Elementos_de_Diseno_para_Acueductos_y_Al.pdf

Elementos de diseñopara acueductosy alcantarillados
Primera edición: febrero de 1995
Primera reimpresión: agosto de 1996
Segunda reimpresión: julio de 1997
Tercera reimpresión: abril de 1998
Cuarta reimprerión: febrero de 1999
Quinta reimpresión: febrero de 2000
@ Ricardo Alfredo López Cualla, 1995
Escuela Colombiana de Ingeniería
Avenida 13 No 205-59
(Autopista Norte kilómetro 13, costado occidental)
Fax: 6762340 Santafé de Bogotá
Dirección editorial : Centro Editorial, Escuela Colombiana de Ingeniería,
Telefax: 6762655 e-mail:editor@escuelaing.edu.co
Diseño de portada : María Clemencia Afanador Caycedo
Armada electrónica : Grupo Editorial 87
Fotomecánica : Fotolito Villalobos
ISBN 958-95742-0-3
Prohibida la reproducción total o parcial de estaobra, por cualquier medio, sin autorización
escrita de la Escuela Colombiana de Ingeniería.
Impresopor QuebecorImpreandes
Impresoen Colombia- Pnnted in Colombia
Para la ESCUELA C O L O M B I A N A DE INGENIERIA constituye mo--
tivo de gran satisficción que uno de sus egresados, convertido a la docen-
cia uni'~ersitaria,
haga entrega a la sociedad de una obra cuidadosamente
escrita, minuciosamente elaborada y con el propósito de que los estudian-
tes de ingeniería civil dispongan de un texto de estudio y los colegas de un
libro de consulta.
Al presentar este libro sobre "Acueductos y Alcantarillados", escrito por el
ingeniero Ricardo López Cualla, profesor de la asignatum del mismo
nombre en la ESCUELA C O L O M B I A N A DE INGENIERIA, no sola-
mente cumpliócon la generosa petición del autor sino también con el deseo
perso-ial de enaltecer la producción editorial universitaria,pues ella refleja
el compromiso en la formación de las nuevas geneuuciones. Felicitaciones
m u y sinceras al ingeniero López y enhorabuena al gremio colombiano dc
zngcnzeros.
Santafé de Bogotá, febero 199fi.
Ing. Eduardo Silva Sánchcz
Rector

1.1 Generalidades
1.2 Enfermedades hídricas
1.3 Abastecimiento de agua
1.3.1 Esquema conveiicional de abastecimiento
1.3.2Fuentes de abastecimiento
1.3.2.1 Sistemas primarios
1.3.2.2 Sistemas principales
1.4 Volumen de agua
2.1 Factores determinantes
2.2 Períodos típicos de algunas obras
3.1 Métodos de estimación de la población futura
3.1.1 Método de comparación gráfica
3.1.2 Crecimiento lineal
3.1.3 Crecimiento geométrico
3.1.4 Crecimiento logarítniico
3.1.5 Métodos estadísticos
3.2 Ejemplo de proyección de población
4. CONSUMO DE AGUA 47
4.1 Factores determinantes del consumo
4.2 Clasificación del consumo de agua

10 ELEMENTOS
D
E DISENO
P
A
R
A ACUEDUCTOS
Y ALCANTARILLADOS
4.3 Consumo futuro
4.4 Caudal de diseño
4.5 Variación de los factores de mayoración del caudal máximo diario
para la obtención del caudal máximo horario
4.6 Ejemplo de cálculo de caudal
5. FUENTES DE ABASTECIMIENTO DE AGUA 57
5.1 Evaluación de la cantidad de agua 60
5.1.1 Medidor Parshall 60
5.1.2Vertederos 64
5.1.2.1 Vertederos rectangulares 64
5.1.2.2 Vertederos triangulares 66
5.1.3 Velocidad superficial 67
5.1.4 Correntómetros o n~olinetes 67
7.1.5 Estaciones de aforo con limnímetro 70
5.1.6 Trazadores químicos 70
5.2 Evaluación de la calidad del agua 72
6. OBRAS DE CAPTACIÓN 73
6.1 Captación de agua superficial
6.1.1 Tipos de bocatomas
6.1.1.1 Toma lateral con muro transversal
6.1.1.2 Bocatoma de fondo
6.1.1.3 Bocatoma lateral con bombeo
6.1.1.4 Bocatonla lateral por gravedad
6.1.I.5 Toma mediante estabilización del lecho
6.1.1.6Toma en en~balscs
o lagos
6.1.1.7Estaciones de bombeo flotantes y deslizantes
6.1.2 Bocatonia de fondo
6.1.2.1 Diseño de la bocatonla de fondo
6.1.3 Ejen~plo
de diseiío
6.2 Abastecimiento de agua subterránea
6.2.1 E1agua subterránea como recurso natural
6.2.2 Exploración
6.2.3 Evaluación
6.2.3.1 Hidráulica de aguas subterráneas
6.2.3.2 Pruebas de equilibrio
6.2.4 Explotación
6.2.5 Ejemplo de cálculo
6.2.6 Pozos dc bombeo e11aguas subterráneas
6.2.6.1Pozos excavados
6.2.6.2 Pozos barrenados o taladrados
6.2.6.3 Pozos hincados
6.2.6.4 Pozos ~erforados
CONTENIDO 11
7. BOMBAS Y ESTACIONES DE BOMBEO 113
7.1 Clasificación de las máquinas hidráulicas
7.1.1 Máquinas de desplazamiento positivo
7.1.2 Turbomáquinas
7.1.3 Máquinas gravimétricas
7.1.3.1 Ariete hidráulico
7.1.3.2 Ejemplo de aplicación del ariete hidráulico
7.2 Bombas centrífugas
7.2.1 Elementos constitutivos de las bombas centrífugas
7.2.1.1 Número específico de revoluciones
7.2.1.2 Cavitación
7.3 Diseño de estaciones de bombeo
7.3.1 Ubicación de la estación
7.3.2 Elementos de la estación de bombeo
7.4 Diseño del bombeo
7.5 Ejemplo de diseño
8. CONDUCCIONES
8.1 Conductos cerrados a superficie libre
8.1.1 Conductos prefabricados
8.1.2 Conductos construidos en el sitio
8.2 Especificaciones de diseño: bocatoma-desarenador
9. DESARENADOR
9.1 Generalidades
9.2 Especificaciones de diseño
9.3 Teoría de la sedimentación
9.4 Ejemplo de diseño del desarenador
10. CONDUCCI~N:
DESARENADOR - TANQUE DE ALMACENAMIENTO
10.1 Características hidráulicas de la conducción
10.1.1Tubería por debajo de la línea piezométrica
(conducción forzada)
1O
.1.2Lámina de agua coincidente con la línea piezométrica
(conducción libre)
10.1.3Tubería por encima de la línea piezométrica
1O
.1.4Tubería por encima del plano piezon~étrico
estático
10.1.5Tubería por encima de1plano estático de presión absoluta
10.2 Características físicas y accesorios de la conducción forzada
10.2.1Válvula de purga
10.2.2Ventosas
10.2.3Válvulas de control

12 ELEMENTOS
D
E DISENO
PARA ACUEDUCTOS
Y ALCANTARILLADOS
10.2.4 Materiales y presiones de trabajo
10.3 Cálculo de la línea de conducción
10.3.1 Coeficiente de rugosidad, C
10.3.2 Pérdida de carga unitaria, J
10.3.2.1 Pérdidas de carga localizadas
10.4 Anclajes
10.4.1 Empuje de la tubería
10.4.2 Cálculo del anclaje
10.4.3Tipos de anclajes
10.4.3.1 Codo en el sentido horizontal
10.4.3.2 Codo en el sentido vertical inferior
10.4.3.3 Codo en el sentido vertical superior
10.5 Dimensiones de las zanjas
10.6 Golpe de ariete
10.6.1 Mecanismo del golpe de ariete
10.6.2 Cálculo de la sobrepresión
10.6.3 Medidas contra el golpe de ariete
11.1 Medios de desinfección
11.2 Caseta de cloración
11.3 Dosificación del cloro
11.3.1 Cloro gaseoso en solución acuosa
11.3.2 Aplicación directa del cloro gaseoso
11.3.3Aplicación del cloro sólido o líquido
11.3.4 Empleo de tanque con orificios frotantes
11.4 Ejemplo de dosificación
12. TANQUE REGULADOR 209
12.1 Generalidades
12.2 Tipos de tanques
12.2.1Tanque de distribución
12.2.2Tanque de compensación
12.3 Disposición de accesorios en los tanques reguladores
12.3.1Tanque superficial
12.3.2Tanque elevado
12.4 Capacidad del tanque de distribución
12.4.1 Método de la curva integral
12.4.2 Cálculo de la capacidad del tanque alimentado por gravedad
12.4.3 Cálculo de la capacidad del tanque elevado (alimentación por bombeo,
12.4.4 Volunlen adicional para incendios
12.4.5Volunien adicional para emergencias
12.4.6 Diniensionamiento del tanque superficial
12.5 Ejemplo de cálculo
CONTENIDO 13
13. RED DE DISTRIBUCIÓN 2'33
13.1Generalidades
13.2 Trazado de la red
13.3 Especificaciones de diseño
13.3.1 Caudal de diseíio
13.3.2 Presiones de servicio
13.3.3Válvulas
13.3.4 Otras especificaciones
13.4 Cálculo hidráulico de la red en malla
13.4.1 Método de Hardy-Cross
13.4.2Método de longitudes equivalentes
13.4.3Distribución de caudales iniciales
13.4.4Trazado de la red principal
13.5 Conexiones domiciliarias
13.6.1 Cálculo de las mallas por el método de Hardy-Cross
13.6.2 Cálculo de las mallas por el método de longitudes equivalentes
14. ALCANTARILLADOS 263
14.1 Sistemas de alcantarillados
14.1.1 Clasificación de las tuberías
14.1.2 Disposición de la red del alcantarillado
14.2 Otros eleinentos del alcantarillado
14.2.1 Cambios de dirección en colectores
14.2.2 Caída o cambio de pendiente
14.3 Normas generales de diseño
14.3.1 Localización de los colectores
14.3.2 Convenciones
14.3.3 Profundidad míninia a la clave de los colectores
14.3.4 Cálculo hidráulico de tos colectores
14.3.5Unión de los colectores
14.3.5.1Empate por cota clave
14.3.5.2Empate por la línea de energía para flujo subcrítico
14.3.5.3Enipate por la línea de energía para flujo supercrítico
15. ALCANTARILLADO SANITARIO 291
15.1 Caudal de diseño
15.1.1 Caudal de aguas residuales doniésticas
15.1.1.1 Coeficiente de retorno
15.1.1.2 Consunio de agua potable
15.1.1.3 Densidad de población
15.1.4.4Area de drenaje
15.1.2 Caudal industrial
15.1.3 Caudal coniercial
15.1.4 Caudal institucional

14 ELEMENTOS
D
E DISENO
P
A
R
A ACUEDUCTOS
Y ALCANTARILLADOS
15.1.5 Caudal medio diario de aguas rcsiduales
15.1.6Caudal máximo horario de aguas residuales
15.1.7Caudal de infiltración
15.1-8Caudal de conexiones erradas
15.1.9Caudal de diseño
15.2 Otras especificacionesde diseño
15.2.1 Velocidad
15.2.2Diámetro mínimo
15.2.3Diámetro de diseño
16. ALCANTARILLADO PLUVIAL 309
16.1 Descripción del sistema
16.2 Evaluación del caudal de diseño
16.2.1 El método racional
16.2.1.1Area de drenaje
16.2.1'2Intensidad de la lluvia
16.2.1.3Coeficiente de escorrentía
16.3 Normas de diseño
16.3.1Velocidad
16.3.2Diámetro mínimo
16.3.3Borde libre en los colectores
16.3.4Tiempo de concentración
16.4 Ejemplo de diseño del alcantarillado pluvial
16.5 Sumideros de aguas lluvias
16.5.1 Clasificación de 10s sunlideros
16.6 Canales de aguas lluvias
16.6.1 Sección hidráulica del canal
16.6.2Diseño hidráulico del canal
16.6.2.1Análisis dimensional
16.6.2.2Velocidades máxinias y mínimas
16.6.2.3Pendiente de los taludes
16.6.2.4Curvatura
16.6.2.5Transiciones
16.7 Ejemplo de diseño del canal de aguas lluvias
17. SIFÓN INVERTIDO
17.1 Generalidades
17.2 Ejemplo de diseño del sifón invertido
ÍNDICE DE TABLAS 371
Como resultado de la consulta de diferentes fuentes y de las experiencias
en diseño del autor, se presenta este trabajo que constituye un cornpen-
dio de los apuntes de clase del Curso de Pregrado de Acueductos y Alcanta-
rillados ofrecido por la ESCUELA COLOMBIANA D E INGENIERIA.
Las normas de diserio utilizadas no son las únicas existentes, por lo que el
criterio del ingeniero es fundamental para su selección y aplicación.
En los primeros capítulos se introducen algunos conceptos generales, re-
lativos al diseño de acueductos y alcantarillados, los cuales, debido al al-
cance del libro, no son tratados en profundidad. A partir del capítulo 6 se
presenta el diseño de acueductos, siguiendo un desarrollo secuencia1
de las diferentes estructuras hidráulicas necesarias para llevar el agua desde
la fuente de abastecimiento hasta el usuario. A partir del capítulo 14 se
presenta el diseño de alcantarillados y algunas estructuras anexas.
Los diseños están orientados a poblacio~les
rurales, en donde ha de con-
centrarse el mayor esfuerzo posible del ingeniero para dar solucio~~es
adecuadas a la problemática del saneamiento ambiental.
Quiero agradecer a la ESCUELA COLOMBIANA D E INGENIERIA
su colaboración para hacer posible la publicación de este libro, y a todos
los colegas que participaron con su orientación y consejo en la edición.
Ing. Ricardo A. López C.

