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Universidad de La Salle Universidad de La Salle Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería 2021 Identificación de puntos críticos de la red de alcantarillado de Identificación de puntos críticos de la red de alcantarillado de Ocaña norte de Santander mediante la modelación en la Ocaña norte de Santander mediante la modelación en la herramienta EPASWMM herramienta EPASWMM José Manuel Llain Torrado Universidad de La Salle, Bogotá, jllain99@unisalle.edu.co Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil Citación recomendada Citación recomendada Llain Torrado, J. M. (2021). Identificación de puntos críticos de la red de alcantarillado de Ocaña norte de Santander mediante la modelación en la herramienta EPASWMM. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil/933 This Trabajo de grado - Pregrado is brought to you for free and open access by the Facultad de Ingeniería at Ciencia Unisalle. It has been accepted for inclusion in Ingeniería Civil by an authorized administrator of Ciencia Unisalle. For more information, please contact ciencia@lasalle.edu.co. https://ciencia.lasalle.edu.co/ https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil https://ciencia.lasalle.edu.co/fac_ingenieria https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil?utm_source=ciencia.lasalle.edu.co%2Fing_civil%2F933&utm_medium=PDF&utm_campaign=PDFCoverPages https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil/933?utm_source=ciencia.lasalle.edu.co%2Fing_civil%2F933&utm_medium=PDF&utm_campaign=PDFCoverPages mailto:ciencia@lasalle.edu.co 1 Identificación De Puntos Críticos De La Red De Alcantarillado De Ocaña Norte De Santander Mediante La Modelación En La Herramienta EPASWMM Jose Manuel Llain Torrado Facultad de Ingeniería civil, Universidad de La Salle Ing. Alejandro Franco Rojas. Mag. 18 de mayo del 2021 2 Agradecimientos El autor expresa su agradecimiento a: Ingeniero Alejandro Franco Rojas. Magister en ingeniería – Recursos hidráulicos. Por la colaboración y apoyo prestado a este trabajo investigativo. Los docentes de la línea de investigativa de la Universidad de La Salle que contribuyeron a mi formación profesional en esta área. 3 Dedicatoria Dedico cada uno de los logros que deriven de mi educación, a mis abuelos, padres y hermanos, que son las personas en las que siempre pienso para seguir adelante, para demostrarles todo mi agradecimiento por su sacrificio, perseverancia y apoyo incondicional. Jose Manuel Llain Torrado 4 Tabla de Contenido Agradecimientos ................................................................................................................ 2 Dedicatoria......................................................................................................................... 3 Tabla de Contenido ........................................................................................................... 4 Lista de Tablas .................................................................................................................. 6 Lista de Figuras ................................................................................................................. 7 Resumen ........................................................................................................................... 12 Introducción .................................................................................................................... 13 Descripción del Problema............................................................................................... 14 Objetivos .......................................................................................................................... 15 Objetivo General ........................................................................................................... 15 Objetivos Específicos.................................................................................................... 16 Marco de Referencia ....................................................................................................... 17 Marco Conceptual ......................................................................................................... 17 Marco Teórico ............................................................................................................... 22 Metodología y Materiales ............................................................................................... 42 Recopilación de Información ........................................................................................ 42 Análisis de Información ................................................................................................ 43 Resultados ........................................................................................................................ 46 5 Niveles de Complejidad del Sistema ............................................................................ 52 Periodo de Diseño ......................................................................................................... 52 Proyección Poblacional ................................................................................................. 52 Crecimiento Logarítmico .......................................................................................... 53 Dotación Neta ............................................................................................................... 53 Caudal de Aguas Residuales Domesticas ..................................................................... 54 Geometría del Sistema de Alcantarillado Actual ......................................................... 56 Especificaciones técnicas .............................................................................................. 57 Modelación EPASWMM ................................................................................................ 58 Asignación de nodos ..................................................................................................... 59 Asignación de tramos .................................................................................................... 59 Asignación de Serie Temporal (Evento de Lluvia)................................................... 61 Asignación de Pluviómetro ....................................................................................... 62 Asignación de Subcuencas ........................................................................................ 63 Resultados ........................................................................................................................ 64 Conclusiones .................................................................................................................. 117 Bibliografía .................................................................................................................... 120 6 Lista de Tablas Tabla 1. Periodos de retorno. ........................................................................................... 29 Tabla 2. Valores para coeficiente de escorrentía. ............................................................ 32 Tabla 3 .Periodos de retorno de diseño. ........................................................................... 34 Tabla 4. Valores de coeficiente de rugosidad de Manning para conductos cerrados. ..... 37 Tabla 5. Velocidad de diseño máxima para conductos cerrados. ..................................... 38 Tabla 6. Precipitación máxima anual en 24 horas en la estación Rio de Oro. .................. 47 Tabla 7. Variables estadísticas para los datos de precipitación máxima anual registrados. .......................................................................................................................................................47 Tabla 8. Valores de intensidad – duración - frecuencia para duraciones de hasta 12 horas. ....................................................................................................................................................... 50 Tabla 9. Distribución de caudal sanitario en la modelación. ........................................... 55 Tabla 10. Coeficientes de Manning utilizados en el modelo digital. ............................... 60 Tabla 11. Capacidad horaria de las tuberías del tramo critico comuna 1. ....................... 68 Tabla 12. Capacidad horaria de las tuberías del tramo critico comuna 2. ....................... 79 Tabla 13. Capacidad horaria de las tuberías del tramo critico comuna 3. ....................... 86 Tabla 14. Capacidad horaria de las tuberías del tramo critico comuna 4. ....................... 92 Tabla 15. Capacidad horaria de las tuberías del tramo critico comuna 5. ....................... 97 Tabla 16. Capacidad horaria de las tuberías del tramo critico comuna 6. ..................... 107 Tabla 17 .Puntos críticos localizados catastralmente. .................................................... 110 7 Lista de Figuras Figura 1. Problema y obra de alcantarillado en el barrio La Perla del municipio de Ocaña. ........................................................................................................................................... 15 Figura 2. Alcantarillado Combinado. .............................................................................. 24 Figura 3. Esquematización de curva IDF......................................................................... 34 Figura 4. Características de flujo de una sección circular. .............................................. 40 Figura 5. Red de alcantarillado del municipio de Ocaña ................................................. 