1 CAPITULO 1 1. ANTECEDENTES 1.1 Introducción General La construcción de sistemas de alcantarillados se remonta a la época del Imperio Romano. Muchos de dichos sistemas siguen en servicio, debido a que fueron realizados sobre roca. Desde esa fecha, no se experimentó ningún progreso notable en el proyecto y construcción de redes de saneamiento hasta la década de 18401850. Según la historia el cambio comenzó en Hamburgo, Alemania, en 1842, donde se diseñó un nuevo y completo sistema de evacuación de aguas residuales de acuerdo con las nuevas teorías de la época. Los sistemas del Alcantarillado son importantes ya que influyen significativamente en la salubridad de los asentamientos humanos. 2 1.2 Justificación La Escuela Superior Politécnica del Litoral tiene como meta contribuir al desarrollo de las comunidades peninsulares dentro del marco del Plan de Desarrollo de la Península. Entre esas comunidades se encuentran San Pedro y Valdivia, dos comunas que fueron seleccionadas como sitios de estudio de la presente tesis. Estas comunas no cuentan con sistemas de alcantarillados, uno de los factores que impide su desarrollo económico. Por lo tanto, la presente tesis ayuda a solucionar parte del problema de dichas comunas. Para la realización de la tesis, se realizaron varias visitas de campo a las comunas para recorrer el sitio de estudio y obtener muestras de suelo. Adicionalmente, se entrevistó a varias personas y directivos de cada una de las comunas, quienes muy gentilmente colaboraron con los datos necesarios relacionados a los aspectos sociales de la zona. De igual forma colaboró en todo lo necesario el director del Plan de desarrollo de la Península ESPOL, MSc Kléber Moran. 3 1.3. Objetivos 1.3.1 Objetivo General El objetivo general de esta tesis es incentivar a los estudiantes al empleo de herramientas informáticas para el diseño de redes de alcantarillado. Estas herramientas informáticas simplifican los cálculos repetitivos, optimizando recursos económicos y humanos, siendo así más competitivos, además que se pueden obtener demos gratis en internet 1.3.2 Objetivos Específicos. Dentro de los objetivos específicos tenemos: Diseño del sistema de alcantarillado sanitario de San Pedro y Valdivia. Evaluación del software PCSWMM 2003 como herramienta de diseño de redes de AASS. Desarrollo de una metodología herramienta informática. de aplicación de la 4 1.4 Descripción general del sitio de Estudio 1.4.1 Ubicación.- Las comunas de San Pedro y Valdivia pertenecen a la Parroquia Manglaralto, Cantón Santa Elena, Provincia de Santa Elena. La comuna San Pedro limita al norte con la comuna Valdivia, al sur y al este con el Cerro San Pedro y al oeste con el Océano Pacífico. La comuna Valdivia tiene por limites, al norte el río Valdivia al sur la comuna San Pedro al este el cerro San Pedro y al oeste el Océano Pacífico. Ambas comunas están limitan al oeste con el Océano Pacífico y están ubicadas alrededor del Km.41 en la vía Santa Elena – Montañita en la denominada Ruta del Sol. Tal como se puede apreciar en la figura 1.1 y en la figura 1.2 5 Figura 1.1 Ubicación de las comunas Figura 1.2 Coordenadas de las comunas Fuente: Hoja topográfica de Manglaralto 6 1.4.2 Comuna San Pedro de Manglaralto. Esta comuna fue fundada en 1950. La dirige la directiva la misma que funciona en la casa comunal y esta encabezada por el presidente de la comuna. En la actualidad la comuna cuenta con un subcentro de salud, una academia, tres escuelas, y el seguro social campesino. Desde el año 2000 la mayor parte de la población cuenta con servicio de agua potable. Sin embargo no tienen alcantarillado ni calles pavimentadas. Se ha iniciado la reforestación del cerro para ayudar a su estabilización, además en el cerro se ha creado chancheras comunitarias para evitar así los malos olores que producía el estiércol de los cerdos que andaban por las calles. Entre las Instituciones que apoyan a esta comuna tenemos al MIDUVI, CENAIM - ESPOL, Plan Internacional y La Alcaldía de Santa Elena. Su cercanía al mar hace que gran parte de los moradores se dediquen a la pesca además de la artesanía. Sus manzanas 7 no son ordenadas lo que muestra la falta de planificación de las autoridades. En la actualidad, existen planes para desarrollar y ubicar a la nueva comuna. La Tabla 1 muestra un resumen comparativo de las fortalezas y debilidades encontradas en la comuna de San Pedro que pueden ayudar en el desarrollo del turismo de la misma. Tabla 1 Fortalezas y debilidades de la Comuna San Pedro FORTALEZAS DEBILIDADES La pesca es la principal actividad económica. Una parte de la población se dedica a la artesanía y ebanistería. Tienen Seguro Social Campesino Tiene un Subcentro de salud, dispensario La agricultura de invierno (sandía, maíz, yuca)es una fuente alternativa de ingresos. La ubicación del CENAIM-ESPOL Faltan artes de pesca como redes, pangas y capacitación; los pescadores no están organizados Falta de apoyo a la microempresa La atención médica no es regular No hay visión futuro sobre la agricultura. Falta de promoción turística Poseen playas para el turismo. Sus moradores están motivados en mejorar la imagen de la comuna Fuente: Plan de Desarrollo de la Península 8 1.4.3 Comuna Valdivia de Manglaralto Valdivia fue fundada en el año 1937 y solo eran unas pocas familias. En la actualidad, se estima que la población es de 4500 habitantes. Desde el año 1951 funciona la escuela “Francisco de Miranda”, y el colegio “Valdivia” fue fundado en el año 1978. La comuna tiene un subcentro de salud (desde 1984) dando servicio médico 3 días a la semana. Además la comuna cuenta con un parque, el acuario (desde 1966), el museo (creado en 1978) y la playa los mismos que atraen el turismo. Generalmente la gente se dedica a la artesanía y a la pesca. La comuna tiene un síndico y su respectiva directiva los mismos que anualmente cambian. Las calles no son pavimentadas, pero sus manzanas son organizadas a diferencia de San Pedro. El suelo es por lo general arenoso y en época de lluvia se inunda sobre todo las partes bajas. A continuación se muestra un cuadro comparativo de las fortalezas y las debilidades que caracterizan a la comuna de Valdivia en la Tabla 2, las mismas que fueron obtenidas luego de un estudio que realizó el Plan de Desarrollo de la Península de Santa Elena de la Espol. 