entro de la problemática del "saneamiento básico" de comunida-
des tienen enorme importancia el suministro de agua potable y la
recolección de las aguas residuales. Cualquier población, por
pequeña que ésta sea, debería contar como mínimo con los servicios de
acueducto y alcantarillado, si se espera de ella un desarrollo social y eco-
nómico y, ante todo, la reducción de las altas tasas de morbilidad y mor-
talidad en especial de la población infantil.
El trabajo que deben desarrollar los ingenieros hoy en día no es tanto el
diseño y ampliación de redes en grandes ciudades, sino la creación de la
infraestructura necesaria en poblaciones pequeñas, en términos de solu-
ciones adecuadas y acordes con una limitada inversión de capital. Es por
esto que los diseños y normas que se incluyen en estas notas son orienta-
dos a una solución básica de los servicios referidos.
Con el objeto de suministrar agua potable a una comunidad, es necesaria
la construcción de una serie de obras hidráulicas para la captación, el sis-
tema de purificación del agua, la conducción, el almacenamiento y la distri-
bución. Igualmente, para la recolección de las aguas servidas, es necesario
proyectar una red de colectores y obras complementarias que conduzcan el
agua residual a una planta de tratamiento, y luego las viertan a un cuerpo de
agua receptor. En la figura 1.1se esquematiza este proceso.
Son causadas por elementos patógenos, perjudiciales para la salud huina-
na, que utilizan como vectores el agua y otros agentes como moscas, ratas
y alimentos. Generalniente son originadas por descargas intestinales o

Distribución' "aguas servidas
' / Tratamiento
/ aguas residuales
Captación y
tratamiento
articular
Particular
Industria
Figura 1.1 Esquema del manejo de agua en una comunidad
por contagio. En general, las medidas preventivas son las mismas para to-
das las enfermedades:
1. Suministro de agua potable con una calidad química y bacteriológica
aceptable (acuedk;).
2. Adecuada disposición de excretas (alcantarillado).
3. Adecuada disposición de los residuos sólidos (relleno sanitario).
4. Limpieza de alimentos y pasteurización de la leche,
5. Control permanente de la calidad del agua.
6. Educación del público en los aspectos de higiene personal. saneamien-
to ambiental básico y jornadas de vacunación.
Las enfermedades hídricas son causadas por virus, bacterias, protozoos o
helmintos. Estas enfermedades pueden ser de tipo endémico o esporádicas.
Tabla 1.1
Enfermedades hídricas
Enfermedad Agente etiológico
Fiebre tifsidea Bacilo de Eberth
Fiebre paratifoidea
Disentería bacilar
Cólera
Parálisis infantil
Parasitismo intestinal
Gastroenteritis
Hepatitis infecciosa
Disenteria amibiana
Salmonella paratyphi-A
Género shigella
Vibrio cornrna
Virus
Virus
Microorganismo
Virus
Enfarnoeba hisrolytica
Cólera
Es producida por la bacteria Vibrio Comma, de 1 a 4 micrones de largo y
0.2 a 0.4 micrones de diámetro, Gram-negativa, no esporosa. Posee una
gran resistencia a los agentes desinfectantes o al secado. Su período de
vida en aguas residuales es muy corto, pero en aguas naturales, no conta-
minadas, es de 1 a 2 semanas y puede llegar hasta 1 mes según sea la cali-
dad del agua.
Ésta es una enfermedad infecto-contagiosa, por lo común endémica, y es
adquirida por la ingestión del Vibrzo Comma a través de la comida o el
agua; tiene un período de incubación típico de 3 días.
Disentería amibiana
También llamada amibiasis o colitis amibiana, es causada por el protozoo
unicelular Entamoeba Histolytica, el cual agrupado en quistes es inuy
resistente. Se adquiere al ingerir agua o alimentos contarninados y su pe-
ríodo de incubación es de 2 ó 3 días pero puede llegar hasta 4 semanas.
Cuando estos diminutos-animales se encuentran en bajas proporciones, el
tratamiento convencional (coagulación, filtración y cloración) ha proba-
d o ser efectivo en la mayoría de los casos. Si se encuentran en proporcio-
nes abundantes (situación endémica), se recomienda la supercloración y
posteriorn~ente
la decloración seguida de la poscloración.
Parálisis infantil
Llarnada también poliomielitis, es causada por el virus de la poliomielitis,
del cual se han identificado tres tipos diferentes. Este tipo de virus es bas-
tante resistente pero puede ser inactivado con una dosis de 0.05 mg/L de
cloro libre (en ausencia de materia orgánica).
El virus ataca el sistema nervioso central y causa la parálisis de las extre-
midades inferiores. Generalmente ataca a la población infantil (de 1 a 16
ai7os) aunque en ocasiones puede afectar a adultos jóvenes. El período de
incubación es de 1 a 2 semanas, pero la persona afectada puede ser porta-
dora del virus por varios meses.
1.3.1 Esquema convencional de abastecimiento
Cualquier sistema de abastecimiento de agua a una comunidad, por rudi-
mentario que sea, consta de los siguientes elementos:

ELEMENTOS
D
E DISENO
P
A
R
A ACUEDUCTOS
Y ALCANTARILLADOS
1. Fuente de abastecimiento.
2. Obras de captación.
3. Obras de conducción.
4. Tratamiento del agua.
5. Almacenamiento.
6. Distribución.
1. Fuente de abastecimiento
La fuente de abastecimiento de agua puede ser superficial, como en los
casos de ríos, lagos, embalses o incluso aguas lluvias, o de aguas subterrá-
neas superficiales o profundas. La elección del tipo de abastecimiento de-
pende de factores tales como localización, caIidad y cantidad.
2. Obras de captación
El tipo de estructura utilizada para la captación del agua depende en pri-
mer lugar del tipo de fuente de abastecimiento'utilizado. En general, en
los casos de captación de agua superficial se habla de "bocatoinas",
mientras que la captación de aguas subterráneas se hace por medio de
"pozos".
3. Obras de conducción
En un proyecto existen numerosas conducciones de agua entre diferentes
puntos, como por ejemplo bocatoina-desarenador, desarenador-tanque
de almacenamiento y línea matriz. Hidráulicamente estas conducciones
pueden ser de diferentes formas, dependiendo'de la topografía y la lon-
gitud de las mismas. Estas conducciones son generalmente por tubería a
presión o por gravedad, por canales rectangulares o trapeciales abiertos
o cerrados.
4. Tratamiento del agua
En la actualidad ningún agua en su estado natural es apta para el consu-
mo humano; además, siempre se requerirá un tratamiento mínimo de clo-
ración con el fin de prevenir la contaminación con organismos patógenos
durante la conducción del agua.
5. Almacenamiento
Dado que el caudal de captación no es siempre constante y que el caudal
demandado por la comunidad tampoco lo es, es necesario almacenar agua
en un tanque durante los períodos en los que la demanda es menor que el
suministro y utilizarla en los períodos en que la comunidad demanda
gran cantidad del líquido.
6. Distribución
La distribución de agua a la comunidad puede hacerse desde la manera
más simple que sería un suministro único por medio de una pileta de
agua, hasta su forma más compleja por medio de una serie de tuberías o
redes de distribución que llevan el agua a cada domicilio.
1.3.2 Fuentes de abastecimiento
Según sean las características del proyecto, tales como disponibilidad de
fuentes de agua, tamaño de la población, caudal requerido y recursos econó-
micos, se puede adoptar un sistema de captación primario o principal.
1.3.2.1Sistemasprimarios
Por su bajo costo, sencillez de construcción y manejo, estos sistemas son
más adecuados para comunidades muy pequeñas o soluciones individua-
les de agua.
Pozos superficiales
Debido a la naturaleza de las formaciones geológicas y de la hidráulica
subterránea, estos pozos pueden ser excavados manualmente o mediante
la utilización de barreno manual. Su profundidad por lo general no es
mayor de 20 metros en el caso de perforaciones con barreno manual.
Dependiendo de las características del nivel piezométrico y de las condi-
ciones hidráulicas del depósito de agua, puede darse el caso de un acuífe-
ro artesiano (el agua mana a la superficie sin necesidad de la utilización de
bombas), o de un acuífero que es recargado por la infiltración superficial,
en cuyo caso hay necesidad de utilizar el bombeo, en general mediante
bombas sumergibles.
Manantial
Un manantial es un afloramieilto superficial de agua subterránea, el cual
puede ser por gravedad pasando a través de una capa superficial perinea-
ble, o bien puede ser un manantial artesiano si el estrato permeable se ha-
lla confinado entre dos estratos impermeables y se encuentra a presión
debido a la cota piezctnétrica del depósito de agua.

24 ELEMENTOS
D
E DISENO
P
A
R
A ACUEDUCTOS
Y ALCANTARILLADOS INTRODUCCIÓN 25
Pozo excavado
/ I
Nivel
piezom6trico -
-
,
,
1 Estrato impermeable %
Figura 1.2 Pozos superficiales.
Los manantiales artesianos son por lo general perennes y no dependen de
la época del año, mientras que los manantiales por gravedad suelen ser
periódicos y relacionados con la época del año..
Los manantiales están sujetos a la contaminación superficial del agua, por lo
que se les debe dar una protección adecuada. Por otra parte, no deben insta-
larse pozos sépticos o letrinas en cercanías del afloramiento. El esquema de
la obra de captación del agua de un manantial se ilustra en la figura 1.4.
Agua
Agua subterrknea
Estrato impermeable
f Cerca de
/ yprotección
Muro de contención
k/
1 ,
perimetral
Zanja de
drenaje
Figura 1.4 Captación de agua en un manantial.
Cisterna
Las cisternas son sistemas de recolección y almacenamiento de aguas Ilu-
vias. Ésta es una solución viable en zonas rurales donde no se dispone fá-
cilmente de otras fuentes de agua.
Para obtener agua potable se debe por lo menos filtrar y clorar. La cali-
dad física y química del agua al comienzo de la lluvia no es aceptable, ya
Tanque de --+
almacenamiento
Filtro

la bomba

Figura 1.3 Tipos de manantiales. Figura 1.5 Sistema de recolección de agua lluvia.

26 ELEMENTOS
D
E DISENO
P
A
R
A ACUEDUCTOS
Y ALCANTARILLADOS
que inicialmente arrastra y adsorbe partículas de polvo y otros contami-
nantes atmosféricos y de los tejados.
Por la razón anterior, este sistema no debe ser utilizado en zonas donde
haya un desarrollo industrial importante; la contaminación del aire pro-
duce graves problemas como, por ejemplo, el fenómeno de lluvia ácida
(S02 ?+H20 *HzS04)
Nacimiento en ciénagas
Las ciénagas son terrenos pantanosos donde por efectos del nivel freático
el agua se mantiene muy superficial. En este caso se abren zanjas en for-
ma de espina de pescado rellenas de gravilla y se les da una pendiente ha-
cia un colector central con unión a junta perdida (campana y espigo
separados) como se indica en la figura 1.6.
Galería de infiltración
La galería de infiltración es un sistema de intercepción de agua subterrá-
nea que fluye hacia un río o un lago. Puede ser superficial o profunda, se-
gún la naturaleza de la h i d r ~ - ~ e o l o ~ í a
del sector. La galería tipo zanja
cubierta es similar al sistema utilizado para la captación de aguas en cié-
nagas, mientras que la galería tipo "conducto" se muestra en la figura 1.7.
Zania
L
Figura1.6 Captación en ciénagas.
Grava
//L
I Tipo Zanja Tipo Conducto
I
Figura 1.7 Tipos de galerías de infiltración
Estas galerías son construidas paralelas al río o al contorno del lago y con-
ducen el agua a un tanque de almacenamiento de donde es bombeada.
1.3.2.2Sistemasprincipales
Los sistemas principales son utilizados para poblaciones pequeñas pero
estructuradas (municipios). Estos sistemas de abastecimiento se clasifican
según se indica en la tabla 1.2, y se ilustran en las figuras 1.8 a 1.10.
/'apma Conducción a
superficie libre
almacenamiento
I
Red de I
distribución
Figura 1.8 Captación por gravedad y conducción por gravedad

28 ELEMENTOS
DE DISENO
PARA ACUEDUCTOS
Y ALCANTARILLADOS
Cloración
Desarenador
Conducción +
almacenamiento
Red de
Figura 1.9 Captación por gravedad y conducción forzada.
i ,
/ Desarenador ' Tanque de succión
Figura 1.10 Captación por gravedad y conducción forzada con bombeo.
Tabla 1.2
Tipos de captación y conducción en sistemas principales
Captación Tipo de flujo
Gravedad -Flujo en conducción a superficie libre.
- Flujo en conducción forzada.
Bombeo - Flujo en conducción a superficie libre.
- Flujo en conducción forzada.
-
La deter~ninación
de la cantidad de agua que debe ser suministrada por
el acueducto es la base del diseño de éste. Debido al hecho de que los
sistemas de acueductos y alcantarillados están constituidos por estruc-
turas relativamente grandes, tales como presas, plantas de tratamiento, con-
ducciones, etc., los diseños deberán satisfacer las necesidades de la
población durante un período suficientemente grande.
Para cumplir con lo dicho anteriormente se requiere estudiar factores ta-
les como:
1. Período de diseño.
2. Población de diseño.
3. Área de diseño.
4. Hidrología de diseño.
5. Usos del agua.
6. Inversión de capital.

