Captacion de manantiales, Guías, Proyectos, Investigaciones de Biología

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GUÍA PARA EL DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE

CAPTACIÓN DE MANANTIALES

Lima, 2004

El presente documento fue elaborado por el consultor ingeniero Roger Agüero para la Unidad de Apoyo Técnico en Saneamiento Básico Rural del Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente.

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INTRODUCCIÓN

El objetivo de esta guía es el de proporcionar a los profesionales información y conceptos actualizados, y las herramientas necesarias para el diseño y construcción de captaciones de agua de manantiales para sistemas de agua potable. Para tal efecto, la guía estará dividida en cuatro capítulos.

El primero incluirá información sobre los aspectos generales relacionados a las definiciones y glosario de términos. Asimismo, el segundo capítulo se detallará información sobre las fuentes de abastecimiento, tipos de sistemas y periodos y caudales de diseño.

El tercer capítulo desarrollará los diseños de las obras de dos tipos de captaciones; por un lado, de un manantial de ladera y concentrado y, por otro, de un manantial de fondo y concentrado. En cada caso, se detallará su diseño hidráulico, su dimensionamiento y su diseño estructural.

En el capítulo cuarto, se presentará información para la construcción de captaciones en manantiales de ladera y de fondo.

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Guía para el diseño y construcción de captación de manantiales

Capítulo I. Generalidades

1.1 Definiciones

. Afloramiento: Punto o zona por donde fluye el manantial hacia la superficie. . Aforo: Medición del flujo del manantial expresado generalmente en lt/seg. . Aleros: Parte de la estructura de la captación que actúa como barrera impermeable, marca el límite lateral de la captación y permite que el agua sea conducida a la cámara húmeda. . Área de captación: Área comprendida entre la cámara húmeda, los aleros y la zona o punto de afloramiento. . Área de protección: Sector circular comprendido entre la captación y un radio de 100 a 150 m hacia atrás como medida de recarga del acuífero. . Barraje: Presa que permite concentrar el caudal del manantial para conducirlo a la cámara húmeda. . Cámara húmeda: Compartimiento donde se colecta toda el agua captada. . Cámara seca: Compartimiento donde se ubican las válvulas y accesorios de control de la captación. . Límite de protección: Perímetro alrededor de la caja de captación que debe ser preservada como protección a la contaminación. . Manantial de ladera: Agua subterránea que fluye hacia la superficie por efecto de la gravedad. . Material permeable: Grava clasificada por donde discurre el agua entre el punto de afloramiento y la cámara húmeda. . Rebose: Sistema que permite evacuar el excedente de agua hacia el exterior de la captación. . Sellado: Capa de concreto o material impermeable que se dispone sobre el material permeable, para evitar la contaminación de las aguas colectadas. . Ventana: Orificio por donde fluye el agua hacia la cámara húmeda. . Zanja de coronación: Es un canal perimetral ubicado en la parte superior de la captación, que permite colectar las aguas superficiales producto de las precipitaciones. Protege a la captación de contaminación por aguas superficiales. . Manantial de fondo: Agua subterránea que fluye hacia la superficie por efecto de la presión ejercida por el acuífero confinado, también denominado de flujo artesiano.

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2.2 Tipos de sistemas

De acuerdo a la ubicación y naturaleza de la fuente de abastecimiento, así como a la topografía del terreno, se consideran dos tipos de sistemas: Los de gravedad y los de bombeo.

En los sistemas de agua potable por gravedad, la fuente debe estar ubicada en la parte alta de la población para que el agua fluya a través de tuberías, usando sólo la fuerza de la gravedad. En los sistemas de agua potable por bombeo, las fuentes de agua se encuentran en la parte baja de la población, por lo que necesariamente se requiere de un equipo de bombeo para elevar el agua hasta un reservorio y dar presión en la red.

En la mayoría de las poblaciones rurales se utilizan dos tipos de fuentes de agua: Las superficiales y las subterráneas, siendo la de mejor calidad las fuentes subterráneas representadas por los manantiales, que usualmente se pueden usar sin tratamiento, a condición de que estén adecuadamente protegidos con estructuras que impidan la contaminación del agua. Estas fuentes son las que se utilizan en los sistemas de agua potable por gravedad sin tratamiento, que comparado con los de bombeo y/o de tratamiento, son de fácil construcción, operación y mantenimiento; tienen mayor continuidad; menores costos, y la administración del servicio es realizada por la misma población.

