hidraulica

1. DEMANDA DE AGUA, BALANCE
HÍDRICO
PREPARADO POR ELFQ

2. AGUA PARA DIVERSAS DEMANDAS
TIPOLOGIA DE LOS USOS DEL AGUA
• El agua es un recurso limitado en la naturaleza y
ofrece una multiplicidad de usos que no siempre
son compatibles entre sí.
• Algunos usos extraen el agua de su ciclo natural
por período largos de tiempo, otros por un
periodo corto y otros simplemente no extraen el
agua, aun cuando la usan, a este ultimo
pertenecen los usos no extractivos del agua.

3. • Sin embargo, para comprender mejor los usos
no consuntivos del agua es necesario
identificarlos dentro de la amplia gama de
usos que ofrece este recurso.

6. • Los usos del agua pueden clasificarse en dos
grandes grupos (Figura)
• Usos extractivos o consuntivos que son los
que extraen o consumen el agua de su lugar
de origen (ríos, lagos y aguas subterráneas).
• Usos no extractivos, in situ o no-consuntivos
corresponden a los usos que ocurren en el
ambiente natural de la fuente de agua sin
extracción o consumo del recurso.

8. USOS CONSUNTIVOS
• Los usos consuntivos son aquellos que
consumen o extraen el agua de su fuente de
origen, por lo que, en general, este uso puede
ser medido cuantitativamente. Los usos
consuntivos mas frecuentes se pueden
agrupar de la siguiente forma:

9. • Uso en industria: el agua es uno de los
recursos mas importantes en la industria, ya
que es usada como materia prima, enfriante,
solvente, agente de transporte y como fuente
de energía. En el caso de países como Estados
Unidos y Canadá un 6% de agua extraíble se
destina a este uso.

10. • Uso municipal: se considera el uso publico,
comercial y residencial, incluyéndose todos los
usos domésticos del agua como beber y
cocinar. En el caso de países como Estados
Unidos y Canadá un 14% de agua extraíble se
destina a este uso.

11. • Agricultura: dentro de este grupo se considera
el agua para riego de cultivos y agua que
consume la ganadería. En la mayor parte del
mundo, 70 – 80% de toda el agua consumida
para actividades humanas corresponde al uso
para agricultura. En el caso de países como
Estados Unidos y Canadá un 40% de agua
extraíble se destina a este uso.

12. • Minería: el agua es utilizada para separar los
minerales de rocas y limpiar los materiales de
desecho. Aproximadamente un 1% se destina
a este uso en países como Estados Unidos y
Canadá.

13. USOS NO CONSUNTIVOS
• A diferencia de los usos extractivos, los usos
no consuntivos no pueden ser medidos
cuantitativamente, porque el agua es usada,
pero no es removida de su ambiente natural.
Sin embargo, estos usos pueden ser descritos
por ciertas características del agua o por los
beneficios que proporcionan al ecosistema.

14. • Generación de energía hidroeléctrica: El agua
en todo el mundo se ha constituido en una de
las principales fuentes de energía. Desde el
caudal de un río y desde un reservorio, el agua
es utilizada para hacer girar una turbina y de
esta manera producir electricidad; así el agua
no es realmente extraída ya que después de
pasar por la turbina vuelve al caudal, aunque
no en el mismo lugar donde se extrajo.

15. • Transporte: históricamente el agua ha sido
una alternativa para el transporte tanto para
fines comerciales, como turísticos.
• Pesca: en este uso se considera la extracción
de peces con fines comerciales y
recreacionales.

16. • Vida silvestre: el agua es un ecosistema donde
habitan gran cantidad de especies silvestres,
además de la vida acuática que existe en el
mismo curso de agua.
• Recreación: el agua ofrece amplias
posibilidades de recreación al aire libre, desde
la practica de deportes (natación, canotaje,
etc.) hasta posibilidades de esparcimiento
como fotografía y caminatas entre otras.