entiende por período de diseño, en cualquier obra de la ingenie-
ría civil, el número de años durante los cuales una obra determina-
da ha de prestar con eficiencia el servicio para el cual fue diseñada.
Los factores que intervienen en la selección del período de diseño son:
1. Vida útil de las estructuras y equipo tomados en cuenta obsolescencia,
desgaste y daños.
2. Ampliaciones futuras y planeación de las etapas de construcción del
proyecto.
3. Cambios en el desarrollo social y económico de la población.
4. Comportamiento hidráulico de las obras cuando éstas no estén funcio-
nando a su plena capacidad.
A continuación se dan algunas guías de ~ e r í o d o s
de dise50 utilizados a
menudo en estructuras hidráulicas.
- Presas y grandes conducciones: 25 a 50 años.
- Pozos, sistemas de distribución, plantas de purificación de aguas y
plantas de tratamiento de aguas residuales:
Crecimiento bajo: 20 a 25 años
Crecimiento alto: 10 a 15 años.
- Tuberías con diámetros mayores de 12 pulgadas: 20 a 25 años.
- Alcantarillados: 40 a 50 años.

r f
a determinación del número de habitantes para los cuales ha de di-
r #@señarse el acueducto es un parámetro básico en el cálculo del cau-
gr&&gg
bwme da1 de diseño para la comunidad. Con el fin de poder estimar la
población futura es necesario estudiar las características sociales, cultura-
les y económicas de sus habitantes en el pasado y e11el presente, y I-iacer
predicciones sobre su futuro desarrollo, especialmente en lo coilceriliente
a turismo y desarrollo industrial y comercial.
Una ciudad, pueblo o aldea, es un ente dinámico y su i~úmero
de habitan-
tes crece por nacimientos e inmigraciones y decrece por muertes y emi-
graciones. También puede crecer por anexión de otras conceiltraciones
humanas más pequeñas. El elemento más importante y menos previsible
en el desarrollo de la comunidad es el crecimiento industrial y comercial,
el cual depende de manera importante de las políticas a nivel inacroecorió-
mico del país, que pueden cambiar según los planes de gobierno.
Sin tener en cuenta el factor industrial y comercial, la población presentará
un crecimieilto vegetativo, es decir, con espacio y oportunidad económica
limitados. En este caso, la curva de crecimiento de la población tiene forina
de S y presenta tres etapas de crecimiento según se indica en la figura 3.1,
en donde:
AB = Crecimiento temprano con índice creciente. Crecimiento geométrico.
B C = Crecimiento intermedio con índice constante. Crecimiento lineal.
CD = Crecimiento tardío con índice decreciente. Crecimieilto logarítrnico.
D = Población de saturación.
La base de cualquier tipo de proyección de población son los censos. En
Colombia se dispone actualmente de los censos realizados en los arios de

Tiempo
Figura 3.1 Curva S de crecimiento vegetativo
1938, 1951, 1964, 1973, 1986 y 1993. Esta recopilación de datos se eri-
cuentra en el Departamento Adn~inistrativoNacional de Estadística
(DANE) pero pueden existir otras entidades locales que dispongan de
censos de fechas diferentes.
Existen varias metodologías para la proyección de población; sin einbar-
go, se hará una presentacióii de los métodos cuya aplicación es más gene-
ralizada. Inicialmente se hace la descripcióil de cada uno de ellos y
posteriormente se desarrolla un ejemplo comparativo.
3.1.1 Método de comparación gráfica
El método de comparación gráfica consiste en hacer una comparación de
manera gráfica de la población en estudio y de otras 3 poblaciones del
país con determinadas características. El método supone que la población
en cuestión tendrá una tendencia de crecinliento similar al promedio del
crecimiento de las otras tres, después de que se haya sobrepasado el Iírni-
te de la población base (último censo de la población estudiada).
Se trabaja entonces con poblaciones de las siguientes características:
Población A: Ciudad estudiada.
Población B: Ciudad de la misma región, similar en desarrollo, clima y
tamaño.
Población C: Ciudad de la misma región, similar en desarrollo y c l i i n ~
pero de un número relativamente iilayor de habitantes que la población A.
Población D: Ciudad de otra región del país pero de nlayor población
que la población A. N o se deben tomar en cuenta ciudades que, por sus
características especiales, no sean representativas del crecimiento de la re-
gión en donde se encuentra la población A.
El procedimiento es el siguiente:
a) Se desplazan paralelamente, hasta el último censo de la población A,
cada una de las curvas de crecimiento de las poblaciones B, C y D que
sobrepasen la población base.
b) D e ser necesario, se prolonga hasta el año correspondiente al período
de diseño la última tendencia de crecimiento de las poblaciones B, C y
D.
c) Se adopta como población de la ciudad A el promedio de los valores
de población de las 3 curvas desplazadas y prolongadas, para cada uno
de los años de interés.
3.1.2 Crecimiento lineal
Si el aumento de la población es constante e independiente del tamaño de
ésta, el crecimiento es lineal. Si P es la población y T es el tiempo, entonces:
integrando entre los límites de último censo (uc) y censo inicial (ci) se tie-
ne:
en donde: k, = Pendiente de la recta
Pu, = Población de último censo
Tu, = Año del último censo
P,, = Población del censo inicial
T,, = Año del censo inicial
Podrá tonlarse un valor de k, promedio entre los censos o un k, entre el
primer censo y el último censo disponible. Por lo tanto la ecuación de
proyección de población será:

en donde: Pf = Población proyectada
Ti = Año de la proyección
El método de proyección lineal es un tnétodo coinpletamente teórico y
rara vez se da el caso de que una población presente este tipo de creci-
miento.
3.1.3 Crecimiento geométrico
El crecimiento será geométrico si el aumento de población es proporcio-
nal al tamaño de ésta. En este caso el patrón de creciiniento es el inisino
que el de interés compuesto, el cual se expresa así:
en donde r es la tasa de crecimiento anual. Tomando logaritnios a ambos
lados de la ecuación se obtiene la ecuación de proyeccióil de población:
Log Pj = Log P,, + (7j-Tu,)Log (1 + r) (3.5)
Por otra parte, reemplazando los valores del último censo y del censo ini-
cial en la ecuación anterior se obtiene la tasa de crecimiento anual:
-
Tu, - T,,
Este último valor es reemplazado en la ecuación (3.5) para hacer la pro-
yección de población.
3.1.4 Crecimiento logarítmico
Si el crecimiento de la es de tipo exponencial, la población se
proyecta a partir de la siguiente ecuación:
Integrando !a ecuación (3.7) entre dos períodos de tiempo cualesquiera se
tiene:
Ln PLp-LnP,,
k, =
Tcp- Tm
donde el subíndice cp corresponde al censo posterior y el subíndice ca al
censo anterior.
La aplicación de este método requiere el conociniiento de por lo tiletios
tres censos, ya que al evaluar un kgpromedio se requiere de un rnínirno
de dos valores de kg.
Haciendo una integración abierta de la ecuación (3.7) se obtiene:
-
L n P + C = k g T paraT=O => P = P,,
Reemplazando el valor promedio de k, obtenido de la ecuación (3.9) en la
ecuación (3.10), la ecuación de proyección de población será:
-
Ln Pf = Ln P,, + k, (7j-T,,)
3.1.5 Métodos estadísticos
Además de los métodos de proyección anteriores, pueden ernplearse mé-
todos estadísticos para ajustar los valores llistóricos a la ecuación de re-
gresión para una curva lineal, exponencial, potencial o iogarítinica que se
indican a continuación.
1. Línea recta (regresión lineal): y = a + bx (3.12)
2. Curva exponencial (a > 0): bx
y = ae (3.13)
3. Curva logarítmica: y = a + b ln (x) (3.14)
4. Curva potencial (a > 0): y = m b (3.15)
En las ecuaciones anteriores el término y corresponde a la población, el térini-
no x corresponde al tiempo en años y los coeficientes de regresión a y b se en-
cuentran resolviendo el siguiente sistema de ecuaciones simultáneas,
teniendo en cuenta la relación de variables indicada en la tabla 3.1:
siendo n el número de parejas (x,,y,) disponibles (número de censos dis-
ponibles).
El coeficiente de correlación para el ajuste seleccionado está dado por:

Es importante anotar que por lo general los ajustes lineal y logarítrnico
no dan buenos resultados, ya que rara vez se presentan estas tendencias
de crecimiento en una comunidad y, por el contrario, los ajustes a una
curva exponencial (ecuación 3.13) generalmente dan mayores coeficientes
de correlación.
Tabla 3.1
Relación de variables para las regresiones estadísticas
Lineal a b xi Yi
Exponencial ln a b xi In yi
Logarítmica a b In XI yi
Potencial In a b In xi In yi
A continuación se desarrolla un ejemplo de proyección de población uti-
lizando los cuatro tnétodos vistos anteriormente. La proyección de po-
blación se hace para 20años a partir de la fecha actual (1992), y se prevén
dos etapas en el diseño, de 10 años cada una. Los censos disponibles son
los siguientes:
Año Poblacibn
1938 1O00
1951 1500
1964 1800
1973 2500
1986 3500
1. Método de comparación gráfica
-
Población (miles de habitantes)
Año A B C D
La población A es la población del proyecto cuya base es de 3500 habi-
tantes. Cualquier tendencia de las otras tres poblaciones es trasladada pa-
ralelamente al nuevo origen: X = 1986, Y = 3.5.
2. Método lineal
3. Método geométrico
4, Método logarítmico
-
Ln Pf= Ln P,, +k, (Tf-
T,;)
k,, = 0.031
19 k,, = 0.03650

Población (miles de habitantes) 1
Años
Figura3.2 Gráfica de comparación de crecimiento entre varias ciudades.
Los resultados obtenidos de las proyecciones de población se indican a
continuación.
1 Población (en miles de habitantes)
Año
1
I Lineal Geométrico Logarítmico
En la siguiente figura se indican los resultados de los cuatro métodos an-
teriores. La proyección definitiva se hace tomando el promedio aritméti-
co de 10s 4 valores.
Años
Figura 3.3 Comparación gráfica de los resultados obtenidos por los cuatro métodos.
La población definitiva para cada etapa es la siguiente:
Población (habitantes)
Año Gráfico Lineal Geométrico Logarítmico Promedio
1992 41O0 3813 4093 4274 4070
2002 5200 4333 5314 5593 5110
2012 61O0 4854 6899 7320 6293
De acuerdo con las tendencias de crecimiento de la población indicadas
en la figura 3.3, es posible pensar en descartar la proyección lineal, ya que
ésta no obedece a la del crecimiento histórico de la población estudiada.
Sin embargo, para efectos del presente diseño y teniendo en cuenta que la
magnitud de la población obtenida por el método lineal no difiere mucho
con respecto a la de los otros métodos de proyección, se opta por toinar
conlo población de diseño los valores obtenidos del promedio de todos
los métodos de proyección utilizados en el presente ejemplo.

1 compleinento necesario para establecer el caudal d e diseño
d e un acueducto es la determinación del consumo de agua.
El consumo es el volumen de agua utilizado por ui-ia persona
en u n día y se expresa por lo general en litros por habitante y por
día (L1hab.d).
La determinación del consumo se debe hacer con base en datos estadísti-
cos del consumo pasado y presente de la población (en el caso de que se
disponga de esta información) o, si no, basándose en estos mismos datos
de otras poblaciones vecinas.
Los factores incidentes en el consumo de una pob1aciól-i son los siguien-
tes:
1. Temperatura
Debido a las condiciones propias de la actividad del ser humai-io, entre
mayor sea la temperatura, mayor será el consumo de agua. Por ejen-i-
plo, se beberá más agua, el aseo personal será más frecuente, se em-
plean sistemas de aire acondicionado y el riego de jardines será inás
intensivo.
2. Calidad del agua
Por razones lógicas, el consumo de agua será mayor e11 la medida en que
las personas tengan la seguridad de una buena calidad del agua. Lo ante-
rior es válido para el sector doméstico y el industrial.