9 Manantiales

Se puede definir al manantial como un lugar donde se produce el afloramiento natural de agua subterránea. Por lo general el agua fluye a través de una formación de estratos con grava, arena o roca fisurada. En los lugares donde existen estratos impermeables, éstos bloquean el flujo subterráneo de agua y permiten que aflore a la superficie.

Los manantiales se clasifican por su ubicación y su afloramiento. Por su ubicación son de ladera o de fondo; y por su afloramiento son de tipo concentrado o difuso.

En los manantiales de ladera el agua aflora en forma horizontal; mientras que en los de fondo el agua aflora en forma ascendente hacia la superficie. Para ambos casos, si el afloramiento es por un solo punto y sobre un área pequeña, es un manantial concentrado y cuando aflora el agua por varios puntos en un área mayor, es un manantial difuso.

a) Cantidad

La carencia de registros hidrológicos nos obliga a realizar una concienzuda investigación de las fuentes. Lo ideal sería que los aforos se realizarán en temporada crítica de rendimientos que corresponde a los meses de estiaje y lluvias, con la finalidad de conocer los caudales máximos y mínimos. El caudal mínimo debe ser mayor al valor del consumo máximo diario (Qmd). El Qmd representa la demanda de la población al final de la vida útil considerado en el proyecto, siendo por lo general, de 20 años para las obras de agua potable.

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b) Calidad

Los requerimientos básicos para que el agua sea potable:

• Estar libre de organismos patógenos causantes de enfermedades.
• No contener compuestos que tengan un efecto adverso, agudo o crónico sobre la salud humana.
• Ser aceptablemente clara (baja turbidez, poco color, etc.).
• No salina.
• Que no contenga compuestos que acusen sabor y olor desagradables.
• Que no cause corrosión o incrustaciones en el sistema de abastecimiento de agua, y que no manche la ropa lavada con ella.

En cada país existen reglamentos en los que se consideran los límites de tolerancia en los requisitos que debe satisfacer una fuente. Con la finalidad de conocer la calidad de la fuente que se pretende utilizar se deben realizar los análisis fisicoquímico y bacteriológico y conocer los rangos tolerables de la OMS, que son los referentes en el tema.

2.3 Población, periodos y caudales de diseño

a) Población de diseño

El proyectista adoptará el criterio más adecuado para determinar la población futura, tomando en cuenta para ello datos censales y proyecciones u otra fuente que refleje el crecimiento poblacional, los que serán debidamente sustentados.

b) Período de diseño

Los períodos de diseño de los diferentes elementos del sistema se determinarán considerando los siguientes factores:

• Vida útil de las estructuras y equipos.
• Grado de dificultad para realizar la ampliación de la infraestructura.
• Crecimiento poblacional.
• Capacidad económica para la ejecución de obras.

El período de diseño recomendado para la infraestructura de agua y saneamiento para los centros poblados rurales es de 20 años, con excepción de equipos de bombeo que es de 10 años.

c) Dotación y consumo

Mientras no exista un estudio de consumo, podrá tomarse los siguientes valores guías, teniendo en cuenta la zona geográfica, clima, hábitos y costumbres, y niveles de servicio a alcanzar.

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Capítulo III. Captación de manantiales

Elegida la fuente de agua e identificada como el primer punto del sistema de agua potable en el lugar del afloramiento, se construye una estructura de captación que permita recolectar el agua, para que luego pueda ser transportada mediante las tuberías de conducción hacia el reservorio de almacenamiento. La fuente en lo posible no debe ser vulnerable a desastres naturales, en todo caso debe contemplar las seguridades del caso.

El diseño hidráulico y dimensionamiento de la captación dependerán de la topografía de la zona, de la textura del suelo y de la clase del manantial; buscando no alterar la calidad y la temperatura del agua ni modificar la corriente y el caudal natural del manantial, ya que cualquier obstrucción puede tener consecuencias fatales; el agua crea otro cauce y el manantial desaparece.

Es importante que se incorporen características de diseño que permitan desarrollar una estructura de captación que considere un control adecuado del agua, oportunidad de sedimentación y facilidad de inspección y operación.

3.1 Tipos de captación

Como la captación depende del tipo de fuente y de la calidad y cantidad de agua, el diseño de cada estructura tendrá características típicas.