9 Tabla 2 Fortalezas y debilidades de la Comuna Valdivia FORTALEZAS A los comuneros les gusta la pesca. DEBILIDADES El pescador es explotado en la comercialización pesquera. No cuenta con recursos La agricultura es una económicos. alternativa de ingreso, ya que cuentan con suficiente área No consta con sistema de riego. para el cultivo. Poseen acuario, playas. Hay fábricas como TORDASCO Y BONDELMAR. La comunidad tiene deseos de superación. Hay centro de salud. No consta con albarradas. No tiene cobertura turística. Desagüe del eviscerado. Contaminación del río. Falta servicios básicos. Desnutrición materna infantil. Fuente: Plan de Desarrollo de la Península 1.4.4 Extensión del Sitio de Estudio Cabe mencionar que en lo que se refiere a San Pedro, su área de extensión es de 17Ha. y esta comuna solo puede crecer hacia el sur ya que hacia el cerro es peligroso. Razón por la que se ha planificado la ubicación del Nuevo San Pedro a 1.4Km al sur de San Pedro para lo cual ya se han designado 4Ha. de terreno. En el caso de Valdivia esta 10 comuna tiene una extensión de 30Ha. Y su crecimiento es hacia el norte. 1.4.5 Geología del sitio de estudio De acuerdo al Proyecto de Investigación PI-320,01 (1985) realizado por la Escuela Superior Politécnica del Litoral ESPOL y el Consejo Nacional de Universidades y Escuelas Politécnicas CNUEP, en los alrededores de las comunas de San Pedro y Valdivia. Existe un afloramiento de areniscas, que cubre un área aproximada de 25 Ha. Estas rocas pueden ser consideradas dentro de la Formación Dos Bocas. La edad atribuida a estas areniscas corresponde al Mioceno Inferior. Además en la figura 1.3 se puede apreciar que la zona de estudio está en el Cuaternario QA2, de la época del Holoceno los mismos que son gravas, arenas, limos y arcillas no consolidadas, es decir, Deposito Aluvial y el Terciario Mioceno (Mioceno inferior-Mioceno medio, M1-2), también conocido como Miembro Dos Bocas esta conformado por lutitas chocolates, suaves laminadas con vetas de yeso. 11 Figura 1.3 Geología de las comunas Fuente: Proyecto de Investigación PI-320,01 (1985) , MS. Eugenio Nuñez del Arco 1.4.6 Servicios Públicos Existentes 1.4.6.1 Agua Potable. En el año 2000, el CENAIM realizó el estudio para el diseño de las redes de agua potable (AAPP) para las dos comunas. En el año 2002 se llevó a cabo el proyecto instalando las acometidas a cada una de las casas, el servicio abastece todos los días la parte baja de las comunas. En el caso de la parte 12 alta, la más cercana al cerro, es abastecida solamente los Lunes y Jueves. 1.4.6.2 Aguas Residuales En lo referente a la evacuación de las aguas residuales ninguna de las dos comunas cuenta con una red de alcantarillado sanitario. La evacuación de las aguas servidas de las viviendas se lo hace a través de pozos sépticos. 1.4.6.3 Aguas Lluvias Estas comunas tampoco tienen una red de alcantarillado pluvial. Por tal motivo, las calles que están en las partes bajas (las que están cerca al mar) se inundan en época lluviosa. 1.4.6.4 Pavimentación En lo se refiere a pavimentos ninguna de las dos comunas cuentan con calles pavimentadas. La 13 única vía pavimentada es la carretera Santa ElenaOlón (Ruta del sol). La calle 10 de Junio de Valdivia es adoquinada. La falta de pavimentación favorece al proyecto de alcantarillado ya que implica una disminución en el costo de la construcción de la red de alcantarillados sanitario y pluvial. 1.4.6.5 Energía Eléctrica En lo se refiere a los servicios de energía eléctrica hay que mencionar que las dos comunas cuentan con este servicio de manera regular. El servicio proviene del sistema Interconectado Nacional. 14 CAPITULO 2 2. HIDRAULICA DE SISTEMAS DE ALCANTARILLADO 2.1 Generalidades Para poder efectuar el diseño de un sistema de alcantarillado sanitario, se requiere conocer los principios de hidráulica que se aplican al transporte a gravedad de líquidos en conductos cerrados o abiertos. Hidráulicamente, la captación de aguas residuales difiere de la distribución de agua en tres aspectos: Los conductos no fluyen circunstancias especiales. bajo presión, excepto en 15 El flujo es casi siempre inestable y frecuentemente no uniforme. Las aguas transportan cargas de materiales flotantes, suspendidos y solubles. Los mismos principios hidráulicos se aplican al flujo en las alcantarillas y al flujo en tuberías llenas. Sin embargo, las alcantarillas rara vez trabajan a tubo lleno; y para cualquier alcantarilla circular, el área, la velocidad de flujo, y la descarga varían con la altura del agua en el interior de la tubería. Por lo general la tubería se diseña como flujo a canal abierto, en condiciones parcial o totalmente llena. El diseño contempla condiciones de flujo uniforme. Adicionalmente el criterio de velocidad de diseño considera condiciones de autolimpieza. 