máximo admisible Agua distribuida en tuberías:
Agua sometida a tratamiento que entra al sistema de distribución: Bacterias
coniformes fecales
NMP/100 ml
0 Turbiedad para la desinfección con el cloro es preferible un pH igual a 8.0 con 0.2 a 0.5 mg/l de
cloro residual libre, después de 30 minutos de contactos NMP/100
ml 0
Agua no sometida a tratamiento que entra al sistema de distribución Bacterias
coniformes fecales
NMP/100 ml
0 El 98% de las muestras examinadas durante el año en
grandes sistemas y se examinan suficientes muestras Bacterias coliformes NMP/100 ml 0 Bacterias
coliformes fecales NMP/100ml 3 muestras pero no en muestrasOcasionalmente en algunas consecutivas
(1) Las aguas deben ser estabilizadas de manera que no produzcan efectos corrosivos ni incrustantes en las tuberías.
El número de muestra a tomar para el control bacteriológico de un sistema de abastecimiento depende del tamaño del mismo, a continuación se muestra en la tabla 5.3.
Tabla 5.3
Número de muestra de acuerdo al tamaño de la población
Población servida Número mínimo de pruebas bacteriológicas mensuales
< 2,500 1
Hasta 10,000 7
Hasta 25,000 25
Hasta 100,000 100
Hasta 1,000,000 300
Hasta 2,000,000 390
Hasta 3,000,000 450
3. Localización: La fuente de agua debe estar ubicada en un sitio tal que su captación y conducción resulten técnica y económicamente factibles. Adicionalmente se debe tener en cuenta para su localización los dos factores anteriores.
5.2.- Información necesaria para el agua subterránea:
Para el abastecimiento por aguas subterráneas se debe obtener la siguiente información:
- Geológica: Información geológica y estratigráfica. Características de los acuíferos (magnitud, espesor, límites, etc.) Propiedades físicas de los acuíferos (permeabilidad, rendimiento específico, permeabilidad de los acuíferos adjuntos, coeficiente de almacenamiento, etc.)
- Hidrogeológico: Nivel piezométrico para el cual es necesario conocer la profundidad y los cambios de altura de las capas freáticas.
- Parámetros Hidrometeorológicos: Precipitación anual, escorrentía y posibles recargas al sub-suelo, pérdidas por evaporación, transpiración y descarga de aguas subterráneas.
- Calidad del agua: Características minerales del agua del acuífero.
Agua Subterránea:
Movimientos del agua subterránea son posibles solamente cuando existen vacíos conectados entre sí en el suelo o la roca. Si no existen vacíos de cualquier tipo, o si los vacíos existentes están aislados (como burbujas de gas en un basalto, por ejemplo) no se producen movimientos del agua.
1. Vacíos de espacio poroso
Los poros representan el único tipo de vacíos que poseen las rocas no-consolidadas (suelos y sedimentos sueltos como arena, grava etc.). Como poros se entiende los espacios libres entre las partículas del suelo o de rocas sedimentarías clásticas.
2. Vacíos de espacio de grietas
Las grietas, fracturas y diaclasas son los tipos de vacíos principales e importantes en todas las rocas consolidadas (rocas sedimentarias como arenisca; rocas magmáticas o metamórficas como granito, andesita, pizarra etc.)
No obstante, rocas sedimentarais (como conglomerados y areniscas, por ejemplo) cuentan a veces con una porosidad muy elevada.
Algunas rocas volcánicas también pueden tener un espacio poroso notable.
Los vacíos tipos "karst" son una forma especial de los vacíos de grietas en rocas solubles como caliza (incluyendo espacios muy grandes como las cuevas).
La siguiente tabla muestra algunas propiedades hidrogeológicas básicas de diferentes rocas. Como "roca" se entiende rocas sólidas, consolidadas (como caliza, arenisca, granito, etc.) y rocas no-consolidadas como suelos y depósitos cuaternarios).
Tabla 5.4 Tipo de roca Tipos de
vacíos
Porosidad Permeabilidad Caudal máximo de manantiales [l/min]
Grava Poros elevada Elevada 3800
Arena Poros elevada Elevada 1000
Arcilla Poros elevada muy baja < 4 Arenisca poco cementada poros y fisuras variable, generalmente elevada generalmente elevada hasta 800 Caliza poros, fisuras y cavernas
muy variable variable, generalmente elevada 1700 frecuente; hasta 1.000.000 Roca Piroclástica poco cementada
poros elevada variable, generalmente elevada hasta 2400 Basalto poros, fisuras y cavernas
variable variable entre 1700 y 3800 frecuente
Riolita poros y fisuras variable, generalmente baja variable, generalmente baja
entre 4 y 100 frecuente Granito no
alterado
fisuras muy baja (casi nulo)
muy baja 4 - 40 frecuente Gneis fisuras muy baja muy baja < 40
Estratos que permiten un flujo del agua son llamadas "acuífero", estratos que no lo permiten son llamadas "acuífugo". (También existen las palabras "acuicludo" o "acuitardo" para estratos que permiten solamente un flujo muy limitado.)