42 Figura 6. Agua producida y facturada en el municipio de Ocaña, 2018. ......................... 45 Figura 7. Ubicación de estación Rio de Oro Utilizada en el estudio. .............................. 46 Figura 8.Curva IDF – Estación Pluviométrica RIO DE ORO [16050060]. .................... 51 Figura 9. Hietograma obtenido de los datos meteorológicos con periodo de retorno de 10 años. .............................................................................................................................................. 52 Figura 9. Datos de consumo total empresa de servicios públicos Ocaña. ....................... 54 Figura 9. Asignación de subcuencas. ............................................................................... 56 Figura 9. Chequeo de equilibrio de caudal. ..................................................................... 56 Figura 10. Mapa base del municipio de Ocaña, con nodos, tramos y cuencas asignados. ....................................................................................................................................................... 58 Figura 11. Datos suministrados a nodos. ......................................................................... 59 Figura 12. Datos solicitados para tramos de tubería. ...................................................... 60 8 Figura 13. Edición de serie temporal. .............................................................................. 61 Figura 14. Hietograma, representado como serie temporal en EPASWMM.................. 62 Figura 15. Asignación de pluviómetro. ........................................................................... 62 Figura 16. Asignación de subcuencas. ............................................................................ 63 Figura 17. Sectorización por comuna Ocaña. .................................................................. 65 Figura 18. Capacidad de las tuberías de la comuna 1 para la hora crítica e identificación del tramo de análisis...................................................................................................................... 67 Figura 19.Capacidad de las tuberías para el periodo de modelación en el tramo de análisis en la comuna 1. ................................................................................................................ 68 Figura 21. Tramos de funcionamiento crítico. ................................................................. 70 Figura 22. Perfil de tuberías para el sector San Francisco (Carrera 10 entre calles 12 y 5) ....................................................................................................................................................... 71 Figura 24. Encharcamiento y rebose del sistema de alcantarillado en el Parque San Francisco (02/08/2021). ................................................................................................................ 71 Figura 25. Pozo presurizado en el sector San Francisco durante un día seco. ................. 72 Figura 26. Ubicación catastral de tramo crítico hallado en sector................................. 72 Figura 27. Perfil de tramos de tubería para el sector especificado (Carrera 13 entre calles 13 y 8) ........................................................................................................................................... 73 Figura 28. Revisión en campo del estado del sistema por medio de CCTV.................... 74 9 Figura 29. Estado de colector en zona interior para tramo aferente de zona critica identificada. ................................................................................................................................... 74 Figura 30. Tramos con excedencia de capacidad en la comuna 1, para caudal sanitario. 76 Figura 31. Perfil de tubería para zona con excedencia de capacidad, comuna 1. ............ 76 Figura 32. Perfil de tubería para zona con excedencia de capacidad. ............................. 77 Figura 33. Capacidad de las tuberías de la comuna 2 para la hora crítica e identificación del tramo de análisis...................................................................................................................... 78 Figura 34. Capacidad de las tuberías para el periodo de modelación en el tramo de análisis en la comuna 2. ................................................................................................................ 79 Figura 36. Tramos de tubería con excedencia de capacidad, zona comuna 2. ................ 81 Figura 38. Tramos con excedencia de capacidad para caudal sanitario en el sector. ...... 82 Figura 39. Perfil de tubería con capacidad excedida, sector Santa Marta. ...................... 82 Figura 40. Perfil de tubería con capacidad excedida Sector El Llano Echávez............... 83 Figura 41. Perfil de tubería con capacidad excedida, Sector El Tope. ............................ 84 Figura 42. Capacidad de las tuberías de la comuna 3 para la hora crítica e identificación del tramo de análisis...................................................................................................................... 85 Figura 43. Capacidad de las tuberías para el periodo de modelación en el tramo de análisis en la comuna 3. ................................................................................................................ 85 Figura 44. Perfil de tuberías con excedencia de capacidad para la comuna 3. ................ 88 Figura 46. Perfil de tuberías y pozos en rebose para sector comuna 3. ........................... 89 10 Figura 48. Tramo con excedencia de capacidad en la comuna 3. .................................... 89 Figura 49. Ubicación catastral del tramo presurizado comuna 3. .................................... 90 Figura 50. Capacidad de las tuberías de la comuna 4 para la hora critica e identificación del tramo de análisis...................................................................................................................... 91Figura 51. Capacidad de las tuberías para el periodo de modelación en el tramo de análisis en la comuna 4. ................................................................................................................ 92 Figura 52. Perfil de los tramos de tubería con excedencia de capacidad en el sector. .... 94 Figura 52. Capacidad de las tuberías de la comuna 4 caudal sanitario e identificación del tramo de análisis. .................................................................................................................... 95 Figura 54. Capacidad de las tuberías de la comuna 5 para la hora critica e identificación del tramo de análisis...................................................................................................................... 96 Figura 55.Capacidad de las tuberías para el periodo de modelación en el tramo de análisis en la comuna 5. ................................................................................................................ 96 Figura 56.Perfil de tuberías para tramos con excedencia de capacidad y lámina de agua elevada, comuna 5. ........................................................................................................................ 98 Figura 59. Zona del sector especifico critico identificada en la modelación hidráulica. ....................................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Figura 60. Perfil de tramos de tubería para el sector especificado. ............................... 100 Figura 61. Ubicación catastral de tramo crítico hallado en la comuna 5. ...................... 100 Figura 62. Perfil de tramos de tubería para el sector especificado. ............................... 102 Figura 63. Zona del sector especifico rebosada. Cra. 33, La Primavera ....................... 102 11 Figura 64. Tramos con excedencia de capacidad para caudal sanitario en el sector. .... 103 Figura 65. Perfil de tubería con capacidad excedida, sector Primero de Mayo. ............ 104 Figura 66. Perfil de tubería con capacidad excedida, sector Iglesia del Fátima. ........... 104 Figura 67. Perfil de tubería con capacidad excedida, sector Estación de Bomberos. .... 105 Figura 68. Capacidad de las tuberías de la comuna 6 para la hora critica e identificación del tramo de análisis.................................................................................................................... 106 Figura 69. Capacidad de las tuberías para el periodo de modelación en el tramo de análisis en la comuna 6. .............................................................................................................. 106 Figura 69. Perfil de tuberías para tramos con excedencia de capacidad en el sector. ... 108 Figura 69. Perfil de tuberías para tramos con excedencia de capacidad en el sector. ... 109 Figura 73. Tramos de funcionamiento crítico COMUNA 1 registro fotográfico. Izq(Cra. 11B, El Torito #6-05), derecha(Carrera 4ª #10-23 ) ................................................................... 113 Figura 74. Tramos de funcionamiento crítico COMUNA 3 registro fotográfico. Izq(Cra. 9 #12-09), Derecha (Cra. 9 #1266 a 1324) ................................................................................. 114 Figura 75. Tramos de funcionamiento crítico COMUNA 5 registro fotográfico. Izq(Cra. 33, La Primavera), Centro (Cra. 35, La Primavera #888 a 936), derecha(Cra. 38, Las Palmeras) ..................................................................................................................................................... 