2.2 Tipos de Redes de Alcantarillado Existen 3 tipos de redes de alcantarillado: Acometida domiciliaria: se conectan con la red de desagües de las casas y su finalidad es transportar las aguas residuales a las alcantarillas secundarias o a cualquier otra alcantarilla, excepto a otra acometida 16 Laterales o secundarias: constituyen el primer elemento de la red de alcantarillado y suelen disponerse en las calles o en zonas especiales de servidumbre. Principales o colectores: se usan para transportar el agua residual procedente de una o varias alcantarillas secundarias al cuerpo receptor. Las aguas servidas se colectan de las casas particulares por medio de tubos de diámetro pequeño generalmente de 4 ó 6 pulgadas, que descargan a las redes laterales. El tubo que recibe el gasto de dos o más redes laterales se conoce como ramal. Cada cierta distancia, es necesario instalar pozos de revisión para permitir el acceso y poder hacer limpieza e inspección. Generalmente los sistemas de alcantarillado se diseñan a gravedad, y las alcantarillas deben tenderse con una pendiente que permita una velocidad de flujo razonable. A lo largo del tiempo se han desarrollado tipos de sistemas, denominados como: Sistemas Separativos: son aquellos que transportan las aguas servidas en tuberías independientes de las aguas pluviales. 17 Sistemas Unitarios o combinado: son aquellos en que se transportan tanto las aguas servidas como las pluviales. Cada uno de estos sistemas posee ventajas y desventajas que deben tomarse en cuenta para resolver cada caso particular. En el caso de aguas lluvias se necesitan alcantarillas de gran diámetro para evacuar el agua obtenida de las precipitaciones. Por lo que, en la actualidad los sistemas combinados ya no se recomiendan debido a la subutilización de las tuberías durante la época seca. Adicionalmente, los tipos, tamaños y longitudes de las tuberías en las redes de alcantarillado dependen de las características de la población y de la ubicación de la estación depuradora. En la presente tesis, se diseñará el sistema de alcantarillado hasta la entrada del potencial sitio de tratamiento. El diseño de la planta de tratamiento esta fuera del alcance de esta tesis. 2.3 Conceptos hidráulicos Flujo es el movimiento de un fluido con respecto a un sistema inercial de coordenadas, generalmente ubicado en un contorno 18 sólido. En un canal o tubería el flujo se determina mediante los siguientes parámetros físicos: Desplazamiento de una partícula de fluido Velocidad de una partícula de fluido en un punto del campo de flujo Aceleración de una partícula en un punto del campo de flujo Estas cantidades pueden permanecer constantes o variar con el espacio y/o tiempo. El flujo puede ser uniforme y no uniforme (con respecto al espacio), y permanente y no permanente (con respecto al tiempo). Estos cuatro tipos de flujo se combinan como se indica a continuación: Flujo uniforme permanente: ninguna de las características del flujo (presión y velocidad) varían en el espacio y/o tiempo. Flujo uniforme no permanente: las características no varían con el espacio pero si con el tiempo. Flujo variado permanente: las características varían con el espacio pero no con el tiempo. Tiene dos subtipos, el gradualmente variado y rápidamente variado. Flujo variado no permanente: las características varían con el espacio y con el tiempo. Debido a que el flujo uniforme no 19 permanente no existe, este se conoce como flujo no permanente. 2.3.1. Flujo uniforme Se llama flujo uniforme aquel en que la altura, sección transversal y demás elementos del flujo se mantienen sustancialmente constantes de una sección a otra. Si la pendiente, sección transversal y velocidad cambian de un punto a otro de la conducción, el flujo se dice no uniforme. 2.3.2. Ecuación de Saint Venant En un canal los caudales y los niveles varían forzosamente con el tiempo, pues las condiciones del flujo así lo exigen. Las ecuaciones que rigen el movimiento del agua son las dos ecuaciones de Saint-Venant.: Una obliga a la conservación del caudal del agua (ni se crea ni se destruye) y t v* y x 0 La otra a la conservación de la cantidad de movimiento, teniendo en cuenta que este valor no viene afectado solo por 20 la variación de velocidad, sino también por variación de la masa de agua contenida en el tramo en estudio. v t v v t g y x g * (s s f ) El sistema de ambas ecuaciones debe cumplirse en todos los puntos y en todo momento. Por lo tanto, la solución de estas ecuaciones es un proceso iterativo que puede ser fácilmente resuelto con la ayuda de programas de computadora. 2.3.3. Fórmulas de Chezy y Manning.