50 ELEMENTOS
DE DISENO
PARA ACUEDUCTOS
Y ALCANTARILLADOS
3. Características socioeconómicas
El consumo de agua depende también en buena parte del nivel de educa-
ción y del nivel de ingresos de la población. Por esta razón en ciudades
desarrolladas, como las capitales de departamentos, el consumo de agua
es mayor que en pueblos pequeños o caseríos.
4. Servicio de alcantarillado
El hecho de disponer de una red de alcantarillado incrementa notable-
mente el consumo de agua potable, en cornparación con sistemas de
evacuación de excretas primarios como letrinas, o donde no existe nin-
gún sistema y la disposicióil se hace al aire libre. En estos casos extre-
mos el consumo puede variar desde 300 L/hab.d para grandes
metrópolis hasta 40 L/hab.d. para poblaciones sin servicios de alcanta-
rillado.
5. Presión en la red de distribución de agua
Si se tienen altas presiones en la red, se presentarán mayores desperdicios
en el consumo doméstico al abrir las llaves de los lavamanos, regaderas y
otros elementos. Igualmente, se puede presentar un inayor núinero de
rupturas de tubos dentro del domicilio o en la rnisma red de distribucióil,
aumentando así el volumeil de agua perdida.
6. Administración
Una admiilistración eficiente controlará mejor el consumo de agua redu-
ciendo las fugas y desperdicios, y vigilando las conexiones clandestinas.
Para realizar la labor anterior se debe contar con equipos especializados,
como amplificadores electrónicos de sonido o trazadores radioactivos
débiles y de corta vida, los cuales son inuy costosos y no están al alcance
de la capacidad de adquisición de todos los inunicipios.
7. Medidores y tarifas
Al instalar un sistema nuevo de acueducto, puede ser que en un principio
no se instalen inedidores y tampoco se cobre por el uso del agua. Con el
tiempo el consumo se incrementa y se instalan medidores, lo cual causa
un impacto psicológico sobre los co~isumidores,
por lo que el consu~no
disminuye. Posteriormente el consumo auinenta y es entonces necesaria
la implantación de un sistema de tarifas para racionalizar el consuino de
agua.
Tradicionalmente se ha clasificado el consumo coino: 1) don~éstico,
2) in-
S dustrial y comercial, 3) público y 4) pérdidas y desperdicios. E n la tabla
4.1 se presentan, como guía, valores típicos estadísticos del consumo para
cada uno de los sectores definidos.
Tabla 4.1
Consumos típicos de los sectores doméstico, industrial, comercial, público y pérdidas
Consumo ltem Consumo (Uhab.d)
Doméstico Aseo personal
Descarga de sanitarios
Lavado de ropa
Cocina
Riego de jardines
Lavado de pisos
-
-
-
-
Total consumo doméstico 135 O
Industrial y comercial Lecherías 0.8
Fábricas de bebidas 0.,2
Fábricas de hielo 1.O
Curtiembres 0.5
Edificios industriales 10.0
Almacenes 3.5
Total consumo ind. y com. 16.0
Público Lavado de calles
Mataderos
Hospitales
Riego de parques 9.0
Lavado de alcantarillado 3.0
Total público 21.O
Subtotal 172.0
Perdidas y desperdicios % del subtotal anterior.
Se puede adoptar un 17%* 28.0
-
Consumo total para el caudal de diseño 200.0
* El porcentajede pérdidasy desperdicios depende en gran parte de la infraestructuradel municipio necesariapara controlar
estos factores. Puede ser de un 45% para poblaciones con poca capacidadtécnica hasta un 5% en poblaciones con un
alto grado de desarrollotécnico y administrativo.

Es importante hacer algunas aclaraciones respecto de estas guías.
Si se establece un plan de consumo racional del agua por efectos de un ra-
cionamiento, dentro del consumo doméstico el aseo personal y la descar-
ga de sanitarios tienen un peso muy importante. Lo anterior ha llevado al
diseño de sanitarios de bajo volumen de descarga y de adaptadores para
lavamanos y regaderas.
Las guías del consumo industrial, comercial y público deben usarse con
criterio acertado ya que, por una parte, los valores pueden cambiar de in-
dustria a industria de acuerdo con los procesos que en ellas se desarrollen
y con la tecnología utilizada y, de otra parte, estos valores son inde-
pendientes del número de habitantes de la población. Por la razón ante-
rior, es más recomendable determinar el consumo de las industrias en la
localidad por medio de encuestas directas. En la tabla 4.2 se incluyen al-
gunos valores diferentes de consumo para entidades.
Como se mencionó anteriormente, el consumo de agua es función de la
temperatura y del desarrollo socioeconómico. En la tabla 4.3 se muestran
algunos valores de consumo en función de estos dos parámetros.
Tabla 4.2
Valores típicos del consumo en diferentes entidades
industriales y comerciales
Entidad Consumo (Ud)
Hoteles (por habitación) 500
Escuelas <20 alumnos
>20 alumnos
Industrias (por persona empleada) 80
Depósito de materiales
Farmacias o graneros de 50 m2
100 m'
200 m2
>200 m2 (por m2)
-
Fuentes de soda y heladerías de 20 m2
50 m2
>50 m2
Restaurantes de 50 m2 40
>50 m* 90
Oficina (por empleado y por 10 m2) 80
Hospitales (por cama) 400
Tabla 4.3
Consumo total en función de la temperatura y del desarrollo
socioeconómico
Condiciones Consumo (Uhab.d)
Zona rural 100-150
Temperatura menor de 20°C
Poco desarrollo Ind. y Com.
Temperatura mayor de 20°C
Poco desarrollo Ind. y Com.
Desarrollo industrial y comercial importante 250-300
El consumo estimado por cualquiera de los métodos anteriores es un
consumo actual, pero éste se puede incrementar de acuerdo con la evolu-
ción de los factores que afectan el consumo. Los métodos para proyectar
el consumo, en función de la población, son:
1. Fórmula de Planeación Nacional
en donde: P = Población actual o futura
2. Por otra parte, los análisis estadísticos para comunidades en Estados
Unidos muestran que el consumo se incrementa en un 10% del incre-
mento de población.
Con el fin de diseñar las estructuras del acueducto, es necesario calcular el
caudal apropiado, el cual debe combinar las necesidades de la de
diseño y los costos de la construcción de un acueducto para un caudal ex-
cesivo. Normalmente se trabaja con tres tipos de caudales, a saber:
1. Caudal medio
2. Caudal máximo diario
3. Caudal máximo horario

1. Caudal medio
Es el caudal promedio obteiiido de un aíio de registi-os y es la base para la
estimación del caudal miximo diario y del máximo horario. Este caudal
expresado en litrós por segundo se obtiene así:
2. Caudal máximo diario
Es la denianda máxima que se presenta en un día del aiio. En otras pala-
bras, representa el día de mayor consumo en el aíio y se calcula según la
sigiiiente expresiói1:
Tabla 4.4
Comparación de factores de mayoración, según estudios
realizados en Colombia y en África
Población (habitantes) Factor de mavoración
En Colombia:
En África:
Aldeas
Pueblos
Ciudades
~ -
.
1.50
Qwuí.xiJno ~ i i ~ ~ r i ~
Ee 1.2 x Q/)r~~ri~,ijio (4.3)
3. Caudal máximo horario
Corresponde a la demanda niixima que se presenta en un,i hora ciuraiite
un año corripleto, y en general se determina como:
CUando se dispone de un sistema de regulación de caudal, las estructuras
del acueducto se diseñan con el caudal máximo diario. En caso contrario,
se debe diseñar todo el acueducto con el caudal máximo horario. La red
de distribución se diseña teniendo en cuenta el caudal máximo horario.
Continuando con el mismo ejemplo utilizado para la proyección de po-
blación y adoptando los valores promedios, se tiene la siguiente proyec-
ción de población:
Los picos del caudal horario dependen del tamaiio de la población. En
ciudades grandes, las costuii~hresson muy heterogéneas, por lo que los
períodos de máximo consunio son inás largos y el pico del l~iclro~raina
sei-i ineiios acentuado. Esto es contrario a lo que sucede en poblacioi~es
pequefias en donde se tienen unos pico, Iiorarior niayores debido a que
las costumbres son más homogfrieas. Por eyta razón, los factores de nia-
qudal máximo
yoración del caudal rndxinin diario para la obtenci6n del LC,
horario (coeficieiite riuinérico de la ecuación 4.5) varían así:
Año Población (habitantes)
Habida cuenta de que se trata de una población rural, puede adoptarse
un consunio típico actual de 130 L/hab.d de acuerdo con la tabla 4.3.
Adicionalmente, puede verificarse y proyectarse el valor anterior me-
diante la utilización de los criterios de Planeación Nacional y del 10%
del incremento de la población.

56 ELEMENTOS
D
E DISENO
P
A
R
AACUEDUCTOS
Y ALCANTARILLADOS
Cálculo del consumo futuro
- Método de Planeación Nacional (ecuación 4.1):
Log P- 1.8
Consumo ( L/hab.d) =
0.014
Los resultados de la aplicación de la fórmula son:
Año Población Consumo
(habitantes) (Uhab.d)
-Método del 10% de aumento de población
A partir de un consumo actual de 130 L1hab.d según lo indicado en la ta-
bla 4.3 para poblaciones rurales:
Año Población Incremento Incremento Consumo
{Habitantes) Población Consumo IUhab.d)
Se adopta entonces, con un criterio conservador, el consumo para cada
año indicado en la siguiente tabla. El cálculo de los caudales ináximo dia-
rio y máximo horario se establece teniendo en cuenta un factor de mayo-
ración de 1.2 para el caudal máximo diario y un factor de inayoración
para el caudal rnáxiino horario según lo indicado en la tabla 4.4.
Ano Pob. (hab.) Consumo Qprom. Q
,
,
. da. Factor Qmax hor.
fUhab.d) IUs) tus) mavoración fUsf

a elección de la fuente de abastecimiento de agua, ya sea superfi-
cial, subterránea o de aguas lluvias, debe cumplir requisitos míni-
mos de cantidad, calidad y localización.
1. Cantidad
En el caso de una fuente de abastecimiento no regulada, ésta debe terier
un caudal superior al caudal de diseño en cualquier época del año, de
manera que se pueda garantizar un suministro continuo. Se debe, enton-
ces, realizar estudios hidrológicos que permitan establecer las curvas de
duración de caudales para corrientes superficiales, o pruebas de equili-
brio para fuentes subterráneas.
2. Calidad
En la naturaleza no se encuentra por lo general agua con una calidad
aceptable para el consumo humano y se hace necesario su tratamiento. Se
debe procurar que la calidad física, química y bacteriológica del agua cru-
da permitan un tratamiento relativamente económico.
3. Localización
La fuente debe estar ubicada en un punto tal que su captación y conduc-
ción resulten técnica y económicamente factibles. Adicionalmente se
debe tener en cuenta para su localización los dos factores anteriores.

Para evaluar el caudal de una corriente superficial, se debe acudir a los regis-
tros hidrométricos de la cuenca o hacer mediciones directas en el cainpo. En
el caso de aguas subterráneas se deben hacer pozos de prueba y pruebas de
bombeo y equilibrio para determinar la capacidad del acuífero y del pozo.
Para la realización de mediciones directas en corrientes superficiales se
utiliza cualquiera de los métodos citados a continuación que se ajuste a
las características de la corriente:
1. Medidor Parshall
2. Vertederos
3. Velocidad superficial
4. Correntómetros
5. Estaciones de aforo
6. Trazadores químicos
5.1.1 Medidor Parshall
Este dispositivo permite la medición de caudales principalmente en cana-
les. Es un sistema muy práctico debido a su sencillez de construcción y
de operación, ya que se trata de un elemento de proporciones estandari-
zadas; con una o dos lecturas de niveles es posible obtener el caudal.
Por otra parte, debido a su diseño, no es posible la acumulación de sedi-
mentos en ningún punto del medidor que puedan obstaculizar o alterar
las mediciones, lo cual lo hace ideal para el caso de aguas con mucho rna-
terial sedimentable.
Existe una gran variedad de materiales de construcción del medidor
Parshall como, por ejemplo, concreto, nlampostería, acrílico y mate-
riales sintéticos. Coino se observa en la figura 5.1, el medidor Parshall
consiste en una reducción padual de la sección hasta llegar a la gar-
ganta, en donde se debe desarrollar el flujo crítico; posteriormente hay
una ampliación gradual hasta llegar al ancho original del canal.
El flujo a través del medidor puede ser en descarga libre o en descarga su-
mergida. En el primer caso, la lámina vertiente es independiente de las
condiciones aguas abajo del canal y basta tomar una sola lectura (Hi)
para obtener el caudal.
La descarga sumergida se presenta cuando el nivel aguas abajo del medi-
dor es lo suficienteinente alto para afectar el flujo a través de éste. Se pre-
senta entonces un flujo ahogado que causa que la medida inicial (Ht) no
esté controlada por la canaleta y sea mayor que la real. Es necesario en-
tonces hacer una corrección del caudal por medio de una segunda lectura
(H2) corno se indica en las figuras 5.1 y 5.2.
PLANTA
------ Descarga libre
PERFIL Descarga sumergida
Figura 5.1 Medidor Parshall en descarga libre y sumergida. Planta y corte
La sumergencia está dada por la relación entre los niveles, H*/Hi, y la coli-
dición de descarga libre se determina según el ancho de la garganta (W) así:
Descarga libre: W< 9" (23 cm) y HrIHi < 60%
W > l'(30cn:)y H21Hi < 70%
La condición de descarga ideal es la de descarga libre pero en ilingún caso
se debe operar con sumergencias mayores de 95%.
Las dimensiones del medidor son dadas en función del ancho de la gal--
garita y se encuentran tabuladas en la mayoría de los libros y mai~uales
cle
hidráulica.
La selección del tnedidor niás adecuado se hace teniendo en cuent'i el
caudal y el ancho del canal. Es recomendable en general tomar el ancllo
de la garganta coriio 113 a 112 del ancho del canal. El iiltervalo de medi-
ción de caudales para cada canaleta está dado en la tabla 5.1.
La siguiente es la ecuación de calibración de un medidor Parshall cuyas
constantes K y n están dadas en la tabla 5.2.