Hay que tomar en cuenta, que un acuífugo no necesariamente es una roca "impermeable".
(Ejemplo: Habitualmente una arcilla es considerada como un acuífugo, aunque no es un estrato absolutamente impermeable. También a través de la arcilla puede producirse un flujo de agua subterránea pero extremadamente lento. En cambio, una formación de sal de roca puede ser considerada como totalmente
impermeable.)
Sobre todo en formaciones sedimentarías muchas veces se observa que hay alternaciones de varios estratos "permeables" e "impermeables", o sea, una alternación de diferentes acuíferos y acuífugos. Cada uno de los acuíferos puede ser permanentemente o temporalmente lleno o parcialmente lleno con agua subterránea.
Tipos de Acuíferos:
Desde el punto de vista de su formación se pueden distinguir los siguientes tipos de acuíferos: Acuífero libres o freáticos, acuíferos confinados y acuíferos
colgantes. Estos se muestran en la figura No 5.1
Figura No 5.1
Diferentes tipos de acuíferos
5.3 Agua superficial:
Determinación de la capacidad de la fuente de agua superficial:
El conocimiento de la variación del caudal que fluye por una determinada sección de un cauce natural es de gran importancia, ya que se conoce que cantidad de agua hay disponible para ser utilizada en el consumo humano, ya sea uso doméstico, industrial u otro uso.
Los métodos para determinar el caudal de una fuente de agua superficial son: aforo volumétrico, vertederos, trazadores químicos, limnimetro, limnigrafo, molinete, etc.
1.- Aforo Volumétrico: Se aplica generalmente para medir pequeños caudales en corrientes naturales.
Este método consiste en medir el tiempo que gasta el agua en llenar un recipiente de volumen conocido para lo cual, el caudal es fácilmente calculable con la ecuación de continuidad (Q = Vt)
Figura 5.2 Aforo Volumétrico
2.- Trazadores:
Trazadores fluorescente o colorantes: El empleo de colorantes para medir la velocidad del flujo en corrientes naturales de agua es uno de los métodos más sencillos. Se elige la sección de aforo, en la que el flujo es constante y uniforme, se agrega el colorante en el extremo de aguas arriba y se mide el tiempo de llegada al extremo de aguas abajo.
Trazadores químicos y radioactivos: Es un método adecuado para corrientes turbulentas como las de montañas. Estos trazadores se utilizan de dos maneras: aforadores químicos, esto es, para determinar el caudal total de una corriente y medidores de velocidad de flujo.
En los aforos químicos y radioactivos, se inyecta una tasa constante qt, de la
sustancia química, radioactiva o trazador, de concentración conocida, Cti, a la
corriente cuyo caudal, Q, desee determinarse y cuya concentración de la sustancia, Ca, en la corriente, también se conoce. A una distancia corriente abajo,
suficientemente grande para asegurar que se han mezclado totalmente el trazador y el agua, se toman muestras de ésta, y se determina la concentración de la sustancia química o radioactiva,
El caudal de la corriente se puede determinar, entonces, empleando la siguiente ecuación.
Q = q t * (Cti – Ct ) Ct - Ca
3.- Aforo con flotadores: Son los más sencillos de realizar, pero también son los más imprecisos; por lo que, su uso queda limitado a situaciones donde no se requiera mayor precisión.
El caudal se obtiene multiplicando la velocidad media en el tramo de corriente por el área de la sección transversal. La velocidad superificial de la corriente, Vs, se toma igual a la velocidad del flotador y se calcula mediante la relación entre el espacio recorrido y el tiempo de viaje.
Q = V * Área
Vs = Longitud / tiempo
La velocidad media de la corriente Vm, es del orden de 0.75 a 0.90 Vs, donde el valor mayor se aplica a las corrientes más profundas y rápidas. Usualmente la Vm = 0.85 Vs
4.- Aforo con Molinete o Correntómetro: El procedimiento consiste en dividir la sección transversal de la corriente, en pequeñas secciones. Luego se mide la velocidad de la corriente de agua a diferentes profundidades, dependiendo de la profundidad de la sección analizada, esto porque la velocidad varía con la profundidad, y con la ubicación en relación a las paredes laterales del canal.