115 Figura 76. Zona del sector especifico rebosada. Cra. 29 con Avenida Francisco Fernadez ..................................................................................................................................................... 115 Figura 77. Colector Río Tejo, evento de precipitación considerable. Br. Bruselas ....... 116 12 Resumen El acueducto y alcantarillado del municipio de Ocaña, opera bajo la concesión de E.S.P.O S. A, el servicio de alcantarillado es suministrado a un total de 31068 usuarios entre todos los estratos, mediante un sistema de alcantarillado mixto. El presente proyecto brinda criterios que permiten optimizar la prestación del servicio, para ello se implementaron los conocimientos técnicos por medio de una modelación hidráulica del sistema en el software EPASWMM, identificando en este los puntos críticos en los cuales producto del crecimiento poblacional, el área urbana y una mayor impermeabilización del suelo ha ocasionado fenómenos como reflujo de aguas residuales, presurización del sistema, insuficiencia de drenaje, rebose en los pozos e inundación por encharcamiento. Inicialmente se recopiló información precisa para la modelación de la red de alcantarillado, incluyendo: la ubicación y las características de las redes de tuberías, los puntos de vertimiento, información de consumo de agua potable, distribución de la población, información hidrológica y especificaciones de la PTAR. Lo anterior se complementó con trabajo de campo tendiente a verificar especificaciones de la red de alcantarillado como puntos de vertimiento y estructuras especiales, de esta manera realizar la respectiva modelación. Producto de la modelación hidráulica se encontró que el sistema de alcantarillado existente presenta puntos críticos en todas las comunas del territorio municipal, haciendo que el sistema no tenga la capacidad de responder a los altos niveles de exigencia debido a su característica de funcionamiento mixto, entendiendo lo anterior, se identifica la necesidad de reemplazar conductos específicos a lo largo del sistema de manera tal que se aumente el diámetro y la capacidad de los diferentes colectores y la funcionalidad del sistema en el futuro. 13 Introducción Los sistemas de alcantarillado son indispensables para garantizar calidad de vida y salubridad a diferentes grupos de poblaciones producto de sus estilos de vida y necesidades biológicas, así como de eventos climáticos específicos, teniendo en cuenta lo anterior es indispensable considerar el factor de crecimiento poblacional y la pérdida de capacidad de servicio a medida que avanza el paso del tiempo y consecuentemente se aumentan las exigencias de uso para los componentes de los sistemas de drenaje o alcantarillado, teniendo en cuenta lo anterior, es entendible la aparición de ciertos fenómenos específicos como lo son el rebose de tuberías e inundaciones, la incapacidad de drenaje y conducción de caudales asociados a eventos de precipitación con alta intensidad, desembocando esto en eventos que ponen en riesgo a los usuarios del sistema, a su seguridad y la de sus bienes, haciendo necesario el monitoreo de los diferentes sistemas y su funcionamiento bajo diferentes condiciones de exigencia. Teniendo en cuenta la dificultad del análisis físico de todos los componentes del sistema en zonas de alta densidad territorial y poblacional, la modelación hidráulica es una herramienta ideal para lograr gestionar sistemas complejos o de gran extensión, permitiendo establecer la respuesta del sistema, las fallas o deficiencias, sus posibles causas y alternativas para lograr la funcionabilidad del sistema y la seguridad del mismo. 14 Descripción del Problema El acelerado crecimiento poblacional ha ocasionado que muchos municipios del país se vean en la necesidad de ampliar las redes de distribución y recolección de aguas, en ocasiones siguiendo procesos de renovaciones de los sistemas existentes de alcantarillado, pero con frecuencia, limitándose a su ampliación mediante la menor modificación posible, lo cual, sumado al deterioro de las redes por el paso del tiempo, implica una progresiva saturación del sistema. Las proyecciones demográficas hechas por el DANE para el caso del municipio deOcaña (Norte de Santander), arrojaban una población total de 129.308 habitantes para el año 2020, sumado al constante crecimiento, resulta necesario implementar la modelación de la red principal del sistema de alcantarillado para lograr diagnosticar su funcionamiento y garantizar la seguridad del sistema en el futuro. Ocaña es un municipio que, como otros, no cuentan con los recursos económicos y profesionales para evaluar el sistema de acueducto y alcantarillado con un software que les permita modelar y evaluar de manera dinámica el comportamiento de la infraestructura. Sin embargo, en varios sectores del municipio son evidentes problemas como el rebose de las alcantarillas, el encharcamiento de las vías y el vertimiento a cuerpos de agua superficiales. Muestra de ello, la Secretaría de Vías, Infraestructura y Vivienda del municipio de Ocaña adelanta la construcción de un tramo de alcantarillado pluvial en el barrio La Perla con el fin de proteger a la biblioteca pública Chaid Neme. 15 Figura 1. Problema y obra de alcantarillado en el barrio La Perla del municipio de Ocaña. Fuente: Propia. Esta obra se desarrolla con apoyo de la comunidad, la administración municipal aporta las tuberías de aguas pluviales y el material de receba para lograr la estabilidad, logrando apaciguar el desgaste y deterioro que venía presentando la estructura de la biblioteca Chaid Neme con un posible desplome o afectación de la misma. Formulación del Problema ¿La modelación hidráulica de la red de alcantarillado del municipio de Ocaña permite la identificación de puntos críticos con potencial de reflujo de aguas residuales, presurización del sistema, insuficiencia de drenaje, rebose en los pozos e inundación por encharcamiento? Objetivos Objetivo General Identificar los puntos críticos del sistema de alcantarillado del municipio de Ocaña, Norte de Santander mediante la utilización del software de código libre EPASWMM. 16 Objetivos Específicos • Establecer el caudal pluvial y sanitario que ingresa a la red de alcantarillado del municipio de Ocaña para utilizarlo como dato de entrada de la modelación del sistema dentro de EPASWMM. • Representar los elementos y funcionamiento de la red de alcantarillado dentro del modelo. • Identificar y caracterizar los puntos críticos del sistema de alcantarillado mediante la modelación hidráulica en EPASWMM. 17 Marco de Referencia Marco Conceptual Acometida: Derivación de la red local de acueducto que llega hasta el registro de rueda en el punto de empate con la instalación interna del inmueble. En edificios de propiedad horizontal o condominios, la acometida llega hasta el registro de corte general. Agua cruda: Agua superficial o subterránea en estado natural; es decir, que no ha sido sometida a ningún proceso de tratamiento. Agua potable: Agua que por reunir los requisitos organolépticos, físicos, químicos y microbiológicos es apta y aceptable para el consumo humano y cumple con las normas de calidad de agua. Cabeza de presión: Presión manométrica en un punto, expresada en metros de columna de agua, obtenida como la razón entre la magnitud de la presión y el peso específico del agua. Caudal: Cantidad de fluido que circula a través de una sección del ducto (tubería, cañería, oleoducto, río, canal, etc.) por unidad de tiempo. Cuenca: Es el lugar en donde se depositará las aguas recolectadas por el sistema de alcantarillado y las aguas que escurren por la superficie. Igualmente, para la Comisión Nacional del agua (2007) una cuenca se define como: El área del terreno donde el agua de lluvia que cae sobre su superficie y que no se infiltra, es conducida hasta un punto de salida (cuenca abierta) o de almacenamiento (cuenca cerrada). Es importante aclarar que el tamaño de una cuenca depende de la ubicación del punto de salida. Dentro de la cuenca se considera la existencia de una corriente principal y de tributarios, que son afluentes de la primera. (pp.101) 18 Drenaje: Tiene como función principal evacuar las aguas acumuladas en depresiones topográficas causadas por las precipitaciones, hasta donde se puedan verter (afluente) o se traten para el uso humano (Cruz, 1995). El drenaje es importante para el flujo del agua en suelos que tienen pendientes bajas o en zonas de acumulación de agua. EPASWMM: es un programa de ordenador, desarrollado por la U.S. EPA, que realiza simulaciones en período extendido (o cuasi estático) del comportamiento hidráulico y de la calidad del agua en redes de alcantarillado sanitario y pluvial. Escurrimiento superficial: Es una parte del ciclo hidrológico del agua el cual es producido por la lluvia y por la capacidad de infiltración que tiene el suelo. El escurrimiento superficial en el suelo sigue senderos variables e interconexiones debido a depresiones topográficas y vegetación de tal manera que llegan a las cuencas hídricas, con ayuda de cunetas o sumideros construidos para evacuar el agua que no se infiltran por el suelo ya sea porque está saturado o sus características no lo permiten. Flujo a presión: Aquel transporte en el cual el agua ocupa todo el interior del conducto, quedando sometida a una presión superior a la atmosférica. Flujo libre: Aquel transporte en el cual el agua presenta una superficie libre donde la presión es igual a la presión atmosférica. Macro medición: Sistema de medición de grandes caudales, destinados a totalizar la cantidad de agua que ha sido tratada en una planta de tratamiento y la que está siendo transportada por la red de distribución en diferentes sectores. 