17. • Aceptación de residuos: lagos y ríos son
usados como receptores de desechos
industriales y humanos. Aun cuando el agua
es capaz de asimilar y diluir en gran parte los
desechos, existen limites de absorción hasta
para los cuerpos de agua más grandes.

18. • La capacidad del agua de absorber desechos
depende de varios factores tales como la
naturaleza del contaminante, cuanto tiempo
permanece el contaminante en el agua, la
temperatura del agua y el caudal del agua.

19. • Una forma amplia de dividir los usos no-
consuntivos es en aquellos que cubren las
necesidades del hombre y aquellos que
cubren necesidades ecológicas y ambientales.

20. • Las necesidades del hombre incluyen
recreación, generación de energía
hidroeléctrica, transporte, aceptación de
residuos, paisajismo (uso estético) y
preservación de un recurso natural.
• Las necesidades ecológicas o ambientales
incluyen la preservación de vida acuática y
vida silvestre, biodiversidad y preservación de
humedales entre otros.

21. DEMANDA DE AGUA
La demanda es cuánta agua se necesita para una
actividad productiva como por ejemplo la agricultura u
otra actividad como el uso poblacional.
DEMANDA DE AGUA PARA USO POBLACIONAL
La demanda de agua (Da) para uso poblacional se
determina por
𝐷𝑎 = 𝑃𝑜𝑏𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 × 𝐷𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛
Dónde: Población = número de habitantes, Dotación =
lit./(hab.-día). La dotación depende de la zona geográfica
donde se realiza el uso. La dotación varía de 75 a 380
lit./(hab.-día).

22. DEMANDA DE AGUA PARA USO
POBLACIONAL
• Para un sistema de abastecimiento de agua es
necesario determinar la población futura para
un período de diseño.

23. CAUDALES DE DISEÑO
Caudal promedio (Qm)
𝑄𝑚 =
𝐷𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 × 𝑃𝑜𝑏𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛
86400
Donde: Qm = [lit/s], Dotación = consumo per cápita
por día (lit/hab/día), Población (habitantes)
Caudal máximo diario
𝑄𝑚á𝑥 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝑄𝑚 × 𝑉𝑣𝑑
Vvd = 1.25 (variación diaria)
Conducción y Almacenamiento

24. Caudal máximo horario
𝑄𝑚á𝑥 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝑄𝑚 × 𝑉𝑣ℎ
Vvh = 2.0 (variación horaria)
Redes de distribución

25. EJEMPLO DE CALCULO
Un centro poblado dentro de 20 años tendrá una población de 5245 habitantes, el
consumo promedio de dicha población es de 150 lit./(hab.-día). Determina los
caudales de diseño de un sistema de abastecimiento de agua.
Solución
• Calculo del caudal medio
𝑄𝑚𝑒𝑑 = 5245 ℎ𝑎𝑏.× 150
𝑙𝑖𝑡.
ℎ𝑎𝑏. −𝑑í𝑎
= 786750
𝑙𝑖𝑡.
𝑑í𝑎
𝑄𝑚𝑒𝑑 = 786750
𝑙𝑖𝑡
𝑑í𝑎
1 𝑚3
1000 𝑙𝑖𝑡
1 𝑑í𝑎
24 × 3600 𝑠
= 0.0091059027777778
𝑚3
𝑠
𝑄𝑚𝑒𝑑 = 9.10590277777778
𝑙𝑖𝑡
𝑠
Calculo del caudal máximo diario
𝑄𝑚𝑑 = 1.25 × 𝑄𝑚𝑒𝑑 = 11.3823784722222
𝑙𝑖𝑡
𝑠
Calculo del caudal máximo horario
𝑄𝑚𝑑 = 2 × 𝑄𝑚𝑒𝑑 = 18.2118055555556
𝑙𝑖𝑡
𝑠

26. Según RNE NORMA OS.100
Dotación de Agua
• La dotación promedio diaria anual por habitante,
se fijará en base a un estudio de consumos
técnicamente justificado, sustentado en
informaciones estadísticas comprobadas.
• Si se comprobara la no existencia de estudios de
consumo y no se justificara su ejecución, se
considerará por lo menos para sistemas con
conexiones domiciliarias una dotación de 180
I/hab/d, en clima frío y de 220 I/hab/d en clima
templado y cálido.