- La fórmula de Chezy (1775) representa la estimación de la perdida de carga debida a la fricción en las tuberías. La fórmula se calculó originalmente para canales abiertos. Darcy modificó más tarde su forma para aplicarla a tuberías. La formula es: V C R*S Chezy supuso que el coeficiente C era una constante, pero luego comprobó que era una variable dependiente de la 21 rugosidad del tubo, de la velocidad y del radio medio hidráulico (área mojada dividida por el perímetro mojado). Por tanto la fórmula de Chezy no expresa con precisión la ley de la fricción de los fluidos. Basándose en trabajos realizados a finales de siglo pasado, Robert Manning dio a conocer su famosa formula para flujo en lámina libre. Aunque esta formula fue originalmente concebida para el proyecto de canales abiertos, actualmente se utiliza también para conductos cerrados: V 1 2/3 R * S 1/ 2 n El radio hidráulico se define como la relación entre el área mojada y el perímetro de la sección mojada, para tubería a sección llena el R D 4 A finales del siglo pasado y principios de este se desarrollaron diversas formulas experimentales para determinar los caudales en canales abiertos, como las propuestas por Chezy, Ganquillet-Kutter, Manning y Scobey. De ellas sólo la formula de Manning sigue siendo de uso generalizado hoy en día 22 debido a su simplicidad y por el considerable volumen de datos experimentales disponibles para estimar el coeficiente de rozamiento. Por lo tanto en la mayoría de los problemas que se presentan al proyectar las alcantarillas es necesario estimar la velocidad y el caudal cuando fluyen parcialmente llenas. La siguiente figura 2.1. es sobre la relación entre altura y diámetro versus cuatro parámetros hidráulicos como la V/Vllena, Q/Qlleno, A/Allena, R/Rlleno, se puede notar que la velocidad y radio hidráulico máximo ocurre cuando la relación de altura y diámetro es aproximadamente 0.8 y que esta disminuye rápidamente cuando la altura de flujo decrece por debajo de la mitad del diámetro. Usualmente se necesita usar un tubo pequeño con una pendiente fuerte para obtener la velocidad mínima requerida para un caudal bajo. 23 Figura 2.1 Parámetros hidráulicos de las alcantarillas de sección circular 1.000 0.900 0.800 a/A r/R 0.700 q/Q h/D 0.600 0.500 0.400 v/V 0.300 0.200 0.100 0.000 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 1.100 1.200 1.300 a/A; r/R; v/V; q/Q a/A r/R v/V q/Q Fuente: Metcalf & Eddy, Redes de alcantarillado y bombeo En la bibliografía existe mucha confusión respecto al valor del coeficiente de Manning para diversos materiales, ya que se presentan datos poco consistentes. Generalmente, los valores mostrados varían de observaciones de laboratorio bajo condiciones ideales y controladas a cifras con un margen de seguridad aplicables a los diseños. Inclusive cuando el coeficiente es calculado a partir de mediciones de terreno, debe tenerse en cuenta que el promedio aritmético no necesariamente la cifra más adecuada. Aproximadamente la 24 mitad de las observaciones tendrá valores más altos que el promedio. Lo que se necesita es un valor que cubra razonablemente, al menos la gran mayoría de los valores observados. Sin embargo para las condiciones reales de trabajo el valor de «n» debe incrementarse para tener en cuenta factores tales como: Discontinuidad producida por las juntas y por fallas en el alineamiento, causadas por errores de construcción o asentamientos del terreno. Acumulación de detritos y sedimentos en el fondo de las alcantarillas. Recubrimiento de grasas y otras sustancias en las paredes interiores de las tuberías. Penetración de raíces de árboles que alteren el flujo Disturbios en el flujo principal, causados por los caudales laterales, provenientes de las conexiones domiciliarias. Recubrimiento de suciedades y fango que afecta a la superficie mojada de prácticamente la totalidad de las alcantarillas. Debido a tales factores, el valor de n a ser utilizado en el 25 diseño, debe incluir un margen de seguridad suficiente para tener en cuenta las circunstancias adversas que se pueden presentar durante la vida útil de los alcantarillados. La Sociedad de Ingenieros Civiles de los Estados Unidos, textualmente dice: «Generalmente el valor del coeficiente de Manning para un alcantarillado dado, después de cierto tiempo de servicio, se aproxima a una constante que no es función del material del tubo pero que representa la acumulación de detritos y crecimiento de suciedades en las paredes del mismo. Este «n» será, del orden de 0.013». Más adelante acota: «Por la naturaleza empírica de las fórmulas, un diseño conservador es prudente». En el mismo manual se publica una tabla de valores de «n» para distintos materiales que muestra cifras idénticas para el gres, concreto u hormigón, asbesto cemento, hierro dúctil y plásticos como el PVC o NovafortNovaloc . Como resumen de lo anterior puede afirmarse que el valor más recomendable del coeficiente de Manning para usar en los diseños es 0.013. Para tuberías antiguas, cuando se tengan dudas sobre la calidad de la construcción es conveniente emplear un valor más alto, tal como 0.015. 26 2.3.4. Velocidades permitidas Además se debe tener en cuenta las velocidades permitidas para los diferentes diámetros de las tuberías. Si el agua residual fluye por las alcantarillas a baja velocidad durante periodos de tiempo prolongados, se producirá una deposición de los sólidos en aquellas alcantarillas. También debe procurarse que haya velocidad suficiente durante varias horas al día, de manera que los sólidos depositados en periodo de baja velocidad puedan ser arrastrados. Velocidad mínima De acuerdo al IEOS la velocidad del líquido en los colectores, sean estos primarios, secundarios o terciarios, en cualquier año del periodo de diseño, no sea menor que 0.45m/seg. Velocidad máxima Preferiblemente la velocidad debe ser mayor a 0.5m/seg para impedir la acumulación de gas sulfhídrico en el líquido. Las 27 velocidades máximas admisibles en tuberías o colectores dependen del material de fabricación como se ve en la Tabla 3 Tabla 3 Velocidad máxima según el material Material Hormigón simple: con uniones de mortero con unión de neopreno Asbesto cemento m/seg Coeficiente de rugosidad 4 3,5-4 4,5-5 0.13 0.013 0.011 Vmax Teniendo en cuenta que la distancia máxima entre pozo de visita será de 120 metros. El escurrimiento de aguas negras por hora, es más importante para el diseñador que el escurrimiento medio por día, ya que el sistema debe tener la capacidad suficiente para tomar el gasto máximo horario en el día de máximo caudal del año. 2.3.5. Pendiente de la solera (S).