19 Micro medición: Sistema de medición de volumen de agua, destinado a conocer la cantidad de agua consumida en un determinado período de tiempo por cada suscriptor de un sistema de acueducto. Perdidas menores: Pérdida de energía causada por accesorios o válvulas en una conducción de agua. Perdidas por fricción: Pérdida de energía causada por los esfuerzos cortantes del flujo en las paredes de un conducto. Puntos críticos: Puntos clave del sistema dentro de los cuales se podrían presentar riesgos en el funcionamiento que puedan colocar en riesgo a los usuarios o el funcionamiento de este. Rebose: Estructura cuyo fin es captar y desviar el exceso de caudal de agua que transporta o almacena un sistema de acueducto Sistema hidrológico: Es la unión de todos los elementos que influyen en la creación o estabilidad del cuerpo de agua. La Comisión Nacional del agua (2007) define el sistema hidrológico como: “El conjunto formado por la cuenca, las características locales del terreno (topografía, tipo de suelo, vegetación, etc.), las corrientes (subterráneas y superficiales) y todos aquellos factores que tienen influencia sobre la cantidad de agua existente en la cuenca (precipitación, clima, etc.)”. (pp.102). El sistema hidrológico se basa en la existencia de agua en las cuencas, las características del terreno y las corrientes, las cuales no son similares, sin embargo, por efectos del escurrimiento de dos cuencas próximas se podrían tomar como iguales hidrológicamente. 20 Tipo de usuario: Diferentes clases de usuarios que pueden existir a saber: residenciales, industriales, comerciales, institucionales y otros. Una cuenca está relacionada con el área donde caen las lluvias, la cual debe tener en cuenta una corriente principal y un punto de salida o de almacenamiento dependiendo de la ubicación del punto de salida. Usuario: Persona natural o jurídica que se beneficia con la prestación de un servicio público, bien como propietario del inmueble en donde éste se presta, o como receptor directo del servicio. A este último usuario se le conoce también como consumidor (ley 142 de 1994). Elementos de la red de alcantarillado. La red de alcantarillado además de contar con colectores o tuberías está conformadapor distintas estructuras hidráulicas permitiendo el correcto funcionamiento del sistema. Según Penagos (2015) se encuentran los siguientes elementos: • Aliviaderos frontales o laterales: Sistemas utilizados para el depósito del caudal a la red de alcantarillado desde las partes altas, que llevan el caudal por medio de caída libre, depositándolo en la red de alcantarillado y así proceder la traslación hasta llegar a la zona de descarga. (Penagos, 2015, p.7). Estas captan las aguas provenientes de la superficie del suelo, llevándolas al sistema de alcantarillado, son ubicados en los costados de cada tramo o calle; estas son de madera frontal, en ocasiones cuando la calle o el tramo es muy extenso se instalan aliviaderos laterales en los andenes. • Cámaras de caída: Estructuras empleadas para el control de las aguas con velocidades mayores a las permisibles en red de alcantarillado, Penagos (2015) define las cámaras de caída como: “estructuras construidas en tramos con pendientes pronunciadas, como 21 objetivo de evitar velocidades mayores a las aceptadas en el diseño, donde hay una diferencia de 0.5 metros entre el tramo de entrada con el tramo de salida de la cámara” (p.7). Las cámaras de caída son construidas solamente en los tramos con pendientes altas y estas se colocan antes de llegar al pozo de inspección, así evitando que la tubería se vea afectada por el arrastre de las aguas. • Pozos de inspección: Son estructuras de ladrillo, concreto o PVC que tiene forman cilíndrica y de tronco de cono en su parte superior, con tapa que permite la ventilación, el paso y mantenimiento de los colectores, en donde, Penagos (2015) los define como: “estructura construida que permite la intervención en la tubería, verificando si existe algún material que obstaculice el flujo del agua y a su vez cumpliendo con la función de empalmar las tuberías que llegan al pozo” (pp.7). Estos permiten el control y el empate de la tubería entrante con la saliente de cada pozo, permitiendo el control y manejo de las aguas. • Sumideros y rejillas: Sistemas de captación que conduce las aguas pluviales que escurren por la superficie del suelo hasta llegar a la red de alcantarillado, estos se dividen en horizontales y verticales, el primero de ellos son los que van instalados en la calzada de la vía con rejillas permitiendo el paso del agua, por ende, Penagos (2015) “son ubicados al inicio y final del tramo, si es necesario se instalara uno intermedio, el segundo van ubicados al costado de la vía, exactamente en el andén, de igual manera son instalados al comienzo y final de la calle” (pp.8). Con el fin de evacuar la mayor parte del agua que se encuentra en la superficie del suelo, evitando inundaciones de las calles. 22 Marco Teórico Sistemas de alcantarillados Los sistemas de alcantarillado son un conjunto de obras cuya función es la recolección, conducción y disposición final de las aguas residuales o las aguas lluvias, estos sistemas se puede diseñar para el manejo independiente de aguas lluvias y aguas residuales o también se pueden diseñar para su manejo combinado. Dentro de los sistemas de alcantarillado actualmente conocidos se tienen los sistemas convencionales y los sistemas no convencionales. El sistema convencional se puede definir como “sistema tradicional utilizado para la recolección y transporte de aguas residuales o lluvias hasta los sitios de disposición final”. Dentro de los sistemas de alcantarillado actualmente conocidos se tienen los sistemas convencionales y los sistemas no convencionales. Sistemas de Alcantarillado Convencionales Los sistemas de alcantarillado convencionales se clasifican según el tipo de agua que conduzcan, alcantarillado separado, alcantarillado sanitario, alcantarillado pluvial y alcantarillado combinado. Alcantarillado: “El sistema de alcantarillado consiste en una serie de tuberías y obras complementarias, necesarias para recibir y evacuar las aguas residuales de la población y escorrentía superficial. De no existir estas redes de recolección de aguas o en su defecto se encuentren en mal estado, se pone en peligro la salud de las personas debido a las enfermedades epidemiológicas y, por otro lado, se causarían importantes pérdidas materiales” (López Cualla, 1995). 23 Alcantarillado Sanitario: “Tiene el propósito de transportar las aguas residuales generadas por las actividades humanas, mayoritariamente domésticas. No obstante, a este sistema pueden entrar aguas residuales provenientes de otras actividades como las comerciales, industriales y algunas no controladas como las infiltraciones.” (Datateca UNAD, 2009) Alcantarillado Pluvial: “Los sistemas de recolección y evacuación de aguas lluvias pueden proyectarse cuando las condiciones propias de drenaje de la localidad requieran una solución a la evacuación de la escorrentía pluvial. No necesariamente toda población o sector requiere un sistema pluvial. Dependiendo de las condiciones topográficas, tamaño de la población, las características de las vías, la estructura y desarrollo urbano, entre otras, la evacuación de la escorrentía podría lograrse satisfactoriamente a través de las cunetas de las calles.” (Datateca UNAD, 2009). Alcantarillado Combinado O Mixto: “Este sistema puede ser adoptado en aquellas localidades donde existan situaciones de hecho que limiten el uso de otro tipo de sistemas o cuando resulte ser la mejor alternativa, teniendo en cuenta los costos de disposición de las aguas residuales. Localidades con una densidad de drenaje natural alta pueden ser apropiadas para este tipo de sistemas. Su adopción requiere una justificación sustentada de tipo técnico, económico, financiero y ambiental que garantice que representa mejor alternativa de saneamiento, incluidos los costos asociados con la disposición final y eventual tratamiento.” (Dataeca UNAD, 2009). 24 Figura 2. Alcantarillado Combinado. Densidad Urbana: “Se considera como densidad urbana el aumento de población en una zona o ciudad, esto conlleva a la construcción de nuevos edificios que suplan la demanda poblacional, así como también la mejora de servicios públicos y privados.” (Luis, 2009) Periodo Extendido: Modelo que se desarrolla en varias horas. (Manual del Usuario EPASWWMM, 2005) Tiempo de Secado: Tiempo necesario para que un suelo saturado se seque. Valores típicos están entre 2 y 14 días (manual del usuario, 2005) Régimen Monomodal: Tiene solamente una máxima precipitación bien definida en el año, esto dependerá de la zona o ciudad. (IDEAM, 2000) Sistemas de Alcantarillado No Convencionales Debido a que los alcantarillados convencionales usualmente son sistemas de saneamiento costosos, especialmente para localidades con baja capacidad económica, en las últimas décadas se han propuesto sistemas de menor costo, alternativos al alcantarillado convencional sanitario, basados en consideraciones de diseño adicionales y en una mejor tecnología disponible para su 25 operación y mantenimiento. Los sistemas no convencionales pueden constituir alternativas de saneamiento cuando, partiendo de sistemas in situ, se incrementa la densidad de población. • Alcantarillados Simplificados: Funcionan esencialmente como un alcantarillado sanitario convencional, pero teniendo en cuenta para su diseño y construcción consideraciones que permiten reducir el diámetro de los colectores, tales como la disponibilidad de mejores equipos para su mantenimiento, que permiten reducir el