27. • Para programas de vivienda con lotes de área
menor o igual a 90 m2, las dotaciones serán
de 120 I/hab/d en clima frío y de 150 I/hab/d
en clima templado y cálido.

28. Según RNE NORMA OS.100
Variaciones de Consumo
En los abastecimientos por conexiones
domiciliarias, los coeficientes de las variaciones de
consumo, referidos al promedio diario anual de la
demanda, deberán ser fijados en base al análisis de
información estadística comprobada. De lo
contrario se podrán considerar los siguientes
coeficientes:
• Máximo anual de la demanda diaria: 1.3
• Máximo anual de la demanda horaria: 1.8 a 2.5

29. Dotación y consumo (para centros
poblados)
Mientras no exista un estudio de consumo, podrá
tomarse los siguientes valores guías, teniendo en
cuenta la zona geográfica, clima, hábitos y
costumbres, y niveles de servicio a alcanzar.
Para los centros poblados sin proyección de
servicios de alcantarillado:
• Costa: 50 l/h/d
• Sierra: 40 l/h/d
• Selva: 60 l/h/d

30. Para los centros poblados, con proyección de
servicios de alcantarillado:
• Costa: 120 l/h/d
• Sierra: 100 l/h/d
• Selva: 140 l/h/d
Para el consumo máximo diario (Qmd) se considera
un valor de 1,3 del consumo promedio diario anual
(Qm); mientras que para el consumo máximo
horario (Qmh) se considera un valor de 2 del
consumo promedio diario anual (Qm).

31. ESTUDIOS DE POBLACIÓN
POBLACIÓN ACTUAL. Considerando la
información sobre las zonas habitacionales, es
necesario definir la población actual
correspondiente. Este dato se puede obtener
mediante la revisión de los tres últimos censos
elaborados.

32. POBLACIÓN DE PROYECTO. La “población de
proyecto”, también conocida como “población
futura” se definirá basándose en el crecimiento
histórico de la localidad y los años a los que se
proyectará irán de acuerdo con el tipo de
población, considerando lo siguiente:
• Población Urbana mayor a 2500 habitantes (se
proyectará a 15 o 20 años).

33. Según RNE NORMA OS.100
La población futura para el período de diseño
considerado deberá calcularse:
• a) Tratándose de asentamientos humanos existentes, el
crecimiento deberá estar acorde con el plan regulador
y los programas de desarrollo regional si los hubiere;
en caso de no existir éstos, se deberá tener en cuenta
las características de la ciudad, los factores históricos,
socioeconómico, su tendencia de desarrollo y otros
que se pudieren obtener.
• b) Tratándose de nuevas habilitaciones para viviendas
deberá considerarse por lo menos una densidad de 6
hab/viv.

34. PERÍODO DE DISEÑO
Los períodos de diseño de los diferentes elementos del
sistema se determinarán considerando los siguientes
factores:
• Vida útil de las estructuras y equipos.
• Grado de dificultad para realizar la ampliación de la
infraestructura.
• Crecimiento poblacional.
• Capacidad económica para la ejecución de obras.
El período de diseño recomendado para la infraestructura
de agua y saneamiento para los centros poblados rurales
es de 20 años, con excepción de equipos de bombeo que
es de 10 años.