- Otro parámetro importante en el diseño de alcantarillados es la pendiente de la solera. Las aguas que circulan por los alcantarillados contienen normalmente partículas que podrían sedimentarse y formar obstrucciones. Por tal motivo, se suele 28 especificar que las pendientes sean superiores a un valor mínimo para garantizar velocidades suficientemente altas que produzcan el arrastre de los materiales en suspensión. La pendiente mínima de diseño resulta de un diámetro que a tubo lleno, produce una velocidad de autolimpieza requerida. Tal velocidad se la conoce con el nombre de velocidad mínima, y en la mayoría de las normas es de 0.60 m/s para el caso de alcantarillados sanitarios, y 0.75 m/s cuando se trata de sistemas pluviales o combinados. Se exige un mayor valor para los alcantarillados que conducen aguas lluvias, ya que tales estructuras pueden contener partículas de mayor tamaño que las usualmente contenidas en los sistemas estrictamente sanitarios. Cabe señalar que los factores importantes que hay que considerar durante el diseño, no deben limitarse a definir una combinación de diámetro y pendiente que ofrezca una capacidad suficiente para transportar determinado caudal. Además de lo anterior es necesario tomar medidas para prevenir la abrasión, corrosión y garantizar una adecuada autolimpieza. Tener en consideración al mismo tiempo tantos factores es una tarea compleja. 29 CAPITULO 3 3. CRITERIOS Y METODOS DE DISEÑO 3.1. Período de diseño El periodo al final del cual una obra trabaja a saturación se conoce como periodo de diseño. El sistema debe garantizar la rentabilidad de la obra durante el período de diseño escogido. Según normas del IEOS 1 (1993), en ningún caso se proyectará obras definitivas con periodos menores que 15 años. Además las obras complementarias de los sistemas de 1 El Instituto Ecuatoriano de Obras Sanitarias IEOS fue substituido por la Subsecretaria de Saneamiento Ambiental. Sin embargo, su ley todavía sigue vigente. 30 alcantarillado se diseñaran en lo posible, para sus periodos óptimos de diseño. El periodo óptimo de una obra de ingeniería es una función del factor de economía de escala. El diseño de obras definitivas podrá prever la construcción por etapas, las mismas que no serán más de tres. Generalmente, las redes colectoras se proyectan para un periodo de duración o vida útil de 20 a 30 años. En la presente tesis, se considera un periodo de diseño de 30 años. 3.2. Datos Poblacionales Para poder elaborar el diseño del sistema de alcantarillado, primero se requiere conocer cuantos habitantes tiene cada una de las comunas. Para ello, se contó con datos existentes generados por el Plan de Desarrollo de la Península (ESPOL, 2001). Adicionalmente al número de habitantes de Valdivia, los estudiantes del colegio de San Pedro realizaron una contabilización de casas en su comuna. Dicho trabajo fue verificado durante la realización de la topografía. Otra fuente de información fue el documento de los cálculos del diseño del Agua Potable para las dos comunas. Los datos poblacionales se resumen en la siguiente tabla: 31 Tabla 4 Datos de población COMUNA SAN PEDRO VALDIVIA POBLACION 1519 1665 1860 2527 AÑO 1974 1978 1985 2001 2612 3000 1518 1653 1913 3216 3990 2002 2007 1974 1978 1985 2001 2007 FUENTE IEOS INEC Censo estudiantil (653 casas * 4 hab/casa) INEC IEOS INEC INEC 3.2.1. Población Futura El proyecto de alcantarillado esta basado en condiciones futuras. Es necesario, por lo tanto estimar la población al termino del periodo de diseño. 3.2.2. Métodos de proyección de población No se han desarrollado métodos exactos para la predicción del crecimiento de la población y debido a los muchos factores que afectan el crecimiento de una comunidad no se puede obtener exactitud. La población crece por nacimientos, decrece por muertes, crece o decrece por migración. Cada 32 uno de estos elementos está influenciado por factores sociales y económicos, algunos de los cuales son inherentes a la comunidad. Cabe señalar que, los índices de natalidad y mortalidad se mueven hacia valores más o menos estables y las conexiones o extensiones de servicios pueden ser anticipadas. Sin embargo, el elemento más importante y menos previsible del cambio de población es la actividad comercial e aumentos industrial. bruscos, Dicha actividad crecimiento puede producir lento, condiciones estacionarias, o aun marcadas declinaciones de población. Si no fuese por estas múltiples y variables influencias, las poblaciones seguirían la curva característica del crecimiento de los seres vivos dentro de un espacio limitado. Hay varios métodos de proyección poblacional. Aquí se citan los más comunes: Método Gráfico.- Se utiliza la representación gráfica de las curvas de crecimiento previo de la población para estimar el crecimiento futuro. Consiste en extrapolar toda la información disponible de censos a través del tiempo. Es decir, es la prolongación gráfica de la curva de crecimiento correspondiente al pasado. 33 Figura 3.1 Esquema del método gráfico Método de la Tasa de crecimiento decreciente La población se estima a partir del supuesto de que a medida que la ciudad tiene mayor población la tasa de crecimiento disminuye cada año. Tomando datos de población conocidos: %= P2 - P1 x 100% P1 Entonces graficamos los porcentajes versus años y del gráfico extrapolamos el porcentaje correspondiente al año deseado. 