Medidores Ahogados
Reducción del Caudal, W = 1 pie = 0.30 m
1 Carga. H (m) I
Reducción de Caudal (L/s) 1
Figura 5.2 Reducción del caudal para medidores ahogados.
Para los medidores cuyo ancho de garganta sea diferente de 1 pie, se debe
multiplicar el caudal de corrección obtenido de la gráfica anterior por el
factor correspondiente indicado en la siguiente tabla.
Tabla 5.3
Factor rnultiplicador para corrección de caudales
en rnedidores mayores de 1 pie, 0.30 centímetros
ANCHO GARGANTA, W. FACTOR -
Pies Centímetros

5.1.2 Vertederos
U n vertedero es una simple abertura sobre la cual fluye un líquido. Los
vertederos pueden clasificarse de diferentes maneras según su forma, el
espesor de la pared, el tipo de descarga y el número de contracciones late-
rales. A continuación se ilustran los diferentes tipos de vertederos según
su fornia geométrica (figura 5.3).
Los vertederos más utilizados por su facilidad de construcción y calibra-
ción son los rectangulares y los triangulares.
Los vertederos pueden ser de pared gruesa o delgada; el más comíin para
mediciones en corrientes superficiales es el de pared delgada. Pueden tra-
bajar en descarga libre o parcialmente sumergida, pero es preferible la
condición de descarga libre.
Puede darse el caso de que el vertedero no tenga ninguna contraccióia la-
teral, que tenga sólo una o que tenga dos contracciones laterales, como se
indica en la figura 5.4.
5.1.2.1 Vertederos rectangulares
Los vertederos rectangulares, en general, se utilizan para caudales entre
200 y 1600 L/s. EII la figura 5.5 se muestra un vertedero rectangular de
pared delgada y con contracciones laterales, en donde L es el anclio o
longitud del vertedero y H es la carga sobre la cresta del niismo.
Triangular
Circular
Parabólico
Semicúbico
Sin contracción Con contracción Con contracción
lateral lateral sencilla lateral doble
Figura 5.4 Contracción lateral en vertederos
Debido a la depresión de la lámina vertiente sobre la cresta del vertedero,
la carga debe ser medida aguas arriba a una distancia aproxir-nada de 5H,
donde la superficie libre es prácticamente horizontal.
La ecuación general de calibración de un vertedero rectai~gulat-
es deduci-
da planteando la ecuación de Bernoulli entre un punto aguas arriba a la
cresta del vertedero y la cresta misma. De esta ecuación se obtiene:
en donde: Q = Caudal (m3/s)
L = Longitud del vertedero (m)
H = Carga sobre la cresta del vertedero (m)
y = Coeficiente de descarga.
Figura 5.3 Tipos de vertederos según su forma Figura 5.5 Vertedero rectangular con contracciones. Corte y perfil

66 ELEMENTOS
D
E DISENO
P
A
R
AACUEDUCTOS
Y ALCANTARILLADOS
Para un vertedero rectangular sin contracciones laterales el coeficiente de
descarga, 11, es aproximadamente 0.60 y la ecuación 5.3 se convierte en:
Efecto de las contracciones laterales
Cuando no es posible, en primera instancia, calibrar un vertedero con
contracciones laterales, se debe proceder a hacer una corrección en la lon-
gitud vertiente. Como se muestra en la figura 5.5, el efecto de las contrac-
ciones laterales es el de reducir la longitud de la lámina vertiente. Esta
situación se corrige teniendo en cuenta un valor de L' en la ecuación an-
terior así:
en donde n es el número de contracciones laterales (ver la figura 5.4) y H
la carga sobre la cresta del vertedero.
5.1.2.2 Vertederos triangulares
Son utilizados para caudales menores de 30 L/s y cargas hidráulicas coni-
prendidas entre 6 y 60 centímetros. Su sensibilidad es mejor que la de los
vertederos rectangulares para caudales comprendidos entre 40 y 300 L/s.
J
Figura 5.6 Vertedero triangular.
En la práctica, generalmente se usan los triángulos isósceles; el más usa-
d o es el de 90c).
La ecuación general de los vertederos triangulares es:
en donde: Q = caudal (m3/s)
0 = ángulo central
H = carga (m)
C' = coeficiente de correccióli por pérdidas y
contracciones
Para vertederos triangulares con 8 = 90" y C' = 0.60, la ecuación 5.6 se
transforma en:
5.1.3Velocidad superficial
Este método puede ser empleado en canales o corrientes superficiales de
sección más o menos constante y en un tramo recto, donde es posible su-
poner un flujo uniforme.
Al soltar el flotador en la sección 1 indicada en la figura 5.7 (a) y medir el
tiempo necesario para llegar a la sección 2, se puede calcular la velocidad
superficial mediante la siguiente expresión:
La velocidad media se encuentra por debajo de la superficie libre (ver fi-
gura 5.7 (b)), y vale aproximadamente el 80% de la velocidad superficial.
Conocida la sección hidráulica del canal, se calcula el caudal a partir de
la ecuación de continuidad. Este método está sujeto a errores debido a la
velocidad del viento y a secciones no uniformes de la corriente.
5.1.4 Correntómetros o molinetes
Son equipos utilizados para medir la velocidad de la corriente en diferen-
tes puntos de la sección y a diferentes profundidades.

I (a) PUNTA (b) PERFIL
l
1 I
Figura 5.7 (a) Medición de la velocidad superficial (b) Distribución de ve-
locidades en la vertical.
El correntómetro mide el número de revoluciones por minuto; mediante tina
ecuación de calibración del aparato se determina la velocidad en el punto.
Como se indica en la figura 5.8, existen correntóinetros de copas o de hé-
lice. Cuando se tiene11velocidades altas es preferible la utilizacióil de los
molinetes de hélice.
La velocidad promedio en la vertical se encuentra en general a O.GH, sien-
d o H la profundidad del agua medida desde la superficie libre, como se
indica en la figura 5.9.
Figura 5.8 Tipos de correntómetros. (a) Correntómetro de copas. B) Correntóme-
tro de hélice.
El procedimiento para medir el caudal es el siguiente:
1. Medir velocidades a diferentes profundidades en la vertical para obtener
una velocidad media. Se pueden tomar velocidades a 0.2H y 0.8H (siendo
H la profundidad total de la vertical); la velocidad media será entonces:
o tornar velocidades a 0.2H, 0.8H y 0.6H, en cuyo caso la velocidad
media será:
2. Calcular la velocidad media en la sección A; (indicada en la figura
5.9(b)) con el promedio de las velocidades medias (obtenidas de la
ecu;ición 5.10 ó 5.11) de las dos verticales que delimitan dicha sección,
según se muestra en la siguiente ecuación:
3. Calcular el caudal entre las dos secciones verticales coino el producto
de la velocidad media anterior (ecuación 5.12) y el área medida entre
dichas secciones.
4. Obtener el caudal total de la sección mediante la suma de los caudales
individuales en cada una de las diferentes secciones.
Qreccrón = I
:Vs,A, (5.13)
Figura 5.9 (a) Perfil de velocidades en la vertical (b) Distrtbución de puntos de medición en 4
una sección

5.1.5 Estaciones de aforo con limnímetro
Son secciones fijas de un no, en las cuales se Ilet-a un registro continuo de cau
dales medidos mediante molinetes y niveles medidos con mira, de tal maner
que con el nivel de la sección se obtiene el caudal a través de una curva d
calibración de la sección. Esta curva debe ser verificada periódicamente.
en donde: Q, = Caudal afluente
Q, = Caudal del trazador
Q, = Caudal efluente
C, = Concentración del trazador afluente
C, = Concentración inyectada del trazador
C, = Concentración del trazador efluente
y despejando de la ecuación (5.14) el término del caudal afluerite, se tiene: ,
I
Limnímetro
o Mira
Figura 5.10 Sección con lirnnímetros.
5.1.6 Trazadores químicos
Se hace la inyección de una sustancia química inerte, que no reaccione
con el agua, y se registra su concentración en una sección aguas abajo.
La inyección del trazador puede hacerse por cochada (impulso) o de una
manera contiiiua; los registros de concentraciones en el río serán diferen-
tes según se observa en las figuras 5.11 y 5.12.
Al hacer el aforo por el método de cochada, el cálculo del caudal es seme-
jante al del inétodo de medición de la velocidad superficial. En este caso
se determina el tiempo que tarda en presentarse el pico de concentración
entre las dos secciones indicadas en la figura 5.11 y la distancia entre las
dos secciones.
Si la dosificación se hace de manera continua, según se indica en la figura
5.12, el cálculo del caudal se realiza estableciendo un balance de masas en
la sección de control. La [nasa que entra debe ser igual a la masa que sale,
es decir:
La expresión final dei caudal afluente será entonces: I
Figura 5.11 Aforo con trazadores químicos por sochada (a) Trayectoria del trarador (hi Reg~s
tro de concentrac~ones
en las secciones 1

>f&%%sq
r%
;ggq~j
1 término genérico utilizado para las obras de captación, deriva-
2 ,
,
,
% ción o toma en ríos es "bocatoma". Por medio de esta estructura
4 @
&
#
$
$
$
&
;
se puede derivar el caudal de diseño que por lo general correspon-
de al caudal máximo diario.
Las obras de captación deben localizarse en zonas donde el suelo sea es-
table y resistente a la erosión, procurando que la captación se haga en un
sector recto del cauce. En caso de ser necesaria la captación en una curva,
aquélla debe ubicarse en la parte exterior de la curva, tomando las debidas
medidas de protección de la obra, como, por ejemplo, muros de conten-
ción aguas arriba y aguas abajo de la bocatoma, tal coino se ilustra en la
fi~ura
6.l.
D
Al colocar la bocatoma en la parte interior de la curva, se colmataría con
el material allí dep de verano podría
quedar en seco.
6.1.1 Tipos de bocatomas
Existen diferentes tipos de bocatomas; los factores determinantes para la
selecciói-ide la bocatoma más adecuada son la naturaleza del cauce y la
topografía general del proyecto. A continuación se ilustran los diferentes
tipos de bocatomas.
6.1.1.1 Torna lat uro transversal
Es utilizada en ríos relativamente pequeños o quebradas, en donde la
profundidad del cauce no es muy grande.

Figura 6.1 Captación en corrientes superficiales. Bocatomas en recta y en curva.
Como se indica en la figura 6.2, un muro transversal a manera de pr
eleva la lámina de agua y ésta es captada lateralmente a través de una r
Ila colocada en uno de los muros laterales.
6.1.1.2 Bocatoma de fondo
Es utilizada en condiciones semejantes a las de la bocatoma con mu
transversal. Su diseño se verá en detalle en el numeral 6.1.2.
6.1.1.3 Bocatoma lateral con bombeo
Son empleadas para ríos con caudales grandes y de una sección relati
mente ancha. Como se muestra en la figura 6.3, el número mínimo
6.1.1.4Bocatoma lateral por gravedad
OBRAS DE
Cámara de
1 recolección
-
transversal
Planta Corte Longitudinal
Figura 6.2 Bocatoma con muro transversal
similar a la toma con muro transversal, reemplazando el muro por com-
puertas y la rejilla por otra de mayores dimensiones. En este caso se puede
hacer el tratamiento primario de desarenador de manera inmediata,
l I
Tubería de
PLANTA CORTE TRANSVERSAL
Figura 6.3 Bocatoma lateral con bombeo, en planta y corte

como se muestra en la figura 6.4. Las compuertas pueden ser de sector o
de tablero.
6.1.1.5Toma mediante estabilización del lecho
Cuando el ancho del río es muy grande y el lecho no es nauy estable, se
hace una canalización de éste; la toma puede ser lateral o de fondo.
6.1.1.6Toma en embalses o lagos
Torre de captación
Por rnedio de una torre con orificios a diferentes alturas, se puede captar
el agua sin importar el nivel al cual se encuentre; postei-iorinente se con-
duce el agua a un pozo de succión (figura 6.5).
Sifón
Si las cot~diciotiestopográficas lo permiten, se puede hacer un sifón que
conduzca el agua a un canal al otro lado del jarillón. Se requiere una
bomba para cebar el sifón y una válvula reguladora del caudal, ya que la
cabeza es variable.
1 Desarenador 1
Desarenador
Compuertas
i
Excesos
CORTE TRANSVERSAL
Figura 6.4 Bocatoma lateral por gravedad, en planta y corte
Puente de
/ acceso
-
Orificios de
captación
captación
Tubería de
Figura 6.5 Torre de captación
Toma de fondo
Es utilizada en ríos de gran caudal y poca velocidad o en lagos. En el caso de
ríos, éstos debcii ser de baja turbiedad con el fin de no colinatar inuy rápida-
tilente el filtro de grava.Sedebedisponer deun sistemade retrolavadodel filtro.
N. Máx.
-
. ( _ _ _
-
N. Mín
v
-
Bomba de vacío
,(;:A&/'
Válvula de
regulación
Figura 6.6 Captación por sifonamiento

N. Mín.
S----
Figura 6.7 Toma de fondo en ríos o lagos
6.1.1.7 Estaciones de bombeo flotantes y deslizantes
Son utilizadas para la captación de agua en ríos o enibalses en los que la
fluctuación de niveles es muy grande.
En el caso de la estación flotante (figura 6.8), la bomba se coloca sobre un
planchón el cual se desliza verticalmeiite sobre unos rieles según el nivel
Manguera
u
Figura6.8 Estación de bombeo flotante.
del agua. La estación de bombeo deslizante (figura 6.9) es montada sobre
dos rieles y se sube o se baja operando un malacate colocado en tierra firme.
En cualquiera de los dos casos la estación está conectada a la tubería de
conducción por medio de una manguera flexible.
Malacate
-.;?i
Figura 6.9 Estación de bombeo deslizante
6.1.2 Bocatomade fondo
El agua es captada a través de una rejilla colocada en la parte superior de
una presa, que a su vez es direccionada en sentido normal de la corriente.
El ancho de esta presa puede ser igual o menor que el ancho del río. E n
las figuras 6.10, 6.11 y 6.12 se ilustran los elementos más importantes de
este tipo de bocatoma.
La bocatoma de fondo indicada en estas figuras consta de:
Presa
Su cota superior está al mismo nivel de la cota del fondo del río. Cons-
truida generalmenta en concreto ciclópeo, dentro de ella se encuentra el
canal de aducción.