número de pozos de inspección o sustituirlos por estructuras más económicas. • Alcantarillados Condominales: son sistemas que recogen las aguas residuales de un conjunto de viviendas que normalmente están ubicadas en un área inferior a 1 ha mediante colectores simplificados, y son conducidas a la red de alcantarillado municipal o eventualmentea una planta de tratamiento. • Alcantarillados Sin Arrastre de Sólidos: son sistemas en los que el agua residual de una o más viviendas es descargada a un tanque interceptor de sólidos donde estos se retienen y degradan, produciendo un efluente sin sólidos sedimentables que es transportado por gravedad en un sistema de colectores de diámetros reducidos y poco profundos. Sirven para uso doméstico en pequeñas comunidades o poblados y su funcionamiento depende de la operación adecuada de los tanques interceptores y del control al uso indebido de los colectores. Desde el punto de vista ambiental pueden tener un costo y un impacto mucho más reducido. Sistemas In Situ: Existen sistemas basados en la disposición in situ de las aguas residuales como las letrinas y tanques, pozos sépticos y campos de riego, los cuales son sistemas de muy bajo costo y pueden ser apropiados en áreas suburbanas con baja densidad de población y con adecuadas características del subsuelo. En el tiempo, estos sistemas deben considerarse como sistemas 26 transitorios a sistemas no convencionales o convencionales de recolección, transporte y disposición, en la medida en que el uso de la tierra tienda a ser urbano. Los sistemas no convencionales surgen como respuesta de saneamiento básico de poblaciones con recursos económicos ilimitados, pero son sistemas poco flexibles que requieren una mayor densidad y control de los caudales de un mantenimiento intensivo y más importante, aunque la parte tecnológica necesita una cultura de la comunidad que acepte y controle el sistema dentro de las limitaciones que estos pueden tener. Alcantarillado Sanitario Caudal de aguas residuales: Los aportes de aguas residuales deben determinarse con base en información de consumos y/o mediciones recientes registrados en la localidad, y considerando las densidades previstas para el período de diseño con base en el Plan de Ordenamiento Territorial o Plan Básico de Ordenamiento Territorial o Esquema de Ordenamiento Territorial y Plan de Desarrollo del municipio a través de zonificación del uso de la tierra. Se justificarán los valores adoptados y deben ser aprobados por la persona prestadora del servicio. Se deben estimar los caudales para las condiciones iniciales y finales del período de diseño, en cada uno de los tramos de la red. Los caudales que se requiere calcular son los siguientes: 1. Caudal de aguas residuales domésticas. Cuando se cuente con proyección de demanda de agua potable, se debe calcular con la siguiente ecuación: (1) 𝑄𝐷 = 𝐶𝑅 ∗ 𝐷𝑁𝐸𝑇𝐴𝑝 ∗ 𝐴 27 Donde (DNETAp) es la demanda neta de agua potable por unidad de área tributaria (L/s.ha) y (A) es el área tributaria de drenaje (ha). Cuando se cuente con proyección de demanda de agua potable por suscriptor, se debe calcular con la siguiente ecuación: (2) 𝑄𝐷 = 𝐶𝑅 ∗ 𝑃𝑆 ∗ 𝐷𝑁𝐸𝑇𝐴𝑠 30 Donde (Ps) es el número de suscriptores proyectados al periodo de diseño y (DNETAs) es la demanda neta de agua potable proyectada por suscriptor (m3/suscriptor-mes). Cuando se utilice proyección de población, se debe calcular con la siguiente ecuación: (3) 𝑄𝐷 = 𝐶𝑅 ∗ 𝑃𝑆 ∗ 𝐷𝑁𝐸𝑇𝐴 86400 Donde (DNETA) es la dotación neta de agua potable proyectada por habitante (L/hab.día) y (P) es el número de habitantes proyectados al período de diseño. El coeficiente de retorno (CR) debe estimarse a partir del análisis de información· existente en la localidad y/o de mediciones de campo realizadas por la persona prestadora del servicio. De no contar con datos de campo, se debe tomar un valor de 0,85. 2. Caudal de aguas residuales no domésticas. Para zonas netamente industriales, comerciales e institucionales se deben elaborar análisis específicos de aportes de aguas residuales. 3. Caudal medio diario. Se debe calcular el caudal medio diario de aguas residuales como la suma de los aportes domésticos, industriales, comerciales e institucionales. 28 4. Caudal máximo horario. El factor de mayoración utilizado en la estimación del caudal máximo horario debe calcularse haciendo uso de mediciones de campo, en las cuales se tengan en cuenta los patrones de consumo de la población. En ausencia de datos de campo, se debe estimar con las ecuaciones aproximadas, teniendo en cuenta las limitaciones que puedan presentarse en su aplicabilidad. Este valor deberá estar entre 1,4 y 3,8. S. Caudal de conexiones erradas. Los aportes por conexiones erradas deben estimarse a partir de la información existente en la localidad. En ausencia de esta información deberá utilizar un valor máximo de 0,2 L/s.ha. 6. Caudal de infiltración. El caudal de infiltración debe estimarse a partir de aforos en el sistema y de consideraciones sobre la naturaleza y permeabilidad del suelo, la topografía de la zona y su drenaje, la cantidad y distribución temporal de la precipitación, la variación del nivel freático con respecto a las cotas clave de las tuberías, las dimensiones, estado y tipo de tuberías, los tipos, número y calidad constructiva de uniones y juntas, el número de estructuras de conexión y demás estructuras, y su calidad constructiva. Ante la ausencia de información, se debe utilizar un factor entre 0,1 y 0,3 L/s.ha, de acuerdo con las características topográficas, de suelos, los niveles freáticos y la precipitación de la zona del proyecto. Para situaciones en las cuales el nivel freático se encuentre por debajo del nivel de cimentación de la red, el caudal de infiltración podrá excluirse como componente del caudal de diseño. 7. Caudal de diseño. El caudal de diseño debe obtenerse sumando el caudal máximo horario, los aportes por infiltraciones y conexiones erradas. Cuando el caudal de diseño calculado en el tramo sea menor que 1,5 L/s, debe adoptarse este último valor como caudal de diseño para el tramo. 29 Criterios De Diseño De Un Alcantarillado Pluvial Caudal de aguas lluvias. La estimación de los caudales de aguas lluvias para el diseño de colectores y canales se debe realizar mediante modelos lluvia - escorrentía, basados en modelos de abstracciones. Se puede utilizar el método racional, siempre y cuando el área de drenaje sea inferior a 80 ha. Para su estimación, se deben tener en cuenta los siguientes factores: 1. Período de retorno. El período de retorno de la lluvia de diseño se debe seleccionar de acuerdo con la importancia de las áreas y los daños, perjuicios o molestias que las inundaciones puedan ocasionar a los habitantes, el tráfico, el comercio, la industria y la infraestructura. En ningún caso podrán ser menores que los valores mostrados en la Tabla 1: Tabla 1. Periodos de retorno. Características del área de drenaje Periodo de retorno (años) Tramos iniciales en zonas residenciales con áreas tributarias menores de 2 hectáreas. 3 Tramos iniciales en zonas comerciales o industriales, con áreas tributarias menores de 2 hectáreas. 5 Tramos de alcantarillado con áreas tributarias entre 2 y 10 hectáreas. 5 Tramos de alcantarillado con áreas tributarias mayores de 10 hectáreas. 10 30 Canales abiertos que drenan áreas menores a 1000 hectáreas. 50 Canales abiertos en zonas planas y que drenan áreas mayores a 1000 hectáreas. 100 Canales abiertos en zonas montañosas (alta velocidad) o a media ladera, que drenan áreas mayores a 1000 hectáreas. 100 2. Intensidad de lluvia. Se deben seleccionar las curvas IDF de cada localidad o región en particular y verificar su validez. Si no existen o no contemplan datos del último quinquenio, se deben obtener a partir de información pluviográfica de la zona, incluyendo los datos más recientes, para derivar las curvas de frecuencia correspondientes mediante análisis puntuales de frecuencia de eventos extremos máximos. Si esto no permite derivar curvas IDF aceptables para el proyecto, deben ajustarse curvas IDF por métodossintéticos, derivados con información pluviográfica colombiana. En el análisis se deberán incluir los cambios en las intensidades producidos por los fenómenos de variabilidad y cambio climático sucedidos en Colombia, teniendo en cuenta los lineamientos desarrollados en las comunicaciones nacionales sobre cambio climático, elaborados por el IDEAM. Con base en el análisis de las curvas IDF bajo el escenario de cambio climático, si la intensidad de diseño, acorde con el periodo de retorno requerido (Tabla 16) es mayor a la intensidad de la curva IDF de este literal, el diseñador deberá plantear un plan de expansión que incluya elementos de redundancia y costos estimados con una proyección al periodo de diseño. La decisión de implementar los diseños de expansión será tomada por el operador del sistema una vez el análisis de la información pluviográfica de la zona, incluyendo los datos más 31 recientes de monitoreo de precipitación en la cuenca abastecedora, además de la información de caudales de entrada, indiquen una tendencia de aproximación al caudal identificado con las curvas IDF bajo el escenario de cambio climático en un periodo mínimo de 5 años. 3. Tipo de cobertura. Se debe realizar un análisis detallado de las coberturas de las áreas de estudio, tanto para la situación al inicio como al final del periodo de diseño. 