35. • El período de diseño debe ser adoptado en función del componente del
sistema y la característica de la población, según lo indicado en Tabla

36. POBLACIÓN DE DISEÑO
CRECIMIENTO DE LA POBLACIÓN
TASA PROMEDIO ANUAL DE CRECIMIENTO
La Tasa promedio anual de crecimiento, es el
ritmo o intensidad al que la población aumenta
(o disminuye) en promedio en un año
determinado, debido al aumento vegetativo y a
la migración neta, expresada como un
porcentaje de la población de año base.

37. Año N°Año
1992 1
1993 2
1994 3
1995 4
1996 5
1997 6
1998 7
1999 8
2000 9
2001 10

38. MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE LA
POBLACIÓN FUTURA
POBLACIÓN FUTURA
• El calculo de la población futura se podrá
realizar mediante uno de los métodos de
crecimiento, según el tipo de población
dependiendo de las características
socioeconómicas y ambientales de la
población.

39. a) Método Aritmético
• Algoritmo:

40. b) Método Geométrico
• Algoritmo:

41. c) Método Exponencial
• Algoritmo:

42. d) Método Curva Logística
• Algoritmo:
• Donde:
• Pf = Población futura (hab)
• Po = Población inicial (hab)
• i = Índice de crecimiento poblacional anual (%)
• t = Numero de años de estudio o periodo de diseño
• L = Valor de saturación de la población
• m = Coeficiente
• a = Coeficiente

43. • Po, P1, P2 Población correspondiente a los
tiempos to, t1 y t2 = 2*t1
• to ,t1, t2 Tiempo intercensal en años
correspondiente a la población Po, P1, P2

44. APLICACIONES DE LOS MÉTODOS
• Los métodos de crecimiento a emplearse
deben ser aplicados en función al tamaño de
la población, de acuerdo especificado en la
Tabla.

45. • Tabla. Aplicación de los Métodos

46. • De acuerdo a la magnitud y características de la
población, se deben diferenciar claramente las
áreas de expansión futura, industriales,
comerciales, de equipamiento y áreas verdes.
• El área de proyecto se debe dividir en subáreas
de acuerdo a rangos de densidad poblacional y
por sus características socioeconómicas como
centros urbanos y zonas periurbanas.
• En el área rural, se debe diferenciar las áreas de
nucleamiento y las áreas de población dispersa y
semidispersa.

47. • Se debe señalar claramente los
establecimientos educativos, cuarteles,
hospitales, centros deportivos y otras
instituciones, así como la capacidad de los
mismos, que representan consumos de
carácter público / institucional a ser
considerados especialmente en el diseño de
las redes de distribución.

48. DEMANDA DE AGUA PARA USO
AGRICOLA
La demanda de agua (Da) para uso agrícola se determina por
𝐷𝑎 =
𝐷𝑛
𝐸𝑓
Dónde: Dn = demanda neta de agua, Ef = eficiencia de riego
En forma general la eficiencia máxima de riego por gravedad es 35%, por
aspersión 75% y goteo 95%, estos valores dependen de varios factores, por lo
cual varían y pueden ser menores.
La demanda neta de agua es
𝐷𝑛 = (𝐾𝑐 × 𝐸𝑇𝑜 − 𝑃𝑒) × 𝐴𝑟
Dónde: Kc = coeficiente del cultivo para el mes calculado (adimensional), ETo
= evapotranspiración de referencia [L/T], Pe = precipitación efectiva [L/T], es
parte de la lluvia que cubre la necesidad de agua de un cultivo, Pe = 0 para
zonas con escasa lluvia, Ar = área de riego [L2]. Los cálculos generalmente se
realizan a nivel mensual considerando las horas de funcionamiento del
sistema de riego por día.