Cuando la fuente de agua es un manantial de ladera y concentrado, la captación constará de tres partes: La primera, corresponde a la protección del afloramiento; la segunda, a una cámara húmeda para regular el gasto a utilizarse; y la tercera, a una cámara seca que sirve para proteger la válvula de control. El compartimiento de protección de la fuente consta de una losa de concreto que cubre toda la extensión del área adyacente al afloramiento de modo que no exista contacto con el ambiente exterior, quedando así sellado para evitar la contaminación. Junto a la pared de la cámara existe una cantidad de material granular clasificado, que tiene por finalidad evitar el socavamiento del área adyacente a la cámara y de aquietamiento de algún material en suspensión. La cámara húmeda tiene una canastilla de salida para conducir el agua requerida y un cono de rebose para eliminar el exceso de producción de la fuente.

Si se considera como fuente de agua un manantial de fondo y concentrado, la estructura de captación podrá reducirse a una cámara sin fondo que rodee el punto donde el agua brota. Constará de dos partes: La primera, la cámara húmeda que sirve para almacenar el agua y regular el gasto a utilizarse; la segunda, una cámara seca que sirve para proteger las válvulas de control de salida y desagüe. La cámara húmeda estará provista de una canastilla de salida y tuberías de rebose y limpia.

Si existen manantiales cercanos unos a otros, se podrá construir varias cámaras de las que partan tubos o galerías hacia una cámara de recolección de donde se inicie la línea de conducción. Adyacente a la cámara colectora se considera la construcción de la cámara seca cuya función es la de proteger la válvula de salida de agua.

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3.2 Captación de un manantial de ladera y concentrado

a) Diseño hidráulico y dimensionamiento

Para el dimensionamiento de la captación es necesario conocer el caudal máximo de la fuente, de modo que el diámetro de los orificios de entrada a la cámara húmeda sea suficiente para captar este caudal o gasto. Conocido el gasto, se puede diseñar el área de orificio sobre la base de una velocidad de entrada no muy alta y al coeficiente de contracción de los orificios.

Figura 1.1 Flujo de agua en un orificio de pared gruesa

9 Calculo de la distancia entre el afloramiento y la cámara húmeda.

Es necesario conocer la velocidad de pase y la pérdida de carga sobre el orificio de salida (figura 1.1). Según la ecuación de Bernoulli entre los puntos 0 y 1, resulta:

g

V h P g

V h P 2 2

2 1 1 1

2 0 0 (^0) + + = + + δ δ

Considerando los valores de P 0 , V 0 , P 1 y h1 igual a cero, se tiene:

2 1 (^0) g

V

h =

Donde: h 0 = Altura entre el afloramiento y el orificio de entrada (se recomienda valores de 0,40 a 0,50 m.) V 1 = Velocidad teórica en m/s. g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s^2 ).

Mediante la ecuación de continuidad considerando los puntos 1 y 2, se tiene:

Q 1 = Q 2

Cd x A 1 x V 1 = A 2 x V 2

Siendo A 1 = A 2

1 2 (^2 )

Cd

V

V =

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V = Velocidad de paso (se asume 0,50 m/s, siendo menor que el valor máximo recomendado de 0,60 m/s). A = Área de la tubería en m^2 Cd = Coeficiente de descarga (0,6 a 0,8). G = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2 ) h = Carga sobre el centro del orificio (m).

El valor de A resulta:

4

. D^2 CdxV

A = Qmáx =^ π

Considerando la carga sobre el centro del orificio el valor de A será:

( 2 )^4

. 2 1 / 2

D Cd gh

Qmáx A π = =

El valor de D será definido mediante:

π

A D 4 =

Número de orificios: Se recomienda usar diámetros (D) menores o iguales de 2”. Si se obtuvieran diámetros mayores, será necesario aumentar el número de orificios (NA), siendo:

= + 1 Áreadeldiámetroasumido

NA Áreadeldiámetrocalculado Figura 1.3 Distribución de los orificios de pantalla frontal

1

2

2

(^1) + ⎟⎟ ⎠

⎞ ⎜⎜ ⎝

⎛

D

NA D

Para el cálculo del ancho de la pantalla, se asume que para una buena distribución del agua los orificios se deben ubicar como se muestra en la figura 1.3.