Tapa de
acceso
, +
Gamara de
recolección
/ Rejilla / 1
-
-
'
de excesos
L i
Corte B-B
Figura 6.12 Bocatoma de fondo (cortetransversal)
Solados o enrocado superior e inferior
Ubicados aguas arriba y aguas abajo de la presa, tienen por objeto prote-
gerla de la erosión. Pueden ser construidos en concreto o enrocado.
Muros laterales
Encauzan el agua hacia la rejilla y protegen los taludes. El ancho de estos
muros depende de la estabilidad estructural. Siendo en concreto ciclópeo,
el ancho de los muros puede ser de 60 centímetros o inenos; esto depende
del estudio de estabilidad de los mismos muros.
Rejilla
Ésta es colocada sobre el canal de aducción que se encuentra dentro de la
presa. La longitud de la rejilla, y por lo tanto la del canal de aducción,
puede ser menor que la longitud de la presa o el ancho de ia garganta, se-
gún las necesidades del caudal que se ha de captar. El ancho mínimo es de
40 centímetros y el largo mínimo de 70 centímetros, dados para facilitar
la operación de limpieza y mantenimiento. Los barrotes y el marco pue-

den ser de hierro, con separación entre barrotes de 5 a 10 centímetros
diámetro de los barrotes de '/2", 3/4" 6 1 ".
Canal de aducción
Recibe el agua a través de la rejilla y entrega el agua captada a la cámar
de recolección. Tiene una pendiente entre el 1% y el 4% con el fin de da
una velocidad mínima adecuada y que sea segura para realizar las labore
de mantenimiento. La sección de este canal puede ser rectangular o semi
circular. Aun cuando la sección semicircular es la más eficiente desde e
punto de vista del funcionamiento hidráulico, la sección rectangular e
más fácil de construir.
Cámara de recolección
Generalmente es cuadrada o rectangular, con muros en concreto refor
zado cuyo espesor puede ser de 30 centímetros y su altura igual a la d
los muros laterales. En su interior se encuentra un vertedero de exceso
lateral que entrega el agua a una tubería de excesos que regresa el agua a
cauce. Se debe dejar una tapa en la placa superior y una escalera para e
acceso del personal de mantenimiento.
6.1.2.1Diseño de la bocatoma de fondo
Diseño de la presa
El primer paso para el diseño de la bocatoma es verificar que el caudal de
diseño, caudal máximo diario, sea inferior al caudal mínimo del río en el
sitio de captación. Con el fin de obtener el caudal mínimo del río se pue-
de recurrir a datos de medición de caudal en la cuenca, a mediciones de
caudal directas o al estudio hidrológico de la cuenca.
La presa y la garganta de la bocatoma se diseñan como un vertedero rec-
tangular con doble contracción cuya ecuación corresponde a (ver ecua-
ción 5.4, sección 5.1.2.2):
Q =1.84 L H " ~ (6.1)
Para determinar el valor de la lámina de agua para las condiciones de di-
seño (Q,,,axdiario) y para las condiciones máximas y mínimas de1 río, se des-
peja el valor de H de la ecuación 6.1:
Debido a la existencia de las contracciones laterales, se debe hacer la co-
rrespondiente corrección de la longitud de vertimiento, según lo indicado
por la ecuación 5.5:
en donde n es el número de contracciones laterales. La velocidad del agua
al pasar sobre la rejilla será de:
y debe estar conlprendida entre 0.3 m/s y 3 ni/s de manera que puedan
ser aplicables las ecuaciones del alcance del chorro presentadas a conti-
nuación (ecuaciones 6.5 y 6.6) para la determinacióil del ancho del canal
de aduccióil.
Diseño de la rejilla y el canal de aducción
Ancho del canal de aducción:
en donde: X, = alcance filo superior (m)
X; = alcance filo inferior (m)
V, = velocidad del río (m/s)
H = profundidad de la lámina de agua sobre la presa (m)
B = ancho del canal de aducción (m)
Rejilla
Si se utiliza una rejilla con barrotes en la dirección del flujo, el área neta
de la rejilla se determina según la siguiente expresión:
A,,, = a B N (6.8)
siendo: A,, = área neta de la rejilla (m2)
a = separación entre barrotes (m)
N = número de orificios entre barrotes

Figura 6.13 Captación a través de la rejilla al canal de aducción
Siendo b el diámetro de cada barrote, la superficie total de rejilla es apro-
ximadamente:
Haciendo la relación entre área neta y área total se obtiene:
y reemplazando el área total e11función de la longitud de la rejilla, L,.:
a
A,,', = -B Lr
a+b
por otra parte, el caudal a través de la rejilla es:
en donde: K = 0.9 para flujo paralelo a la sección
Vh = velocidad entre barrotes (máxima de 0.2 m l s )
OBRAS DE CAPTACI~N 87
Cámara de
recolecci6n
Figura 6.14 Rejilla de captación
Niveles en el canal de aducción
Asumiendo que todo el volunlen de agua es captado al inicio del canal iil-
dicado en la figura 6.15, el nivel de la lámina aguas arriba es obtenido por
medio del análisis de cantidad de movimiento en el canal:
Para que la entrega a la cámara de recolección se haga en descarga libre, se
debe cumplir que:
en donde: h, = profundidad aguas arriba (m)
h, = profundidad aguas abajo (m)
h, = profundidad crítica (m)
i = pendiente del fondo del canal
g = aceleración de la gravedad (9.81 ni/s2)

OBRAS
DE CAPTACI&N 89
y se debe dejar un borde libre (indicado en la figura 6.15) de 15 centíme-
tros.
Para que las ecuaciones de dimensionamiento de la cámara (ecuaciones
6.15 a 6.17) sean válidas, la velocidad, a la entrega de la cámara de recolec-
ción, Ve,debe ser mayor de 0,3 m/s y menor de 3,O m/s.
Diseño de la cámara de recolección
Nuevamente, se aplican las ecuaciones del alcance de un chorro de agua
(ecuaciones 6.5 y 6.6) reemplazando los términos por los de la condición
de entrada a la cámara indicados en la figura 6.17.
2
- 1
X = 0.36 V
: i
0.60 hj
1 3
X,= 0.18 ve7i
0.74 hf
L = X,+0.30 Figura 6.16 Cortes transversales en el canal de aducción.
Se debe tener en cuenta que, aunque los cálculos hidráulicos son necesa-
rios para establecer las condiciones mínimas de la cámara de recolección,
es importante que las dimensiones de la cámara sean las mínimas necesa-
rias para realizar un adecuado mantenimiento de ésta.
La profundidad, H, de la figura 6.17 debe ser tal que cubra las pérdidas
por entrada y fricción de la tubería de conducción entre bocatoma y de-
sarenador. Como este diseño no se ha hecho hasta el momento, se supone
un valor de 0,60 m.
Figura 6.15 Perfil del canal de aducción.
al desarenador
0
I
Figura 6.17 Corte de la cámara de recolección.

Desagüe del caudal de excesos
El caudal de excesos se determina teniendo en cuenta que sobre la rej
de la bocatoma pasará un caudal mayor que el caudal de diseño. Se pr
ducirá entonces una lámina de agua superior a la de diseño, que se pue
evaluar según la ecuación 6.2, reemplazando en ella el caudal correspo
diente al caudal máximo o promedio del río. La capacidad máxima
captación de la rejilla se puede aproximar al caudal a través de un ori
cio, cuya ecuación es:
QtaPtalio = Cd A n c t d q
en donde: QCapt,do = Caudal a través de la rejilla (m3/s)
Cd = Coeficiente de descarga = 0.3
A,,,, = Area neta de la rejilla (m2)
H = Altura de la lámina de agua sobre la rejilla (m)
Este caudal llega a la cámara de recolección a través del canal en don
como se indica en la figura 6.18, se coloca un vertedero sin contracci
laterales que servirá para separar el caudal de diseño del caudal de
sos. Para curnplir con lo anterior, la cota de la cresta del vertedero
coincidir con el nivel del agua necesario para conducir el caudal de dis
al desarenador. Como no se ha hecho el diseño de esta tubería, se asu
en este momento un valor tentativo de 0.60 m, valor que debe ser corr
do una vez se haya hecho el diseño correspondiente de la tubería de c
ducción entre la bocatoma y el desarenador (Capítulo 8).
En resumen, el caudal de excesos será la diferencia entre el caudal capta
a través de la rejilla y el caudal de diseño.
Posteriorniente se debe ubicar el vertedero de excesos a una dista
adecuada de la pared de la cámara de recolección. Para esto se apli
nuevamente las ecuaciones 6.2, 6.4, 6.5 y 6.7 aplicadas a las condicio
de excesos determinadas anteriormente.
El diseño de la tubería de excesos, cuyo diámetro mínimo es de 6"
cm), debe contemplar la pendiente disponible entre el fondo de la cá
y el punto escogido para la descarga de excesos. Este punto debe est
15cm por encima del nivel máximo del río, según lo indicado en la figu
6.18. El diseño de esta tubería puede hacerse siguiendo el procedimien
indicado en el Capítulo 10.
I al desarenador
Cabezal de 1
descarga
/
Figura 6.18 Vertedero de excesos en la cámara de recoleccion y cabezal de des-
carga.
6.1.3 Ejemplo de diseno
Información previa
Períodos de diseño: Tratándose de la captación, se debe disecar en una
sola etapa, es decir para 20 años a partir de la fecha.
Población de diseño: De acuerdo con la proyección de población realizada
anteriormente, se tiene que la población para el año 2012 es de 6293 ha-
bitantes.
Caudal de diseño: El caudal máximo diario para la misma fecha anterior
fue calculado en 13 L/s.
Aforo del río:EI caudal del río en tiempo seco es de 50 L/s. El caudal lile-
dio del río es de 0.2 m3/s. El caudal máximo del río es de 1 m3/s.
Ancho del rio: El ancho del río en el lugar de captacióii es de 1.5 m.

Diseño de la presa
El ancho de la presa se supone de 1.0 m
La lámina de agua en las condiciones de diseño es de:
La corrección por las dos contracciones laterales es:
L' = L- 0.2H=1.00- 0.2x 0.04= 0.99 m
Velocidad del río sobre la presa:
,
L' H 0.99x 0.04
0
.
3m/S < 0.36m/S < 3.0m/S =j 0.K.
Diseño de la rejilla y el canal de aducción
OBRAS DE CAPTACIÓN 93
Se adopta 0.70 m de longitud de rejilla.
El número de orificios es de:
Se adoptan 12 orificios separados 5 cm entre sí, con lo cual se tienen las
siguientes condiciones finales:
El ancho del canal de aducción será:
B = X, + 0.10= 0.27
+0.10
B = 0.37m -0.40
m
La longitud de la rejilla y el número de orificios será:
0.240 (0.05
+ 0.0127)
L, = -- - 0.75m
0.05x 0.4
Los niveles de agua en el canal de aducción son:
-aguas abajo
- aguas arriba
L, = L, + espesor del muro = 0.75 +0.3 = 1.05 m
se adopta i = 3%
Se adoptan barrotes de l/2" (0.0127m) y separación entre ellos de 5 centí-
metros. Por otra parte se supone la velocidad entre barrotes igual a 0.10 m/s.