34 Figura 3.2. Esquema del método decreciente Método de los Componentes Se estima la población basándose en un análisis detallado de los componentes que constituyen el crecimiento, la migración, y el crecimiento resultante del exceso de nacimientos frente al de muertes. Método Aritmético 35 Es un método que predice la población a corto plazo, usando progresión aritmética y se basa en un incremento constante de la población. Se recomienda a poblaciones pequeñas. Partiendo de que dP k= dT Tenemos que: Pf = Pa + k(Tn - Ti) Método Geométrico Se basa en tasas de crecimiento con porcentajes constantes Pf = Pa (1 + i) n 3.2.3. Método Seleccionado Luego de haber revisado varios métodos de proyección poblacional, se determino que el más apropiado para las comunas estudiadas es el método geométrico. 36 De acuerdo a un estudio anterior de diseño de la red de agua potable, la tasa de crecimiento poblacional (i) es del 2% al año. Y el diseño se lo hará para n=30 años. Entonces tenemos que para: San Pedro: Pf = 3000 (1 + 2%) 30 = 5434 Hab Valdivia: Pf = 3990 (1 + 2%) 30 = 7228Hab 3.3. Datos Topográficos En las dos comunas se había hecho un estudio para la pavimentación de las calles que contaba con los datos topográficos de las calles de San Pedro y Valdivia. La información obtenida correspondió a las cotas de terreno natural como se puede ver en el Plano 1. 3.4. Datos de Suelos Debido a que no existía información del tipo de suelo en las comunas de San Pedro y Valvidia, se procedió a tomar muestras de suelo para realizar los ensayos correspondientes que se detallaran a continuación. 37 Los ensayos realizados en el laboratorio de suelos de la Facultad de Ingeniería en Ciencias de la Tierra (FICT) son: Análisis granulométrico, consiste en determinar la proporción relativa en peso de los diferentes tamaños de granos presentes en una muestra de suelo. En la práctica, se trabaja con rangos de tamaños. El análisis granulométrico permite así obtener la cantidad de suelo que pasa una serie de mallas o tamices normalizados. (Según la norma ASTM) Los límites de Atterberg, son ensayos de laboratorio normalizados que permiten obtener los límites del rango de humedad dentro del cual el suelo se mantiene en estado plástico. Con ellos, es posible clasificar el suelo en la Clasificación Unificada de Suelos (Unified Soil Classification System, USCS) cuando se trata de suelos finos e igualmente de suelos con cierto contenido de finos. Constituyen una de las denominadas propiedades índices de estos suelos. (Según la norma ASTM) El ensayo Proctor, es un ensayo de compactación de suelo que tiene como finalidad obtener la humedad óptima de compactación de un suelo para una determinada energía de compactación. La humedad óptima de compactación es aquella humedad (%de agua) 38 para la cual la densidad del suelo es máxima, es decir que cantidad de agua le hemos de añadir a un suelo para poderlo compactar la máximo con una energía concreta. (Según la norma ASTM) En San Pedro se tomaron 9 muestras en 6 puntos a diferentes profundidades y se las identificó como SP y en Valdivia también se tomó 9 muestras en 5 puntos y se las identificó como V, como se puede apreciar en la tabla 3 y en la figura 3.3. En las dos comunas colaboraron los comuneros haciendo los huecos para la obtención de las diferentes muestras Tabla 5 Muestras de suelo tomadas en las dos comunas VALDIVIA SAN PEDRO LUGAR # MUESTRAS IDENTIFICION PROFUNDIDAD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 SP1-1 SP1-2 SP2-1 SP3-1 SP4-1 SP4-2 SP5-1 SP5-2 SP6-1 V1-2 V1-3 V2-1 V3-1 V4-1 V4-2 V5-1 V5-2 V5-3 0.80 m 2.00 m 1.50 m 1.80 m 1.00 m 1.90 m 0.90 m 2.00 m 1.00 m 1.00 m 2.00 m 1.80 m 2.00 m 1.00 m 2.00 m 0.80 m 1.40 m 2.00 m 39 Figura 3.3 Ubicación de las muestras de suelo tomadas V5 V3 V4 V1 5 SP M1 M3 SP 6-1 SP 2 4 SP Can cha SP 3 Es Julcuela io G onza lez SP M2 V2 3.4.1. Clasificación de suelos S.U.C.S. El sistema unificado de clasificación de suelos (SUCS) cubre los suelos gruesos y los suelos finos, distinguiéndose ambos por el cribado a través de la malla N°200. La nomenclatura es la siguiente: 1-1 40 Tabla 6 Clasificación se suelos SUCS SIMBOLOGÍA SM SC SM – SC SP – SC SP O SW ML TIPO DE SUELO ARENA LIMOSA ARENA ARCILLOSA DOBLE SIMBOLOGIA DOBLE SIMBOLOGIA ARENA POBREMENTE ARENA BIEN GRADADA LIMO INORGANICO GRADADA DE O BAJA PLASTICIDAD ARCILLA INORGANICA DE BAJA A MEDIA CL PLASTICIDAD CL – ML DOBLE SIMBOLOGIA LIMO INORGANICO MH O OH PLASTICIDAD ORGANICOS O DE COMO ARCILLA INORGANICA PLASTICIDAD CH CH – OH DOBLE SIMBOLOGIA LIMOS ORGANICOS OL LIMOSAS ORGANICAS PLASTICIDAD DE Y BAJA LIMOS ALTA ARCILLAS DE BAJA 3.4.2. Clasificación de suelos AASHTO Esta Clasificación divide a los suelos en dos clases, una formada por los suelos granulares y otra por los suelos de granulometría fina. 41 Tabla 7 Clasificación de suelos AASHTO % FINOS IP ≤ 15 ≤6 Arena Gravas y arenas Con limo Gravas y arenas Con arcilla ≤ 25 ≤6 ≤ 10 A-3 Arena fina Malla Nº 200 A-4 Limos A-5 A-6 Arcillas A - 7 A - 7 - 5 IP ≤ WL - 30 A - 7 - 6 IP > WL - 30 ≤ 10 FINOS (>35%) GRUESOS ( ≥ 65 %) GRUPO A-1 PREDOMINA A - 1a Grava A - 1b A-2-4 A-2-5 A-2 A-2-6 A-2-7 ≤ 35 PASANTE ACUMULADO Nº 10 Nº 40 ≤ 50 ≤ 30 ≤ 50 ≤ 11 NP ≥ 51 ≤ 10 > 35 ≥ 11 La identificación de los finos se hace en la Carta de Plasticidad AASHTO A continuación se presenta