49. EJEMPLO DE CALCULO
• Un valle de la costa requiere que se construya
un canal de riego principal. Se requiere
determinar su caudal para riego por gravedad.
Los datos son los siguientes
• Cedula de cultivo con coeficientes de cultivo.
CULTIVO AREA(Has) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
ALFALFA 200 0.65 0.85 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10
TUNA 50 0.56 0.56 0.45 0.41 0.41 0.41 0.41 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56
ORÉGANO 100 0.40 0.40 0.65 0.95 0.40 0.65 0.95 0.40 0.65 0.95 0.40 0.30
PALTO 150 0.85 0.85 0.75 0.75 0.75 0.80 0.80 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85
FRUTALES 250 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75
PAPA 140 1.00 0.70 0.45 0.50 0.50 0.70 0.90
MAÍZ 120 0.45 0.75 0.90 1.00 0.55 0.45 0.45 0.45
Atotal(Has)= 1010

50. • La evapotranspiración de referencia es la
siguiente
• La precipitación efectiva en la zona es cero.
Variable ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
ETo(mm/mes) 131 101 108 109 93 81 86 101 120 145 154 162
Días del mes 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31
Eto(mm/día) 4.24 3.59 3.48 3.64 3.00 2.69 2.79 3.27 4.02 4.68 5.12 5.23

51. SOLUCION
• Se determina el coeficiente de cultivo Kc
ponderado, la demanda neta y bruta de agua
Pe(mm/día)= 0
Atotal(Has)= 1010
Atotal(m2) 10100000
Efriego= 0.35
Variable ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Kpond= 0.70 0.73 0.71 0.75 0.64 0.61 0.64 0.66 0.69 0.77 0.75 0.77
CULTIVO AREA(Has) ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
ALFALFA 200 0.65 0.85 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10 1.10
TUNA 50 0.56 0.56 0.45 0.41 0.41 0.41 0.41 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56
ORÉGANO 100 0.40 0.40 0.65 0.95 0.40 0.65 0.95 0.40 0.65 0.95 0.40 0.30
PALTO 150 0.85 0.85 0.75 0.75 0.75 0.80 0.80 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85
FRUTALES 250 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75
PAPA 140 1.00 0.70 0.45 0.50 0.50 0.70 0.90
MAÍZ 120 0.45 0.75 0.90 1.00 0.55 0.45 0.45 0.45
Atotal(Has)= 1010

52. Variable ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Kc×Eto(mm/día) 2.9697 2.6341 2.4631 2.7206 1.9180 1.6312 1.7755 2.1569 2.7763 3.6278 3.8312 4.0018
Dn(mm/día) 2.9697 2.6341 2.4631 2.7206 1.9180 1.6312 1.7755 2.1569 2.7763 3.6278 3.8312 4.0018
Dn(m/día) 0.00297 0.00263 0.00246 0.00272 0.00192 0.00163 0.00178 0.00216 0.00278 0.00363 0.00383 0.00400
Dn(m3/día) 29994.17 26604.74 24876.89 27478.41 19371.39 16475.15 17932.07 21784.87 28040.29 36641.06 38694.98 40418.15
Db(m3/día) 85697.62 76013.53 71076.82 78509.73 55346.84 47071.86 51234.49 62242.48 80115.13 104688.74 110557.10 115480.44
Db(m3/s) 0.9919 0.8798 0.8226 0.9087 0.6406 0.5448 0.5930 0.7204 0.9273 1.2117 1.2796 1.3366
Qmáx(m3/s)= 1.3366
Pe(mm/día)= 0
Atotal(Has)= 1010
Atotal(m2) 10100000
Efriego= 0.35
La máxima demanda bruta es el caudal de diseño del canal
principal.

53. DEMANDA DE AGUA PARA USO
ENERGETICO
POTENCIAL DE GENERACIÓN
Para evaluar el potencial de generación de una microcentral
en una comunidad rural, es necesario realizar mediciones
preliminares, tanto del caudal disponible en la fuente de agua,
altura total entre el nivel de la bocatoma y la microturbina, la
longitud entre estos puntos y el diámetro requerido para
conducir el flujo de agua utilizado para mover la turbina. Con
estos parámetros se podrá determinar el tamaño de la turbina
y la capacidad de generación de electricidad del generador.
Para generar 10 kW se requiere un caudal mínimo de 28-30
litros por segundo y que la fuente de agua tenga una caída
vertical de 60 m o más con una longitud de tubería de 500-
600 m aproximadamente (FHA, 2008).