Cálculo de la altura de los muros de contención
Tomando el caudal máximo del río de 1 m3/s, se tiene:
Ho=h,+B.L.=0.06+0.15=0.21 m
He= h, + (h,- h,) + i L, + B.L.
Dejándole un borde libre de 33 cm, entonces la altura de los muros será
H,=0.05 +(0.06-0.05)+0.03~1.05+0.15=0.24m de 1.00m.
La velocidad del agua al final del canal será: Cálculo de cotas
Q 0.013
ve= -= = 0.69 m/s Lámina sobre la presa:
B x he 0.40 x 0.05 Diseño: = 100.00 + 0.04 = 100.04
Máxima: = 100.00 + 0.67 = 100.67
Promedio: = 100.00 + 0.23 = 100.23
0.3 m/, < 0.69 m/S < 3,O m/s =& 0.K.
Corona de los muros
de contención
Diseño de la cámara de recolección
= 100.00 + 1.00 = 101.00
Canal de aducción:
Fondo aguas arriba: = 100.00 - 0.2 1 = 99.79
Fondo aguas abajo: = 100.00 - 0.24 = 99.76
Lámina aguas arriba: = 99.79 +0.06 = 99.85
Lámina aguas abajo: = 99.76 +0.05 = 99.81
X5= 0.40 m Cámara de recolección:
Cresta del vertedero
de excesos: = 99.76 - 0.15 = 99.61
Fondo: = 99.61 - 0.60 = 99.01
X,= 0.22 m Se adopta en esta etapa del diseño un valor de 60 cm correspondientes a
las pérdidas en la conducción de la bocatoma al desarenador.
B,al,,, = X,
+0.30 = 0.40 +0.30
Tubería de excesos:
Cota de entrada: = 99.01
B,,,,, = 0.70 m Cota del río en la entrega: = 97-65::
Cota de salida: = 97.65 + 0.30 = 97.95
Por facilidad de acceso y mantenimiento, se adopta una cámara cuadrada
de recolección de 1.5 in de lado. La cota del río en el punto de descarga corresponde a la cota máxima del
El borde libre de la cámara es de 15centímetros, por lo que el fondo de la río, 50 metros aguas abajo de la captación.
cámara estará a 75 centímetros por debajo de la cota del fondo del canal
de aducción a la entrega (suyoniendo una cabeza de 0.60 m que debe ser
verificada una vez realizado el diseño de la conducción al desarenador).

96 ELEMENTOS
D
E DISENO
PARA ACUEDUCTOS
Y ALCANTARILLADOS OBRAS DE CAPTACIÓN 97
Cálculo del caudal de excesos
Dentro de las condiciones iniciales del diseño, se ha supuesto un caudal
medio del río de:
QproPn rio = 0.2 rn2/S
2
-
Q f
ff = ---- 0.20 3
(1.84 L) = (1.84 x 1.0) =
m
QcGpr8,,o
= C d Anctd tl2-gFi= 0.3 x 0.24 x d2~9.81~0.23
QCapta,~,
= 0.152 m31s
Qexceros = Qcapti?do - Qdiseño = 0.152 - 0.013
Nota: Todas las dimensiones en metros.
Qexcesos
= 0.139 nz'/ S Dibujo sin escala.
Q
2 2
-
He,. = -
0.139 = 0.14 m
(1.84Lr = (1.84 x 1.5)
Figura 6.19 Resultados del diseño. Planta.
vexc. =
QC.YC -
- = 0.68 m3/s
e x . x a 0.14 x 1.5
2 4
X,= 0.36 x (0.68)" 0.60 x (0.14)' = 0.47 m
Elvertederodeexcesosestarácolocadoa0.80mdelapareddelacámara de recolección.
Cálculo de la tubería de excesos
. 99.01 - 97.95 x 100 = 2.12%
2 =
50
J = 0.0212 m/'
Q = 0.2785 CD2.63]0.5'
i
0.139
= (0.2785 C/aS4 (0.2785 x 100 x ( 0 . 0 2 1 2 ) ~ , ~ ~
D=0.29m=11.57" => D=12"
0.6 1.O 0
.
3 1.5 0
.
3
101.DO
Nota: Todas las dimensiones en metros.
Dibujo sin escala.
Figura 6.20 Resultados del diseño. Corte 8-8.
0

Nota: Todas las dimenskones en metros.
Dibujo sin escala.
I
Figura 6.21 Resultados del diseño. Corte A-A.
Nota: Todas las dimensiones en metros
Dibujo sin escala.
Figura 6.22 Resultados del diseño. Detalle del canal.
El estudio del abastecimiento cuando se utiliza como fuente el agua sub-
terránea, requiere el conocimiento tanto del suelo como de L
a liidráulica
del agua subterránea.
E1 agua subterránea es más que una simple solución del proble~nade
abastecimiento de agua, es un elemento vital en el balance del ciclo hidro-
lógico y como tal debe tratarse con cuidado para no dañarlo o alterarlo
de manera radical.
Su importancia es tal que ocupa el segundo lugar en la distribución de los
voiíí~nenes
de agua sobre la tierra con un 2%, mientras el priiner lugar es
para los océanos y mares con un 94%.
6.2.1 El agua subterránea como recurso natural
El agua subterránea es el recurso natural que tradicionalmente ha intere-
sado al hombre con el fin de explotarlo para el abastecimiento de agua a
una comunidad, cuando por las características físicas de la región no se
dispone de agua superficial de utilización factible.
Sin embargo, debido al constante desarrollo de la humanidad, la contami-
nación de los cuerpos de agua ha aumentado rápidamente y con ella la
contaminación de las aguas subterráneas. Paradójicamente, técnicas de
tratamiento de aguas residuales tales como la inyección de aguas residua-
les mediante pozos, lagunas de estabilización, rellenos sariitarios y otros,
pueden llegar a contaminar los depósitos de agua subterránea.
El desarrollo de los recursos de agua subterránea para su utilización en el
abasteciiniento a una comunidad se cumple en tres etapas, a saber:
- Exploración.
- Evaluación.
- ~xplotación.
6.2.2 Exploración
Esta etapa coiisiste en la localización del depósito de agua mediante di-
versos niétodos.
Al depósito de agua se le suele llamar "acuífero" y se define coino una
formación geológica capaz de proporcionar agua en cantidad y calidad
suficientes para las necesidades del hombre a un costo razonable. Estas
formacioiies deben ser porosas, permeables y saturadas; las más cornunes
son arenas no consolidadas, gravas de origen aluvial, glacial o lacustre,
rocas sedirnentarias corno limos, dolomitas o co~lglonlerados
y rocas vol-
cánicas fracturadas.
Los niétodos de exploración pueden ser geológicos o geofísicos, y cada
uno de ellos puede ser superficial o profundo.
Métodos gcológzcos: Se recurre a métodos tales corno la interpretación de
mapas, fotograinetría y fotointerpretación y perforacioiies en el caiiipo.
Métodos geofiszcos: Consiste en la utilización de ri~étodos
tales como re-
fracción sísmica, resistividad eléctrica y perfiles eléctricos.

6
.
2
.
3Evaluación
El objetivo de esta segunda etapa es la evaluación del caudal máximo de
producción del acuífero, mediante la medición en el terreno de los pará-
metros hidrogeológicos y de producción del acuífero durante el bombeo
de agua en un pozo.
Se busca mantener un balance favorable entre los beneficios que trae el
bombeo del agua y los cambios indeseados que puede traer su extracción.
El cambio más inmediato resultante del bombeo es el descenso del nivel
piezométrico del acuífero. Teniendo en cuenta el concepto anterior, se
pueden hacer las siguientes definiciones:
Producción del acuqero: El caudal máximo obtenido sin que haya una
disminución perjudicial de la altura hidráulica que impida el flujo de agua
en cantidad suficiente hacia el pozo.
Producción delpozo: Es el caudal máximo obtenido de manera que se evite
un descenso del nivel de agua en el pozo por debajo de la tubería de succión.
De acuerdo con el grado de confinamiento de la formación geológica sa-
turada, los acuíferos se pueden clasificar como:
- Acuífero no confinado
- Acuífero confinado (artesiano)
Los acuíferos artesianos son aquellos que se encuentran encerrados por
dos capas confinantes impermeables, denominadas acuicierres. Al perfo-
rar un pozo, el agua subirá por encima del acuicierre superior, debido a que
el nivel piezométrico estará por encima del acuicierre superior del acuífero.
En los acuíferos no confinados no existe una formación confinante supe-
rior; y al perforar el pozo el agua subirá hasta el nivel piezométrico o
profundidad de saturación del medio.
En la figura 6.23 se muestran estos dos tipos de acuíferos. En el caso del
pozo artesiano surgente, la cota piezométrica se encuentra por encima de
la cota del terreno y por lo tanto el agua sube hasta la superficie.
6.2.3.1 Hidráulica de aguas subterráneas
En primera instancia, se debe recordar algunos de los conceptos funda-
mentales del flujo a través de medios porosos:
La ecuación de continuidad establece que la descarga específica o flujo a
través de un cilindro es:
siendo Q el caudal y A el área transversal del cilindro.
Experimentos realizados por Darcy establecen que la velocidad de flujo a
través de un medio poroso, v, es proporcional a la diferencia de presion
Pozo Artesiano
entre dos secciones de un volumen de control y a la longitud entre ellas.
Se tiene entonces:
en donde: h = Cabeza hidráulica [L]
A h
- = Gradiente hidráulico o pérdidas de energía por
A
unidad de longitud = i
K = Conductividad hidráulica [L/m
La conductividad hidráulica, K, se encuentra en otros libros como el coe-
ficiente de permeabilidad.
En otras palabras, la ecuación de Darcy es:
Es conveniente encontrar un parámetro que describa las propiedades
conductivas de un medio poroso independientemente del tipo de fluido
que pasa a través de él. Se llega entonces a otra forma de presentación de
la ecuación de Darcy:

en donde:
C d 2 p gAh (6.21)
v = Velocidad del fluido a través del medio poroso
C = Constante de proporcionalidad, que en la práctica
tiene en cuenta factores que afectan el flujo a través
del medio, tales como la distribución del tarnaiio de
la partículas, su esfericidad y redonda.
p = Densidad del fluido
u = Viscosidad dinámica del fluido
ción de la gravedad
etro de las partículas
En la ecuación 6.21 se observa que los términos p y y son función de
fluido y el término c d 2es función del medio poroso. Definiendo:
en donde la constante k es conocida como la permeabilidad específica
TL21
- -
La conductividad hidráulica, K, definida en la ecuación 6.19 se expres
entonces como:
y el caudal se obtiene ree~ri~lazando
la conductividad hidráulica en
ecuación 6.21:
k Y
Q = - z A
6.2.3.2Pruebas
Con el fin de deter de producción del acuífero,
realizan pruebas de equilibrio que consisten en perforar un pozo cent
y dos pozos de observación de menor diámetro. Se inicia luego el bo
beo del agua para extraer el caudal necesario, según los requerirnien
del diseño, hasta que los niveles en los pozos se mantengan constant
Bajo estas condiciones se pueden calcular los parámetros necesarios s
gún el tipo de acuífero que se tenga.
Acuífero no confinado en equilibrio
t R
L-i
l
Acuicierre l
i
Figura 6.24 Acuífero no confinado
En la figura anterior se definen 1 ' .
R = Radio de influencia del cono de depresión
r = Radio del pozo central
H = Espesor del acuífero
h = Profundidad del agua en el pozo
p = Descenso del nivel del agua en el pozo
Para un punto A de coordenadas (x,y) sobre la curva del cono de depre-
sión del nivel freático, se tiene que el caudal a través de la sección es se-
gún la ecuación 6.21:
Q = K i At,t,~ (6.25)
en donde: AtocZ1
= ~JcXY
1 =--
por lo tanto: dx
e integrando la ecuación anterior, se tiene:

Para un punto A de coordenadas (x,y)' sobre la curva del cono de depre-
sión del nivel freático, se tiene que el caudal a través de la sección es se-
gún la ecuación 6.21:
Q =K iA,,,,I (6.31)
en donde: Arotal= 2nXm
por lo tanto:
e integrando la ecuación anterior, se tiene:
6.2.4 Explotación
En esta última etapa del desarrollo de los recursos de agua subterránea, se
consideran las estrategias óptimas de desarrollo, la interacción entre la ex-
plotación del agua subterrártea y el balance general de agua en la cuenca.
Al explotar un acuifero para el abastecimiento de agua a una comunidad,
se perfora por lo general más de un pozo. La superposición de las áreas
de influencia de cada uno de ellos trae consigo la reducción de la produc-
ción total del sistema de pozos. El porcentaje de interferencia se puede
estimar a partir de la tabla 6.1, en función de la distancia entre cada uno
de los pozos.