Siendo:

“d” el diámetro de la tubería de entrada “b” el ancho de la pantalla

Conocido el número de orificios y el diámetro de la tubería de entrada, se calcula el ancho de la pantalla (b) mediante la siguiente ecuación:

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b = 2(6D) + NA D + 3D (NA – 1) b = 12 D + NAD + 3 NAD – 3D b = 9D + 4 NAD

Donde:

b = Ancho de la pantalla D = Diámetro del orificio NA = Número de orificios

9 Altura de la cámara húmeda

En base a los elementos identificados de la figura 1.4, la altura total de la cámara húmeda se calcula mediante la siguiente ecuación:

Ht = A + B + H + D + E

Donde:

A = Se considera una altura mínima de 10 cm. Que permite la sedimentación de la arena. B = Se considera el diámetro de salida. H = Altura de agua sobre la canastilla. D = Desnivel mínimo entre el nivel de ingreso del agua del afloramiento y el nivel de agua de la cámara húmeda (mínimo 5 cm.). E = Borde libre (mínimo 30 cm).

Figura 1.4 Altura total de la cámara húmeda

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Donde:

D = Diámetro en pulgadas Q = Gasto máximo de la fuente en lps S = Pérdida de carga unitaria en m/m

b) Diseño estructural

Para el diseño estructural se considera el muro sometido al empuje de la tierra cuando la caja está vacía. Si está llena, el empuje hidrostático tiene un componente en el empuje de la tierra, favoreciendo de esta manera la estabilidad del muro.

Las cargas consideradas son: el peso propio, el empuje de la tierra y la subpresión.

Figura 1.6 Muro de gravedad

Para garantizar la estabilidad del muro, se debe verificar que la carga unitaria sea igual o menor a la capacidad de la carga del terreno; mientras que para garantizar la estabilidad del muro al deslizamiento y al volteo, se deberá verificar un coeficiente de seguridad no menor a 1,6.

9 Empuje del suelo sobre el muro (P)

2

C h^2 P ah s δ =

Donde:

Cah = Coeficiente de empuje (^) ⎟⎟ ⎠

⎞ ⎜⎜⎝

⎛

= − φ

φ sen

C sen ah (^) 1

1

δ (^) s =Peso específico del suelo tn/m^3

h = altura del muro sujeto a presión del suelo en m

φ = Ángulo rozamiento interno del suelo (cohesión)

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9 Momento de vuelco (Mo)

Mo = P x Y donde 3

h Y =

9 Momento de estabilización (Mr)

Mr = W x X

Donde:

W = Peso de la estructura X = Distancia al centro de gravedad

Para verificar si el momento resultante pasa por el tercio central se aplica la siguiente fórmula:

t

r o W

M M a − =

9 Chequeo por vuelco, por carga máxima unitaria y por deslizamiento

Por vuelco

o

r dv (^) M

M C = donde deberá ser mayor de 1,

Por máxima carga unitaria

1 (^4 6 )^2 L

W P = L − a t

2 (^6 2 )^2 L

W P = a − L t

El mayor valor que resulte de P 1 y P 2 debe ser menor o igual a la capacidad de carga del terreno.

Por deslizamiento

P

F Chequeo = F = u x Wt

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Para determinar la altura de la captación, es necesario conocer la carga requerida para que el gasto de salida de la captación pueda fluir por la tubería de conducción. La carga requerida es determinada mediante la siguiente ecuación:

g

H V 2

1. 56

2

Donde:

H = Carga requerida en m. V = Velocidad promedio en la salida de la tubería de la línea de conducción en m/s. Se debe considerar la velocidad mínima recomendada para una línea de conducción. g = Aceleración de la gravedad igual 9,81 m/s2.

Se recomienda una altura mínima de H = 5 cm, sobre la canastilla

9 Dimensionamiento de la canastilla

Para el dimensionamiento se considera que el diámetro de la canastilla debe ser dos (2) veces el diámetro de la tubería de salida a la línea de conducción (Dc); que el área total de ranuras (At) sea el doble del área de la tubería de la línea de conducción; y que la longitud de la canastilla (L) sea mayor a 3 Dc y menor de 6Dc. Figura 1.7 altura total de la cámara húmeda

At = 2 Ac

Donde:

2 c c

D

A

Conocidos los valores del área total de ranuras y el área de cada ranura se determina el número de ranuras:

° = + 1 Áreaderanuras

Nranuras Áreatotalderanuras

9 Tubería de rebose y de limpia

En la tubería de rebose y de limpia se recomienda pendientes de 1 a 1,5% y considerando el caudal máximo de aforo, se determina el diámetro mediante la ecuación de Hazen y Williams (para C=140).

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021

071 038 .

. S

. Q D =

Donde:

D = Diámetro en pulgadas Q = Gasto máximo de la fuente en lps S = Pérdida de carga unitaria en m/m.