4. Tiempo de concentración. Se debe considerar el tiempo de entrada y el tiempo de recorrido en el sistema. El tiempo de entrada se debe calcular de acuerdo con las características del área de drenaje. Se debe realizar una simulación para tiempos de concentración mínimos entre 3 y 10 minutos, y evaluar la incidencia de adoptar uno u otro valor. De acuerdo con la norma NS-085 del SISTEC, el diseño de una red de alcantarillado pluvial debe cumplir con una serie de parámetros mínimos y cálculos hidráulicos para que el sistema sea funcional. Caudales de Diseño Para realizar el diseño de la red de alcantarillado pluvial, se debe realizar en cálculo donde se establece el caudal de diseño que se debe utilizar en los colectores y canales, este cálculo se realiza a través del método racional que se aplica a áreas de diseño menores a 10 Ha. La ecuación es: 𝑄 = 𝐶𝑖𝐴 (4) Dónde: • Q = Descarga estimada en el sitio determinado (L/s) • C= Coeficiente de escorrentía (Adimensional) 32 • I = Intensidad de lluvia, para una duración igual al tiempo de concentración del área de drenaje y para el periodo de retorno determinado (L/s/Ha). • A = Área de drenaje Coeficiente De Escorrentía El coeficiente de escorrentía hace referencia a la impermeabilidad que tenga el suelo del área de estudio. Este coeficiente establece la fracción de lluvia que se convierte en escorrentía. Los valores que se pueden adoptar para el coeficiente de escorrentía C se muestran en la Tabla 2: Tabla 2. Valores para coeficiente de escorrentía. Tipos de superficie C Zonas urbanizadas (áreas residenciales, comerciales, industriales, vías, andenes, etc) Cubiertas 0.85 Superficie de asfalto 0.80 Superficie de concreto 0.85 Superficie adoquinada. 0.75 Vías no pavimentadas y superficies con suelos compactados. 0.60 Zonas verdes (Jardines, parques, etc) Terreno plano (Pendiente menor al 2%) 0.25 Terreno promedio (Pendiente entre el 2% y el 7%) 0.35 Terreno de alta pendiente (Pendiente superior entre el 2% y el 7%) 0.40 Fuente: EAB-Norma Técnica NS-085. 33 Intensidad De Lluvias Para realizar el diseño de una red de alcantarillado pluvial, se debe tener en cuenta la hidrología que maneja el área de estudio, en función de las características físicas, geológicas, topográficas y climatológicas. Los factores climatológicos más relevantes son la precipitación, evaporación, temperatura, aire y humedad del viento. Las medidas pluviométricas expresan la cantidad de lluvia como una diferencia(Δh), haciendo referencia a la acumulación en una superficie plana, esta medición se realiza con pluviómetros o pluviógrafos. La altura pluviométrica se expresa en mm y el dato se puede registrar diariamente, mensualmente, semanalmente, etc. Se puede realizar el cálculo de la intensidad que puede llegar a tener una lluvia, por medio de las curvas IDF (Intensidad – Duración – Frecuencia), con el fin de establecer los caudales máximos para una duración determinada como puede ser 30, 60, 90, 120 o 360 minutos y se puede estimar la probabilidad de ocurrencia (años), que es conocida como periodo de retorno. Los datos que se utilizan para los diferentes periodos de retorno son entregados por la empresa por medio de los Datos Técnicos que tenga el proyecto, con el dato de los caudales se puede realizar el cálculo de la intensidad por medio de la siguiente ecuación: 𝐼 = 𝐶1(𝐷𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 + 𝑋0) 𝐶2 (5) La empresa realiza la entrega los datos de valores que se deben emplear para C1, X0, C2; al aplicar la ecuación, el resultado que se obtiene es expresado en milímetros por hora (mm/h), si se desea tener el resultado el L/s/Ha, la ecuación debe ser multiplicada por 2.78. 34 En la figura 3, se puede observar un ejemplo de las curvas IDF para una estación determinada, con diferentes periodos de retorno que oscilan entre 2 años y 100 años. Figura 3. Esquematización de curva IDF. Periodos De Retorno De Diseño El periodo de retorno para implementar en el diseño se determina de acuerdo con las características de protección y la importancia que tenga el área de drenaje. A continuación, se menciona el periodo de retorno que se debe utilizar de acuerdo con el escenario que se esté presentando: Tabla 3 .Periodos de retorno de diseño. Características de drenaje Años Red secundaria alcantarillado, zona residencial, comercial, industrial o mixta. 5 35 Tramos de la red troncal de alcantarillado. 10 Canalizaciones abiertas que drenan áreas hasta 100 Ha. 25 Canales abiertos mayores a 100 Ha y adecuación de cauces de ríos y quebradas. 50 Fuente: EAB-Norma Técnica NS-085. Tiempos De Concentración Es el tiempo necesario después que inicia la precipitación, para que la escorrentía superficial del área de estudio aporte en el punto en consideración. Para realizar el cálculo, se establece como tiempo mínimo 8 minutos sumado al tiempo del recorrido, de acuerdo con la velocidad de la corriente en la zona montañosa, zona urbana, colectores, canales, etc. El tiempo base de concentración en los pozos iniciales es de 15 minutos. Áreas De Drenaje Las áreas se determinan para cada tramo de la red de alcantarillado pluvial que se desea diseñar, además solo debe incluirse dentro del cálculo cuando su aporte por escorrentía aporte al tramo de diseño. La unidad de medida para el área tributaría debe ser en hectáreas. Diseño Hidráulico El diseño de la red de alcantarillado pluvial debe contar con una pendiente y un tamaño ideal para transportar el caudal de diseño, con el fin de evitar la acumulación de sedimentos en la red y así lograr que la red sea funcional, además se debe tener en cuenta que el diseño se debe realizar con la dimensión interna de la tubería. 36 Análisis Hidráulico El diseño de la red de alcantarillado pluvial debe ser diseñada por gravedad, el flujo que transporta la red no es permanente, sin embargo, para dimensionar hidráulicamente la red, se puede asumir que el flujo es uniforme siempre y cuando la tubería este entre 600mm y 900mm, de lo contrario el cálculo debe ser por flujo variado. El análisis hidráulico se puede desarrollar empleando la ecuación de Manning, expresada a continuación: 𝑉 = 1 𝑛 ∗ 𝑅 2 3 ∗ 𝑆 1 2 (6) Dónde: • V = Velocidad de flujo en m/s • n = Coeficiente de rugosidad de Manning • R = Radio Hidráulico en m • A = Área de la sección transversal del conducto en m2 • P = Perímetro mojado en m • S = Pendientedel conducto en m/m Coeficientes De Rugosidad El coeficiente de rugosidad depende del tipo de material en el que se esté diseñando la red, además de la profundidad que maneje el flujo, desalineamiento horizontal del conducto, entre otros, es por eso que la NS-085 del SISTEC, proporciona unos valores para utilizar en el coeficiente de rugosidad de acuerdo a las características físicas del material, los cuales se muestran en la Tabla 4. 37 Tabla 4. Valores de coeficiente de rugosidad de Manning para conductos cerrados. Característica interna del material n Interior liso 0.010 Interior semirugoso 0.013 Interior rugoso 0.015 Fuente: EAB-Norma Técnica NS-085. Pendientes Para determinar la pendiente que se va a utilizar en el diseño de la red, se debe tener en cuenta la topografía del terreno donde se va a llevar a cabo el proyecto, de tal manera que la velocidad no supere la establecida por la norma, en caso de que la pendiente de la rasante sea alta y haga que la velocidad supere los parámetros de la norma, se deben implementar elementos como cámaras de caída para que los pequeños tramos tengan la pendiente indicada. Velocidad Mínima La velocidad mínima con la que se quiera diseñar la red de alcantarillado pluvial debe cumplir con la condición de auto limpieza, por tal motivo se requiere calcular el esfuerzo tractivo empleando la siguiente ecuación: (7) 𝜏 = 𝛾 ∗ 𝑅 ∗ 𝑆 Dónde: • 𝝉 = Esfuerzo tractivo • γ = Peso específico del agua 38 • R = Radio hidráulico • S = Pendiente de la conducción Según la norma NS-085, la velocidad mínima que debe tener una red de alcantarillado pluvial debe garantizar que el esfuerzo tractivo sea mayor o igual a 0.3 Kg/m2 para el caudal de diseño y 0.15 Kg/m2 para el 10% de la capacidad a tubo lleno. Velocidad Máxima La velocidad máxima que se emplea en una red de alcantarillado pluvial depende del material de diseño de la red, teniendo en cuenta la sensibilidad a la abrasión. La Tabla 5, muestra las velocidades máximas de diseño que debe tener una red, dependiendo del material que se esté utilizando. Tabla 5. Velocidad de diseño máxima para conductos cerrados. Material Velocidad Máxima Permisible (m/s) Concreto fundido in situ (Box Culvert) 5.0 Concreto prefabricado (Tuberías) 6.0 Gres Vitrificado 5.0 PVC 9.0 Fibra de vidrio GRP 4.0 Colectores de ladrillo común 3.0 Fuente: EAB-Norma Técnica NS-085. Diámetros Mínimos El diámetro nominal mínimo que debe tener una red de alcantarillado pluvial es de 300 mm, especialmente en el inicio de la red. 39 Alcantarillados Mixtos O Combinados Caudal de aguas combinadas. El caudal de diseño de las redes de alcantarillado combinados es igual al caudal de aguas lluvias. Sin embargo, cuando el caudal de aguas residuales es mayor que el 5º/o del caudal de aguas lluvias, debe tomarse como caudal de diseño la suma de los caudales de aguas residuales y aguas lluvias. En este caso, el caudal de aguas residuales no incluye el caudal de conexiones erradas. Diámetro interno real mínimo en los alcantarillados pluviales y combinados. El diámetro interno real mínimo permitido en redes de alcantarillado pluvial y combinado es 260 mm. Criterios de autolimpieza en los alcantarillados pluviales y combinados. La velocidad mínima real permitida en el colector de alcantarillado pluvial o combinado es aquella que genere un esfuerzo cortante en la pared de la tubería mínimo de 2,0 Pa. Los criterios de velocidad y esfuerzo cortante se deben determinar para el caudal de diseño en las condiciones iniciales y finales del período de diseño. Velocidad máxima en los