Tabla 6.1
Porcentaje de interferencia de la producción de los pozos
Distancia entre Número de pozos
pozos (m)
2 3 4
5 38% 55% -
1O 35% 51% -
1O0 20% 31% 66%
6.2.5 Ejemplo de cálculo
Calcular la coilductividad hidráulica y el radio de influencia de un acuíf
ro no confinado, así como el nivel del agua en el pozo.
Para determinar los parámetros anteriores, se ha perforado un pozo
bombeo de 30 cm de radio y dos pozos de observación situados a 30
120 m. El bombeo de agua se ha realizado de manera contiilua durante
período de 5 días a razón de 13 L/s, alcanzándose así las coi-idicioiles
equilibrio. Se observa un descenso de 1.40 m y 0.40 m en los pozos
observación con respecto al nivel freático, el cual se ei~cuentraa 2.50 m
del terreno. Se encontró una formación imper~neable
a 12.0 m de la su-
perficie.
Conductividad hidráulica, K:
Oln iX2)
X7
OBRAS DE CAPTACION
107
Radio de influencia, R:
de donde:
R =e'.9Yx 30 =219m
Nivel del agua en el pozo:
Por lo tanto el descenso del nivel del agua en el pozo principal será de:
Descenso = 9.5 - 2.9 = 6.6 m
1 120 m I
Acuicierre e 1
Figura 6.26 Resultados del ejemplo.
j
Nivel piezom6trico/ j
original
_ i i ;
-...................
... .......r......
/
/
A

-.-..---
........ .... ...
9.5 m
30 m /
/
A

I
{
1.4 m

t
9.1 m
I
modificado

t
l
......... ... .....
-
l
0
:
4
..
----
..
-.. . ..... ..... ... . ... .
%
Nivel piezom6tricc

6.2.6 Pozos de bombeo de aguas subterráneas
U n pozo es una estructura utilizada para captar el agua subterránea de
acuífero. Existen diferentes tipos de pozos según sea la forma de su co
trucción y según la manera de captación del agua.
En cualquier caso, existen normas generales para la localización y prot
ción de cualquier pozo. Algunas de ellas son:
1. N o se deben ubicar en terrenos inundables. En el caso de terrenos plan
se debe hacer un relleno a manera de plataforma alrededor del pozo.
2. El pozo debe estar localizado lejos de cualquier fuente de contami
ción como pozos sépticos, letrinas, caños de aguas negras, rellenos
nitarios y otros. Se recomienda ubicar el pozo a una distancia míni
de 25 metros de cualquier fuente de contaminación.
3. Se debe evitar el acceso de toda clase de animales en los alrededo
del pozo. Se incluye la protección que se debe dar contra insecto
roedores.
Existen diferentes tipos de pozos según su construcción:
6.2.6.1 Pozos excavados
Son pozos superficiales cuya profundidad está entre 3.5 y 10 metros.
bid0 a lo anterior, son fácilmente contaminables por lo cual debe pre
rirse, en tanto sea posible, construir pozos más profundos.
Su excavación se hace manualmente y de sección circular cuyo diá
puede variar entre 0.8 y 1.5 metros. Con el fin de evitar la contami
superficial, el pozo debe ser revestido en su parte superior (los pr
3.5 metros). E1 material de revestimiento puede ser metal, concreto,
de cemento o de gres, o ladrillo. En la figura 6.27 se muestra un poz
revestimiento de concreto y sus dimensiones típicas.
6.2.6.2 Pozos barrenados o taladrados
Son pozos también superficiales, pero debido al método de constru
son de menor diámetro. Para su construcción se puede emplear un b
no o taladro, manual o mecánico. Estos pozos deben ser protegidos
medio de revestimiento similar al de los pozos excavados.
6.2.6.3 Pozos hincados
Como su nombre lo indica, la construcción de un pozo hincado co
en enterrar una tubería (generalmente de hierro forjado) gol~eánd
su parte superior con un mazo o martinete. Por este método se alcan
Figura 6.27 Pozo excavado con camisa de concreto
profundidades del orden de 25 metros en suelos relativamente blandos y
puede abastecerse un conjunto de casas pequeño.
La tubería de hinca es de 2" o menos (dependiendo de la hinca y de las
necesidades de caudal) y en SU parte inferior se coloca una punta que tie-
ne un diámetro mayo el de la tubería, en la cual se perforan orificios
con u11 diámetro de ' lbt' para dejar entrar el agua y retener las par-
tículas de arena del ac

Figura 6.28 Pozo hincado,
a) Perforación por percusión:
La construcción de un pozo perforado por percusión se hace dejando
caer un barreno pesado (o martinete) dentro del hueco, el cual al llegar
al fondo rompe el material de la formación. Por medio de un motor se
levanta el barreno y se le echa agua al pozo para extraer el materia1 dis-
gregado por medio de una bomba o de una cuchara cilíndrica.
b) Perforación hidráulica rotatoria:
Con este método se utiliza agua a presión para ir extrayendo el mate-
rial triturado por el elen~ento
rotatorio. El agua es reutilizada previa
sedimentación de la misma. En el caso de perforaciones en suelos blan-
dos, al tubo de revestimierito se le da un giro permanente; dicho tubo
tiene como primer elemento un tubo con un borde cortante de acero.
Cuando la perforación se realiza a través de materiales duros, el hoyo
se hace con tubería de perforación en cuyo extremo inferior se acopla
una broca (de diamante u otro material resistente).
c) Perforación por percusión y rotación:
Este es un sistema de perforación que combina los dos métodos ante-
riores.
Bomb (a)
L
Figura
Revest~miento
del Pozo
6.29 Pozos perforados (a)Bombeo desde la sup

bomba es una máquina hidráulica capaz de traiisforiiiar eiier-
,absorbiendo un tipo de energía y restit~~éiidola
eii otra for-
e energía. En general, se considera el fluido que intercainbi~
rgid como de ges ifico constante y por lo tanto incompresible'
Las mdquinas hidráulicas pueden clasificarse de acuerdo con el priiicipio
fundamental de funcionamiento, es decir que si se tiene en cuenta que eii
toda máquina Iiay un elemento móvil responsable de la traiisfor~iiación
de eiiergía, se establece la ecuaciói~
de energía entre la entrada y la salida
de dicho elemento, así:
en donde A
H es la energía transformada Despejando este valor de la
ecuación 7.1, se tiene:
D e la ecuación 7.2 surge la primera clasificación de las máquinas hidráuli-
cas en términos de la fuente de suministro de la energ'
Generadores: Si el valor de AH es positivo, la energi
nistrada al líquido. Este es el caso de las bombas.

M ~ ~ ~ ~ ~ ~ :
Si el valor de AH es negativo, la energía es suministrada Por e de movimiento rotativo. Su uso más frecuente ocurre en el campo de la
liquido. Este es el caso de las turbinas. dosificación de químicos, que requiere un caudal pequeño y su altura de
el caso particular de las bombas existen tres formas de realizar la resti elevación no es muy grande.
tución de energía, a saber:
7.1.2 Turbomáquinas
P, -PZ
1) Energía de presión: -
-
,
-
-
-
Y La transformación de energía se hace principalmente en forma de energía
vi2- V? cinética. Su movimiento es siempre rotativo y por ello reciben también el
2) Energía cinética:
2g nombre de bombas centrífugas. El principio de funcionamiento de estas
bombas es la ecuación de Euler.
3) Energía potencial: 21- 2 2
Éstas son las bombas más comunes en acueductos y alcantarillados y se
detallarán más adelante.
7.1-1 Máquinas de desplazamientopositivo
~1 intercambio de energía se manifiesta en forma de presión- Eii 7.1.3 Máquinas gravimétricas
de bombas, usualmente éstas son de dos tipos, como se indica en la fig
El intercambio de energía se realiza en forma de energía de posición.
7.1, de pistón o de diafragma.
principio de funcionamiento de estas bombas es el del desplazami Dentro de este tipo de bombas se encuentran las ruedas hidráulicas y el
positivo y su movimiento es alternativo, aunque pueden ariete hidráulico.
7.1.3.1Ariete hidráulico
El ariete hidráulico indicado en la figura 7.2 es una máquina gravimétrica
utilizada para elevar una cantidad de agua q a una altura h, aprovechaildo la
energía de una masa de agua por unidad de tiempo Qque cae una altura H.
El ariete es muy utilizado en sistemas de abastecimiento primarios como
manantiales, en arroyos o en ríos pequeños.
El funcionamiento del ariete ilustrado en la figura 7.2 se describe así:
1) lega el agua al ariete por la tubería de caída L a la válvula de salida de
sobrante A, descargando al exterior por la parte superior (el contrape-
so movible mantiene abierta la válvula A).
2) Cuando la velocidad de salida llega al máximo, se ejerce una presión tal
que levanta la válvula y ésta se cierra súbitamente.
3) Se origina un golpe de ariete y su subsiguiente onda de sobrepresión
que abre la válvula D; entra así el agua a la cámara de aire C.
4) El aire en la parte superior de la cámara se comprime; se abre entonces
la válvula de retención R y el agua es impulsada por la tubería 1merced
a la energía acumulada en la cámara de aire.
5) Se ~ r o d u c e
luego una depresión de aire y agua que causa el cierre de la
válvula R y la apertura de la válvula D.
El ciclo anterior se repite continuamente.
La caída aprovechable, H, para accionar el aparato en general debe ser
mayor de 1.00 metros y la altura de elevación, h, está comprendida entre
6 y 12 veces la caída H.

Figura 7
.
2Ar~ete
hidráulico
150 L/min; en ocasioiles
El caudal de
obtienen caudales de hasta
La tubería de carga debe ser recta y de mayor diámetro que la tuberí
impulsión. La longitud de la tubería de carga debe cunlplir los siguie
. .
requisitos:
5 H < L < l O H
8rn<L<75rn
El caudal de agua entregado o elevado es igual a:
Q H
4 ' - x e
h
en donde: q = caudal elevado (L/min)
= caudal mínimo para operar (L/min)
= altura de caída (m)
h = altura de impulsión (m)
e = eficiencia del ariete comprendida entre el 60% y
el 70%. Depende de manera inversa de la relación
h/H.
La selección del ariete requerido se hace por inedio de las tablas surninis-
tradas por el fabricante. A continuación se transcribe la tabla indicada en
el Manttal de Hidrittlica de Azevedo AIvarez.
Tabla 7.1
Arietes fabricados por Lidgerwood lndustr~al
(Brasil)
Número Tubería (plg.) Caudal Caudal elevado (Uhora)
de aparatos Succión Impulsión (Umin.) 6
:
1 8
:
1 1O:l 1
2
:
l
2 314 318 5 32 20 12
7.1.3.2Ejemplo de aplica
Seleccionar los arietes necesarios para elevar el agua de la cota 100 a la cota
125,según lo indicado en la figura 7.3, bajo las siguientes condiciones:
Consun~o:
q = 0.125L/s = 7.5 L/min = 450 L/hr = 10.8 m3/s
Agua necesaria para el ariete:

- Dzrección delflujo: Flujo radial
Flujo axial
Flujo radio-axial
- Posición del eje: Eje vertical
Eje horizontal
Eje inclinado
- Presión engendrada: Baja presión
Presión media
Alta presión
- Entrada a la bomba: Aspiración simple
Figura 7.3 Ejemplo de aplicación del ariete hidráulico. Aspiración doble
7.2.1 Elementos.constitutivosde las bombascentrífugas
'= 7.5 x
125-95 1
Q = 4 z e 100 -95 x -0.6 Los siguientes son los elementos de estas bombas según se numeran en la
Q = 75 Llmin 1. Rodete: Este elemento está conectado con el motor de la bomba y gira
con respecto al eje del mismo. Consta de varios álabes que orientan el
Selección del ariete: fluido dentro del rotor e imparten la energía cinética al fluido.
h 30 6 Existen varias formas de rodetes:
La relación: - = - = -
H 5 1 - Rodete cerrado: Las caras posterior y anterior conforman una caja y
entre ambas caras se fijan los álabes.
Según la tabla anterior, para esta relación de alturas se requiere:
- Rodete semiabierto: Los álabes están fijos a una sola cara.
- Rodete abierto: Sin cara posterior o anterior, los álabes están sujetos al
Número de aparatos: 6 núcleo o parte central.
Diámetro succión: 2 % " (64 mm)
Diámetro impulsión: 1 '/4 " (32 mm)
Caudal de carga: 75 L/min = 1.25 Lis
Caudal impulsado: 480 L/hr = 0.13 L/s
el ariete trabajará entonces con una eficiencia igual a:
h 0 1 3 x 6
e = 4. - = - -x100=62%
Q H 1.25 1
7.2 BOMBAS
CENTR~FUGAS
Figura 7.4 Elementos const~tut~vos
de una bomba centrífuga

7.2.1.2 é"avitaci6n
El fenómeno de cavitación se presenta cuando la presión en la succióll
está cercana a la presión de vapor del fluido. En este caso se crean burbu-
jas de aire que al entrar en zonas de mayor presión se rompen de manera
abrupta. Este continuo rompimiento de las burbujas es causa de daños en
el eje del rotar por 10 que se debe evitar este fenómeno.
Existe un parámetr-o de control de la cavitación llamado Altura Neta po..
m0 caso realiza otra etapa de conversión de energía. sitiva de Succión Requerida (CNPS.) y Disponible (CNpsd).
CNPSr: Es función del diseño de la bomba y por la tanto suministrado
7.2.1.1 Número específicode revol~ciones Por el fabricante. Representa la mínima diferencia requerida entre la pre-
sión de succión y la presión de vapor a una capacidad dada, sin que se co-
rran riesgos de cavitación.
CNPSd: Es función del diseño del bombeo y representa la diferenciaentre la
altura absoluta y la presión de vapor del líquido. Esta se representa por:
(7.5)
para evitar el riesgo de cavitación por presión de succión, se debe que:
N Q%
n, = -
~ ' / 4
CNPSd > CNPS,
el2 donde: n, = Número específico de revoluciones Otra de las causas de cavitación en bombas son las excesivas revoluciones
60 o del rotar. En este caso se debe verificar que la velocidad específica de
N = ~ ~ ~ ~ l ~ c i o l l e s / m i n
= -(con o = velocidad ang operación no sobrepase la máxima dada por el fabricante.
Q = Caudal (m3/s)
2 n
H = Altura dinámica de impulsión (m)
-3DISENO
DE ESTACIONES
DE BOMBEO
Cuando haya necesidad de utilizar el bombeo en un sistema de acueduc-
Tabla 7.2 to, se debe tener en cuenta que esta alternativa resultará más costosa en
Clasiflcaclrjn de las bombas centrífugas según el t?Ú~ero términos de operación y mantenimiento en comparación con las alterila-
especif~co
de revo~uciones,
n
, tivas posibles de conducción por gravedad.
Característica del rodete
40 - 80 Rodete completamente radial (lento) 7.3.1 Ubicación de la estación
80- 140
140 - 300
. 300 - 600 Rodete radio-axial o de flujo mixto
6 k r á ~ a x t a l d o )

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