los resultados obtenidos en laboratorio de suelos, para cada muestra excepto las arenas se obtuvo los límites de Atterberg, es decir, los limites líquidos y los limites plásticos para así obtener el índice plástico (IP=LL-LP) y poder clasificar los suelos con la tabla 4. También se realizo las respectivas granulometrías a las muestras para sacar el porcentaje de finos y el contenido de humedad (WL) y poder clasificar los suelos mediante la tabla 5, además se realizó 3 ensayos Proctor para obtener las 42 densidades del suelo y saber si el material sirve para usarlo como relleno de las zanjas en la instalación de las tuberías Tabla 8 Resultados obtenidos de muestras de suelo VALDIVIA SAN PEDRO LUGAR ID H IP WL SP1-1 SP1-2 0,80 2,00 19,54 42,11 SP2-1 SP3-1 SP4-1 SP4-2 SP5-1 1,50 1,80 1,00 1,90 0,90 21,34 SP5-2 2,00 18,43 34,77 SP6-1 1,00 18,7 48,65 V1-2 V1-3 V2-1 1,00 2,00 1,80 24,5 27,93 50,78 59,29 V3-1 V4-1 V4-2 2,00 1,00 2,00 11,74 V5-1 0,80 20,25 40,36 V5-2 1,40 21,93 40,98 V5-3 2,00 21,23 41,35 40,02 DENSIDAD TIPO DE SUELO 1414,37 ARCILLA INORGANICA DE BAJA PLASTICIDAD 1532,44 ARENA BIEN GRADADA ARCILLA INORGANICA DE BAJA PLASTICIDAD ARENA BIEN GRADADA ARENA BIEN GRADADA ARENA BIEN GRADADA ARENA BIEN GRADADA ARCILLA INORGANICA DE BAJA PLASTICIDAD ARCILLA INORGANICA DE BAJA PLASTICIDAD ARCILLA INORGANICA DE ALTA PLASTICIDAD 1257,76 34,25 LIMO INORGANICA ARENA BIEN GRADADA ARCILLA INORGANICA DE BAJA PLASTICIDAD ARENA BIEN GRADADA ARENA LIMOSA ARCILLA INORGANICA DE BAJA PLASTICIDAD ARCILLA INORGANICA DE BAJA PLASTICIDAD ARCILLA INORGANICA DE BAJA PLASTICIDAD 3.5 Zonificación y densidades para el diseño No siempre es posible predecir la dirección en que crecerá una comunidad, ni tampoco es fácil predecir la extensión de ella después de 30 años; debido al mejoramiento de medios de transporte la población tiende a alejarse hacia zonas suburbanas que demandan los mismos servicios que en la zona urbana 43 quedando a veces extensiones enormes que se van llenando paulatinamente. Estas extensiones de superficie que pueden ser habitadas deben tomarse en cuenta al hacer el proyecto sobre alcantarillado si es que tienen que descargar en el futuro en los mismos colectores que se construyeron inicialmente. La densidad de población puede medirse en habitantes por hectárea. Se aconseja que en poblaciones pequeñas de hasta 25000 habitantes y que no sean industriales se considere una sola densidad para el cálculo de aportación de aguas servidas. Densidades poblacionales de: San Pedro : 5434 Hab / 33 Ha = 164.67 Hab/Ha Valdivia :7246 Hab / 30 Ha = 241.53 Hab/Ha La Dotación es: 80% * 180 litros/Hab*día =144 litros/Hab*día 3.6 Cálculo de Caudales Con los datos de población futura ya podemos proceder a realizar cálculos de caudales. En un sistema de alcantarillado siempre se tiene agua de infiltración, la cantidad depende de varios factores como: 1. Cuidado que se tiene en la construcción del sistema 44 2. Tipo del suelo 3. Altura del nivel freático 4. Dimensiones del colector 5. Parte del conducto que queda sumergida en el agua En ausencia de datos fiables de caudales, pueden utilizarse los valores de infiltración de la figura 3.4. Figura 3.4 Curva para obtener factor de caudal de infiltración Curva para alcantarillas nuevas Caudal medio de infiltración m3/Ha*día 100 10 ; 15 40,5 ; 15 10 5000 ; 2,06 1 10 100 1000 10000 Superficie servida Ha Fuente: Libro Metcalf- Eddy, Redes de alcantarillado y bombeo De acuerdo a este gráfico el valor es de 15m3/ha*día, pero debido a que es un factor para alcantarillas de nueva construcción donde 45 las juntas son de aro de goma, y recomendare la junta flexible y además en nuestro medio las tuberías que tenemos no garantizan tanto la permeabilidad, entonces, tomare el valor de 20m 3/Ha*día que es igual a 0.231litros/Ha*seg. Es decir para nuestro caso la cantidad de infiltración depende del área servida en Hectáreas. En alcantarillado sanitario el caudal de diseño es la suma del caudal de infiltración y el caudal máximo. El caudal máximo es el resultado de multiplicar el caudal promedio por un coeficiente de punta M, Factor de Mayoración M. En toda red existe una hora en un día al año en que la aportación es máxima. El gasto medio se usa como parámetro para obtener el gasto máximo, afectándolo de un coeficiente (M), depende en general del número de habitantes servidos (P) y existen varias formulas empíricas para determinarlo como las siguientes: Fórmula de Babbit: M= 5 1/5 P 46 Fórmula de Harmon: M= 1+ 14 1/2 4+P Como podemos observar en la tabla siguiente tenemos que para P=5.4 (para San pedro) nos da un promedio de 3.39 y para Valdivia P=7.2 nos da aproximadamente 3.23, por lo que tomare M=3 para el cálculo de caudal. Tabla 9 Valores del factor de Mayoración P Miles 1 2 3 4 5.4 6 7.2 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 M Babbitt 5 4.35 4.01 3.79 3.57 3.49 3.37 3.30 3.22 3.15 3.10 3.04 2.99 2.95 2.91 2.87 2.84 2.80 2.77 2.75 Harmon 3.8 3.59 3.44 3.33 3.21 3.17 3.09 3.05 3.00 2.95 2.91 2.88 2.84 2.81 2.78 2.75 2.72 2.70 2.67 2.65 47 Entonces, teniendo el valor de M se puede calcular el caudal máximo con la siguiente formula: Q max M * A * Dotación* Densidad 86400 Qmax: lt/seg 1 día = 86400 seg A: Ha Dotación: lt/Hab*día Densidad: Hab/Ha Y teniendo ya el caudal máximo se procede a calcular el caudal total (Qt), que es la suma del caudal de infiltración (Qi) y del máximo: Qi=0.231 * A: lt/seg Qt=Qi + Qmax 48 CAPITULO 4 4. HERRAMIENTAS INFORMATICAS PARA EL DISEÑO DE REDES DE SANEAMIENTO AMBIENTAL BASICO. 