alcantarillados pluviales y combinados. La velocidad máxima real en un colector por gravedad no debe sobrepasar 5,0 m/s, determinada para el caudal de diseño. En condiciones hidráulicas especiales y complejas como es el caso de topografías con pendientes superiores al 30°/o, colectores de gran diámetro iguales o superiores a 600 mm o caudales de flujo superiores a 500 l/s, se permitirán velocidades de flujo superiores a 5 m/s; sin embargo, la velocidad máxima no deberá sobrepasar los límites de velocidad recomendados para cada material y no deberá superar los 10 m/s. Las tuberías con velocidad de flujo superior a 5 m/s deben seleccionarse con revestimientos internos especiales que permitan soportar el fenómeno de 40 abrasión a largo plazo. El diseño deberá prever las protecciones del sistema y plantear las soluciones de disipación de energía necesarias. Relación máxima entre profundidad y diámetro de la tubería en los alcantarillados pluviales y combinados. El valor máximo permisible de la profundidad del flujo para el caudal de diseño en un colector es de 93°/o del diámetro interno real de éste, correspondiente a flujo lleno. Figura 4. Características de flujo de una sección circular. Requisitos de diseño de canales de aguas lluvias. La concepción, el trazado y el dimensionamiento hidráulico del canal deben estar plenamente justificados, incluyendo las consideraciones correspondientes al efecto o impacto ambiental del canal. Los canales únicamente podrán conducir las aguas de escorrentía provenientes de las lluvias. Deben cumplir con los siguientes requisitos como mínimo: 41 1. Los canales deben diseñarse para que funcionen como un sistema a gravedad, utilizando las fórmulas de flujo gradualmente variado y/o modelos de flujo no permanente, evitando el flujo crítico. 2. Si la sección transversal del canal es cerrada, debe cumplirse la condición de flujo a superficie libre, de tal manera que la profundidad de flujo no exceda el 90°/o de la altura del conducto. 3. El caudal de diseño del canal debe tener en cuenta los aportes por canales y/o colectores tributarios; éstos deben descargar ·al canal por encima de la cota de aguas máximas generada por el caudal de diseño del receptor. En localidades de altas pendientes, se deben proyectar canales interceptores en las zonas altas del sistema. 4. Para canales. revestidos en concreto, la velocidad máxima permitida es de 5,0 m/s, para otro tipo de revestimiento y en canales no revestidos, la velocidad máxima debe fijarse con base en el riesgo de erosión que pueda sufrir el canal, la cual depende del material en que esté construido. Si la pendiente es elevada, debe diseñarse el canal de forma escalonada, para cumplir con los requisitos de velocidades máximas. 5. La pendiente mínima de diseño en canales revestidos debe ser aquella que no presente una velocidad inferior a 0,75 m/s. 6. Deben efectuarse las previsiones apropiadas de borde libre, incluyendo la sobreelevación del flujo causada por las curvas horizontales. 7. En la entrega a cuerpos receptores, deberán tenerse en cuenta las condiciones de remanso que se generen con la cota de aguas máximas de éste, para el período de retorno definido en la Tabla 16, con base en el área de drenaje del cuerpo receptor en el punto de descarga. 42 8. Para canales abiertos se debe prever zonas de amortiguación, bermas y zonas de entrada para mantenimiento. Diseño y modelación hidráulica de redes de alcantarillado. Se debe realizar el diseño de la red de alcantarillado mediante el empleo de la formulación matemática que defina los diámetros, las pendientes y los parámetros mínimos hidráulicos de los conductos del sistema, el cual deberá ser verificado mediante una modelación hidráulica empleando para ello un programa que permita simular el comportamiento hidráulico del sistema existente, y que esté basado en ecuaciones de resistencia fluida, y permita simular condiciones de flujo uniforme, así como condiciones de flujo no permanente mediante la solución de las ecuaciones de Saint - Venant, con sus correspondientes condiciones de frontera. Adicionalmente, el programa de análisis debe permitir simular el efectode las pérdidas menores de energía ocasionadas por la presencia de estructuras de conexión y/o inspección. En todo caso, se deben sustentar los parámetros que se utilicen en el diseño y en la modelación, y en los cálculos usar el diámetro interno real. Metodología y Materiales Recopilación de Información La recopilación de datos se realizó con la alcaldía de Ocaña, quienes facilitaron los datos del sistema de alcantarillado. Donde se indican planos, con especificaciones técnicas como diámetros de tuberías, tipos de tuberías, longitudes de tuberías, cotas pozos, cotas de entrega de tuberías y especificaciones de centros residenciales, casas y centros de recreación como parques. Figura 5. Red de alcantarillado del municipio de Ocaña 43 Fuente: Plan maestro de alcantarillado municipio de Ocaña, 2018 Análisis de Información Acorde con los planos suministrados se identificó la geometría, cotas y material de la red de alcantarillado, incluyendo datos faltantes de profundidad de pozos o cota batea de redes, que fue necesario determinar mediante cartografía o en su defecto se asumieron según criterios de profundidad mínima de un alcantarillado o con cotas promedio entre pozos cercanos de los cuales se conocía la cota, de manera tal que fuese posible simular la totalidad de la red. Evento de Lluvia 44 El evento de precipitación se obtuvo mediante la construcción de la curva IDF característica de la estación de diseño, siguiendo la metodología especificada por el Manual de Diseño de Obras de drenaje del INVIAS. Los datos de precipitación se obtuvieron de la estación Rio de Oro (16050060) del IDEAM. Proyección de Población Se realizó la proyección de población para un periodo de 20 años posterior al año de modelación y se ingresó implícitamente en la modelación hidráulica mediante el ingreso de aporte de caudal sanitario para dicho periodo. Caudal Sanitario El caudal sanitario se obtuvo siguiendo las especificaciones de la Resolución 0330 de 2017, considerando una proyección poblacional que ocasionara el aumento de demanda esperando para el sistema, e ingresándolo implícitamente en la modelación como un caudal lateral aplicado a cada nodo del sistema, el valor numérico se obtuvo mediante la utilización de consumo total por usuario reales, suministrados por la empresa prestadora del servicio, mediante sus controles de suscripción y facturación anual para el periodo de 2018, como se observa en la siguiente figura: 45 Figura 6. Agua producida y facturada en el municipio de Ocaña, 2018. Fuente: ESPO S.A E.SP. Modelación Hidráulica Se realizó la modelación hidráulica del sistema de alcantarillado del municipio en EPASWMM, obteniendo los datos catastrales del plan maestro del alcantarillado vigente proporcionado por la empresa prestadora del servicio en la región, y de igual manera se ingresaron todos los datos de lluvia y caudal sanitario al sistema, de igual mañanera los datos de las tuberías correspondientes a diámetros, material y altimetría, y de igual manera con la profundidad de los pozos de inspección del sistema y se articularon con los datos hidráulicos hallados según la normativa legal vigente para la obtención de la modelación del sistema. 46 Resultados Caudal Pluvial y Residual de Entrada a la Red Evento de Lluvia La curva IDF para periodos de retorno de 2,5,10,20,50 y 100 años se construyó siguiendo el método simplificado especificado por el Manual de Drenaje Para Carreteras (IVIAS, 2011), considerado la existencia de datos de precipitación máxima registrados en la zona para diferentes años. En primer lugar, se obtuvieron los datos de precipitación diaria de la estación pluviométrica Rio de Oro (16050060), cuyo registro de intensidad de la lluvia son dato de entrada para la construcción de la curva IDF, dicha estación se encuentra ubicada geográficamente, en la siguiente figura: Figura 7. Ubicación de estación Rio de Oro Utilizada en el estudio. Fuente: http://dhime.ideam.gov.co/atencionciudadano/ http://dhime.ideam.gov.co/atencionciudadano/ 47 Seguidamente, se seleccionaron los registros máximos en cada año y consistentes con los comportamientos de intensidad de lluvia (ver anexo “Datos de estación pluviométrica de trabajo”), descartando así datos atípicos. Tabla 6. Precipitación máxima anual en 24 horas en la estación Rio de Oro. ESTACION RIO DE ORO [16050060] AÑO P.MAX (mm) 2005 45 2006 65 2007 62 2008 82 2009 45 2010 95 2011 48 2012 62 2013 71 2014 64 2015 61 2016 39 2017 45 2018 73 2019 53 2020 56 Una vez obtenidos los datos de precipitación máxima se deben calcular sus variables estadísticas básicas, correspondientes a la media, numero de datos y la desviación estándar típica, considerando los datos de la tabla anterior, se tiene: Tabla 7. Variables estadísticas para los datos de precipitación máxima anual registrados. Datos Estadísticos Numero De Datos 16 Media 60.38 Desviación Típica 14.52 48 Una vez obtenidos los datos estadísticos se calcularon las intensidades para los diferentes periodos de retorno, según se indica a continuación: 𝑖 = 𝑎∗𝑇𝑏∗𝑀𝑑 ( 𝑡 60 )𝐶 (6) Donde: • i : Intensidad de precipitación en milímetros por hora (mm/h). • T: Periodo de retorno, en años. • M: Precipitación máxima promedio anual en 24 hora a nivel multianual. • t: Duración de la lluvia, en minutos (min). • a,b,c,d: Parámetros de ajuste de la regresión (Función de la zona de estudio). La obtención de la intensidad está directamente relacionada con la zona donde se ubique el estudio, teniendo en cuenta lo anterior, la zona de estudio