54. BALANCE HÍDRICO PARA UN
PROYECTO DE USO DE AGUA
Es el proceso de comparar la oferta con la demanda
de agua.
El balance se realiza a través de la formula
𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑒 = 𝑂𝑓𝑒𝑟𝑡𝑎 − 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎
Si la oferta es mayor a la demanda no existen
problemas de abastecimiento, si sucede lo contrario
si existen problemas de falta de agua.
Cuando el balance es positivo se denomina exceso
y cuando es negativo se denomina déficit.

55. EJEMPLO DE CALCULO
• En un río se proyecta captar agua para riego,
se requiere hacer el balance hídrico. Los
caudales del río al 75% de probabilidad
empírica son
• La demanda de agua bruta para el riego es la
siguiente
Variable ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Q (m3/s) 20 35 31 16 6 3 3 2 2 2 3 6
Variable ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Db(m3/s) 0.99 0.88 0.82 0.91 0.64 0.54 0.59 0.72 0.93 1.21 1.28 1.34

56. SOLUCION
• El balance hídrico se realiza comparando la oferta al 75% con
la demanda en todos los meses. Se observa que no falta agua.
Variable ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Q (m3/s) 20 35 31 16 6 3 3 2 2 2 3 6
Db(m3/s) 0.9919 0.8798 0.8226 0.9087 0.6406 0.5448 0.5930 0.7204 0.9273 1.2117 1.2796 1.3366
Exceso(m3/s) 19.0081 34.1202 30.1774 15.0913 5.3594 2.4552 2.4070 1.2796 1.0727 0.7883 1.7204 4.6634
Deficit(m3/s) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
m3/s
Mes
Balance hídrico
Oferta
Demanda

57. CONFLICTOS EN LOS USOS DE AGUA
CONFLICTOS ENTRE USOS
• Estos conflictos ocurren cuando el recurso no
satisface (cuantitativamente, cualitativamente
o en el tiempo) las demandas que generan los
diferentes destinos del agua de una cuenca.

58. • Esta categoría incluye conflictos entre usos
actuales entre sí (riego, abastecimiento de agua
potable, generación hidroeléctrica, minería, etc.)
entre éstos y nuevos usos (modalidades
extractivas novedosas, aprovechamientos que
implican un uso más intensivo, en el sentido de
mayor uso consuntivo o mayor impacto
ambiental) y la posibilidad de reservar una
porción del recurso para aprovechamientos
futuros (trasvases entre cuencas, mantenimiento
de caudales ecológicos, etc.).

59. • Esta insuficiencia del recurso se agrava por el
hecho de que los derechos o permisos de su
uso suelen no estar debidamente delimitados,
ni protegidos como tampoco inscritos.

60. • Desde esta perspectiva, una muestra
especialmente sensible para América Latina y
el Caribe es la de las industrias extractivas,
aunque también en forma cada vez más
perceptible lo son la agricultura intensiva y la
expansión urbana descontrolada.

61. • Los sectores de minería y petróleo resultan
claves para las economías de muchos países y
suponen para la región miles de millones de
dólares en inversiones predominantemente
extranjeras.

62. • Paralelamente, este tipo de industrias
demanda la utilización de grandes cantidades
de agua para sus operaciones, lo que se
traduce en disputas con otras actividades.

63. • La situación de tensión entre los beneficios
derivados de las inversiones y la preservación
del recurso se ha visto agravada en los últimos
años ante la proliferación de proyectos como
resultado del aumento de los precios
internacionales de esas materias primas.

64. • Muchos emprendimientos que eran
técnicamente o económicamente inviables
hasta hace pocos años se han vuelto
atractivos para los inversores, incrementando
la demanda de agua para estos nuevos usos.