Figura 5.3 Molinete
Cada molinete tiene su ecuación para medir la velocidad, por ejemplo, para el correntómetro Prince's Electric Currentmeter No 17110B, Serial No 101-A, la ecuación de calibración para la velocidad, en m/s es:
V = 0.019 + 0.702 N Donde:
V: Velocidad (m/s) N: Número de vuelta
Para determinar la velocidad media de una sección se puede tomar una medida o varias con el molinete, por ejemplo: para corrientes con poca profundidad, la medida se toma a 0.6h, donde h: es la profundidad total del flujo en la parte media de esa sección, se mide desde la superficie hacia el fondo de la corriente. Para profundidades un poco mayor, se toman dos medidas, a 0.2h y 0.8h, y la velocidad media, es el promedio entre las dos medidas.
Vm = (V0.2h + V0.8h) / 2
Finalmente para grandes profundidades se toman tres medidas, a 0.2h, 0.6h y 0.8h, la velocidad media será:
Vm = (V0.2h + 2V0.6h + V0.8h) / 4
El caudal de cada sección será: q = Vm * Área
El caudal total: Q = Σq
Figura 5.4
5.- Vertederos: Es una simple abertura sobre la cual fluye un líquido. Los vertederos se pueden clasificar de diferentes maneras según su forma, el espesor de la pared, el tipo de descarga y el número de contracciones laterales.
Los vertederos más utilizados por su facilidad de construcción y calibración son los rectangulares y triangulares. Los vertederos pueden ser de pared delgada y gruesa, el más común en mediciones de corrientes superficiales es el de pared delgada. Pueden trabajar en descarga libre o parcialmente sumergida, pero es más conveniente la descarga libre.
Vertederos triangulares: Estos caudales representan un excelente método para medir caudales pequeños (inferior a 30 l/s) y carga de 6 cm hasta 60 cm. En flujo entre 40 y 300 l/s son más precisos que los vertederos rectangulares, pero para caudales mayores es recomendado este último. Ver figura 5.5 La ecuación de un vertedero triangular con un ángulo de 90° y un coeficiente de contracción de C` = 0.60 es:
Q = 1.42 H2.5
Donde:
Q: Caudal (m3/s)
H: Altura de carga sobre el vertedero (m)
Vertederos rectangulares: Los vertederos rectangulares de cresta delgada en general se utilizan para caudales entre 200 y 1000 l/s. La ecuación para un vertedero rectangular de cresta delgada sin contracciones laterales y coeficiente de descarga aproximadamente 0.60 la ecuación es:
Q = 1.83 LH3/2
Figura 5.6
Para un adecuado funcionamiento del vertedero y una medición confiable se recomiendas los siguientes límites:
B – L ≥ 4 h
h / P = ≤ 0.5, hasta un máximo de h /P ≤ 2 h / L ≤ 0.5
3 cm ≤ h ≤ 60 cm L ≥ 15 cm
P ≥ 10 cm
6.- Canaleta Parshall: El aforador Parshall es una estructura hidráulica que permite medir la cantidad de agua que pasa por una sección de un canal. Consta de cuatro partes principales:
Transición de entrada Sección convergente Garganta
Sección divergente
En la transición de entrada, el piso se eleva sobre el fondo original del canal, con una pendiente suave y las paredes se van cerrando, ya sea en línea recta o circular. En la sección convergente, el fondo es horizontal y el ancho va disminuyendo. En la garganta el piso vuelve a bajar para terminar con otra pendiente ascendente en la sección divergente.
Figura 5.8
Debido a su diseño no es posible la acumulación de sedimentos en ningún punto del medidor que pueda obstaculizar, lo cual lo hace ideal para el caso de agua con mucho material sedimentable. Existen en una gran variedad de materiales, por ejemplo: mampostería, concreto, acrílico y material sintético.
El flujo a través del medidor puede ser de descarga libre o descarga sumergida. En el primer caso, la lámina vertiente es independiente de las condiciones aguas abajo del canal y basta tomar una sola lectura (H1) para obtener el caudal.
Figura 5.9
La sumergencia está dada por la relación entre los niveles H2 / H1y la condición de descarga libre se determina según el ancho de la garganta (W) así:
Descarga libre: W < 9¨ (23 cm) y H2 / H1 < 60% W > 1´ (30 cm) y H2 / H1 < 70%
La condición de descarga ideal es la descarga libre pero en ningún caso se debe operar con sumergencias mayores de 95%. Las dimensiones del medidor son dadas en función del ancho de la garganta. La selección más adecuada de la canaleta Parshall se hace teniendo en cuenta el caudal y el ancho del canal, lo recomendable en general tomar el ancho de la garganta como 1/3 o ½ del ancho del canal. El intervalo de medición de la canaleta Parshall está dado en la tabla 5.5
Tabla 5.5
Caudales máximo y mínimo según las dimensiones del Canal Parshall
Ancho de Garganta Q (l/s)
Centímetros mínimo máximo
7.6 0.85 53.8
15.2 1.52 110.4
22.9 2.55 251.9
30.5 3.11 455.6
45.7 4.25 696.2
61.0 11.89 936.7
122 36.79 1921.5
183 74.40 2929.0