corresponde a la región Andina del territorio nacional, los valores característicos presentados por la normativa de trabajo son: 49 Figura 5. Parámetros de ajuste de regresión para la obtención de curvas de intensidad – duración – frecuencia (IDF). Fuente: Manual De Drenajes Para Carreteras INVIAS 50 Aplicando la ecuación de intensidad para un periodo de retorno y una duración especificada se obtiene: Tabla 8. Valores de intensidad – duración - frecuencia para duraciones de hasta 12 horas. ESTACION RIO DE ORO [16050060] VALORES EN (mm) Tiempo (min) PERIODO DE RETORNO 2 5 10 20 50 100 10 104.48 123.21 139.59 158.14 186.49 211.28 20 66.12 77.98 88.34 100.08 118.03 133.71 30 50.6 59.67 67.6 76.58 90.32 102.32 40 41.85 49.35 55.91 63.34 74.7 84.62 50 36.12 42.59 48.25 54.67 64.47 73.03 60 32.02 37.76 42.78 48.47 57.16 64.75 70 28.92 34.11 38.64 43.78 51.63 58.49 80 26.48 31.23 35.38 40.09 47.27 53.56 90 24.5 28.9 32.74 37.09 43.74 49.55 100 22.86 26.96 30.54 34.6 40.8 46.22 110 21.46 25.31 28.68 32.49 38.31 43.4 120 20.27 23.9 27.08 30.67 36.17 40.98 130 19.22 22.67 25.68 29.1 34.31 38.87 140 18.31 21.59 24.46 27.71 32.68 37.02 150 17.49 20.63 23.37 26.47 31.22 35.37 160 16.76 19.77 22.39 25.37 29.92 33.89 170 16.1 18.99 21.52 24.37 28.75 32.57 180 15.51 18.29 20.72 23.47 27.68 31.36 190 14.96 17.65 19.99 22.65 26.71 30.26 200 14.47 17.06 19.33 21.9 25.82 29.25 210 14.01 16.52 18.71 21.2 25 28.33 220 13.58 16.02 18.15 20.56 24.25 27.47 230 13.19 15.56 17.62 19.97 23.55 26.68 240 12.83 15.13 17.14 19.41 22.89 25.94 250 12.49 14.72 16.68 18.9 22.29 25.25 260 12.17 14.35 16.25 18.41 21.72 24.6 270 11.87 13.99 15.85 17.96 21.18 24 280 11.59 13.66 15.48 17.54 20.68 23.43 290 11.32 13.35 15.12 17.13 20.21 22.89 300 11.07 13.05 14.79 16.75 19.76 22.38 Teniendo los datos de intensidad de lluvia para diferentes duraciones y periodos de retorno, se obtiene la siguiente curva IDF: 51 Figura 8.Curva IDF – Estación Pluviométrica RIO DE ORO [16050060]. Una vez obtenida la curva IDF mostrada en la figura, se construye el Hietograma característico del evento de lluviaque será suministrado al programa EPASWMM, el cual con los datos suministrados de coeficientes de escorrentía, áreas y subcuencas se obtendrá automáticamente el caudal de lluvia del modelo, para el caso de la modelación hidráulica se utilizó un periodo de retorno correspondiente a 10 años, siguiendo las recomendaciones de la resolución 0330 de 2017. 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 300 i ( m m /h ) Duración (minutos) Tr=2 años. Tr=5 años. Tr=10 años. Tr=20 años. Tr=50 años. Tr=100 años. 52 Figura 9. Hietograma obtenido de los datos meteorológicos con periodo de retorno de 10 años. Niveles de Complejidad del Sistema Se adopta un nivel de complejidad alto, debido a la cantidad de habitantes presentes en la ciudad de Ocaña. Periodo de Diseño El periodo de diseño de la estructura será de 20 años a partir de la fecha de evaluación, ya que se considera tiempo oportuno desde la evaluación de características que puedan afectar al sistema hasta el proceso planeación y ejecución de obras que aporten a la solución de posibles falencias que se puedan encontrar. Proyección Poblacional Los datos de censos resultaron escasos, solo se cuentan con los datos para los años 2005 y 2019 con una cantidad de habitantes de 90.037 y 101.158 respectivamente, con esta postura 0 5 10 15 20 25 30 3 0 - 6 0 6 0 - 9 0 9 0 - 1 2 0 1 2 0 - 1 5 0 1 5 0 - 1 8 0 1 8 0 - 2 1 0 2 1 0 - 2 4 0 2 4 0 - 2 7 0 2 7 0 - 3 0 0 3 0 0 - 3 3 0 3 3 0 - 3 6 0 3 6 0 - 3 9 0 3 9 0 - 4 2 0 4 2 0 - 4 5 0 4 5 0 - 4 8 0 4 8 0 - 5 1 0 5 1 0 - 5 4 0 5 4 0 - 5 7 0 5 7 0 - 6 0 0 6 0 0 - 6 3 0 6 3 0 - 6 6 0 6 6 0 - 6 9 0 6 9 0 - 7 2 0 i ( m m /h ) Tiempo (min) 53 asumir un modelo lineal nos arrojaría valores sobredimensionados, por esta razón se utiliza el modelo exponencial que refleja mejor el comportamiento de una población cercana a condiciones de saturación en su curva de crecimiento. Crecimiento Logarítmico Para el método se utiliza la siguiente formula: 𝑃𝑓 = 𝑃𝑐𝑖𝑒 𝑘(𝑇𝑓−𝑇𝑐𝑖) Donde k, es la tasa de crecimiento poblacional calculada de la siguiente manera. 𝑘 = 𝐿𝑛𝑃𝑐𝑝 − 𝐿𝑛𝑃𝑐𝑎 𝑇𝑐𝑝−𝑇𝑐𝑎 Donde: • Pcp; Población del censo posterior. • Pca; Población del censo anterior. • Tcp; Año correspondiente al censo posterior. • Tca; Año correspondiente al censo anterior. De esta se manera se puede obtener una población futura de 133.61 habitantes. Dotación Neta La dotación neta se calculó con datos de agua producida y facturada obtenidos de la empresa ESPO S.A para el año 2018 y su población en ese año. 54 Figura 10. Datos de consumo total empresa de servicios públicos Ocaña. Se realizo un promedio de los caudales mensuales que fue igual a: 204,67 Lts por segundo. Esto se pasó a Lts/habitante/día: 𝐷𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑁𝑒𝑡𝑎 = 204,67 ∗ 86400 118.953 = 148,4 𝐿𝑡𝑠 ∗ ℎ𝑎𝑏 𝑑í𝑎 Obteniendo una dotación neta de: 148,4 Lts/habitante/día Caudal de Aguas Residuales Domesticas Mediante la ecuación especificada en la resolución 0330 para calcular el caudal de aguas domesticas se calculó: 𝑄𝑑 = 0,85 ∗ 133621 ℎ𝑎𝑏 ∗ 148,4 𝐿𝑡𝑠 ∗ ℎ𝑎𝑏 𝑑í𝑎 86400 𝑠𝑒𝑔 = 195.1 𝐿𝑡𝑠 𝑠𝑒𝑔 El caudal distribuido en la red, se asignó mediante la repartición equitativa del caudal sanitario para todos los pozos de la red, realizando en ingreso de un caudal lateral de manera tal que el aporte de caudal sanitario de los suscriptores del sistema ingresara al pozo y se 55 representara un aporte unitario en cada nodo cuya sumatoria al final del sistema correspondiera a la totalidad del caudal residual domestico repartido en la red induciendo así los aportes sanitarios de la totalidad del sistema para la modelación hidráulica. Para esta distribución se encontró el área total aferente al plan maestro de Ocaña que fue de 690,49 Ha Luego se sacó el valor total de subcuencas asignadas en el programa EPASWMM con un valor total de 718. Con estos datos se encontró el valor de caudal por subcuencas que fue de 0,27 Lts/seg. En el caso que al pozo ingresen más de una subcuenca, este valor se multiplica según se indica en la siguiente tabla. Tabla 9. Distribución de caudal sanitario en la modelación. Nodo Subcuencas Que Llegan Caudal Sanitario LPS 0000 1 0,27 00000 1 0,27 000 2 0,54 0.15 2 0,54 000A 1 0,27 002 1 0,27 002a 1 0,27 002B 2 0,54 002C 2 0,54 003 1 0,27 003A 1 0,27 004 1 0,27 004A 1 0,27 010 1 0,27 011 1 0,27 012 1 0,27 013 2 0,54 014 1 0,27 56 Para finalizar se le ingresa el valor de caudal al nodo contando el número de subcuencas que le llegan, como se muestra en la imagen hasta llegar a la totalidad de nodos que es de 756. Figura 11. Asignación de subcuencas. Para su verificación se sumaron todos los caudales asignados y debe cumplir con el valor total del caudal sanitario. Figura 12. Chequeo de equilibrio de caudal. Total De Nodos SWWMM 756 Check 756 Check Caudal 195,21 Geometría del Sistema de Alcantarillado Actual Se realiza un modelo del sistema de alcantarillado tipo combinado o mixto, donde se obtienen las características gracias a los aportes de la alcaldía de Ocaña con los planos que poseen características técnicas del sistema de alcantarillado, los cuales serán plasmados en el modelo digitalizado. 57 La red del sistema de alcantarillado esquematizada en la modelación hidráulica correspondió a un total de 756 nodos de interconexión de tubería, los cuales a su vez correspondieron a los pozos de inspección del plan maestro suministrado con datos de altimetría conocidos, de igual manera se modelaron un total de 878 tramos de tubería correspondientes a los colectores del sistema, diferenciados por su características de material y diámetro, cuyos perfiles de altimetría y valores de pendiente estuvieron directamente relacionados con los pozos de interconexión para cada tramo. El apartado de escorrentía se aginó mediante la inclusión de 718 subcuencas que representaría el fenómeno de lluvia y la escorrentía hacia los colectores del sistema, dichas subcuencas se caracterizaron por incluir valores de coeficientes de escorrentía y áreas equitativas a lo largo de toda la red incluida en la modelación hidráulica, el sistema de funcionamiento de drenaje del alcantarillado, se caracteriza por conducción ramificada para los diferentes sectores comunales llegando a colectores principales que conducen hasta el tramo principal de mayor diámetro que conduce hasta el punto de vertido especificado para el sistema correspondiente al rio de desembocadura de los diferentes tramos del sistema. Especificaciones técnicas El modelo cuenta con la mayoría de los datos, longitudes de tramos, cotas de fondo de pozo, cotas bateas y diámetros de tuberías, los cuales, son suficientes para la elaboración del modelo. Algunos de estos datos no están presentes por lo cual fue necesario utilizar datos que cumplieran con las características mínimas recomendadas en la normativa, particularmente una cobertura mínima de la tubería en vías con flujo vehicular 1,20m. 58 Modelación EPASWMM El modelo realizado en el sistema computarizado EPASWMM, solo incluye las redes principales del municipio de Ocaña, no incluye redes de menos de 5 tramos con descarga directa a cauces, esto asumiendo un correcto funcionamiento debido a la conformación de reducidos tramos. Lo primero es asignar un mapa de referencia en el cual se pueda tener una guía del municipio y sus calles por donde también se estipula el alcantarillado. Posterior a ellos se realizó la ubicación de los pozos, tramos y subcuencas; además, se añade el hietograma como serie temporal, con características del hietograma asignado de la estación de Rio de Oro. Figura
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