4.1 Generalidades Existen en el mercado muchas herramientas informáticas (programas de computadora) que son muy útiles para el diseño de redes de saneamiento ambiental básico. Las mismas que difieren entre sí por su costo, que va variando de acuerdo a la capacidad y facilidad de uso. A continuación se describen algunas de los tantos programas que existen: SewerGems: creado por Haestad Methods, se usa para planes maestros, alternativas de rehabilitación y diseño de nuevos 49 sistemas de alcantarillado sanitarios interactúa con AutoCad y ArcGis, se lo puede comprar desde 1500 dólares, idioma inglés www.haestad.com/spanish/softwre/ Infoworks: creado por Wallingford Software Ltd, tiene tres módulos, diseño para AAPP, AALL, AASS, idioma inglés www.buildngtalk.com/news/wal/wal110.html Hydra: creado por PIZER Incorporated, optimiza el diseño de drenaje, calcula diámetros, es fácil de usar se integra con GIS y CAD, costo aproximado 1250 dólares, idioma inglés www.pizer.com/spanish.html Infraestructuras Urbanas. Alcantarillado: creado por CYPE, empresa española de software técnico con certificación ISO 9001, las redes funcionan a gravedad, genera perfiles longitudinales, se puede adquirir demo gratis. www.alcantarillado.cype.es PCSWMM: Program Computer Storm Water Management Model tiene ocho módulos, idioma inglés www.pcswwmm.com 50 4. 2 PCSWMM 2003 El PCSWMM, es un programa que esta en el mercado desde 1984, desarrollado por la Universidad de Guelph en Ontario, Canadá. Su primera versión fue desarrolladla por la Agencia Ambiental de los Estados Unidos (Environmental Protection Agency -EPA), que desde 1969 es conocida como SWMM y desde ahí el SWMM ha tenido muchas versiones que con el paso del tiempo superan las versiones antiguas. Es un modelo muy usado en los estados Unidos y en Canadá. El PCSWMM 2003 simula eventos reales de lluvia con la ayuda de los hietogramas, además, modela la red de forma detallada y predice su comportamiento con la ayuda del editor grafico GIS permite hacer un análisis de la situación de la cuenca y de la red de alcantarillado de forma rápida e intuitiva, ya que trabaja desde el entorno Windows a diferencia de las otras versiones. El PCSWMM comprende 4 módulos de servicio (sus datos de salida pueden ser usados como datos de entrada en los módulos hidráulicos) y 4 módulos de hidráulica e hidrología (estos módulos son para diseño ya sea de aguas lluvias, servidas, o plantas de tratamiento). 51 Figura 4.1 Diagrama del PCSWMM PCSWMM MODULOS HIDRAULICOSHIDROLOGICOS MODULOS DE SERVICIO RAIN RUNOFF TEMPERATURE TRANSPORT COMBINE EXTRAN STATISTICS STORAGE Fuente: Manual del SWMM Módulos de servicio RAIN.- genera interfaces de precipitación. TEMPERATURE.- ingresa datos de evaporación, temperatura, velocidad del viento y crea un archivo a ser usado en runoff. COMBINE.-tiene diferentes usos, puede combinar y comparar otros módulos. STATISTIC.-realiza un análisis estadístico sobre los parámetros de calidad y cantidad. 52 Módulos de hidráulica e hidrología RUNOFF.- se usa para estimar la escorrentía del agua lluvia en cada una de la subcuencas. TRANSPORT.- calcula el flujo por la red mediante el método de la onda cinemática. EXTRAN.- se detallara más adelante. STORAGE.- se lo usa para el diseño de plantas de tratamiento. 4. 3 Modulo EXTRAN Por lo general este modulo(o subrutina) usa como datos de entrada los datos de salida del modulo RUNOFF, ya que consiste en la entrada de agua de escorrentía en la red de alcantarillado y se encarga de modelar el flujo del agua a través de los conductos, nodos. Debido a que la tesis solo trata de la red de alcantarillado para aguas servidas solo se utilizará el modulo EXTRAN, por lo cual se procederá a describir con mayor detalle dicho módulo. EXtended TRANsport Module fue desarrollado en la ciudad de San Francisco en 1973. En 1974 la EPA adquiere este modelo para incorporarlo al paquete del SWMM. 53 EXTRAN es una mejora del modulo Transport que permite considerar las condiciones del flujo aguas arriba, resolviendo las ecuaciones completas de Saint Venant para flujo gradualmente variado. Son dos las ecuaciones de Saint Venant Ecuación de la conservación de la cantidad de movimiento: Q t (Q 2 / A) x g*A H x g * A* S f 0 Ecuación de continuidad: A t Q x 0 Este modulo utiliza una descripción de la red en nodos (junctions) y conductos (links), para representar el problema físico matemáticamente. EXTRAN combina las ecuaciones de continuidad y conservación de cantidad de movimiento en una sola, la misma que resuelve para todos los conductos en cada intervalo de tiempo: Q t 2*v A A v2 t x g*A H x g * A* S f 0 54 EXTRAN resuelve las ecuaciones de Saint- Venant, en la hora de calcular en los nodos (junctions)se aplica la ecuación de continuidad y en los conductos(links) la ecuación de la conservación de la cantidad de movimiento, además cuenta con la ventaja de reducir el número de incógnitas. Las dos ecuaciones se resuelven secuencialmente para determinar el flujo en cada conducto para cada intervalo de tiempo, mediante el método de Euler modificado. EXTRAN solicita en la entrada de datos el tipo de tubería (si es circular, o rectangular), sus dimensiones, la longitud, el nombre del tramo, la elevación de sus extremos, también el coeficiente de rugosidad de Manning que en nuestro caso será de 0.013. Y de los pozos (junctions) solicita su identificación, la cota de proyecto y la cota de terreno. En fin con la ayuda de este modulo modelaremos el colector principal de San Pedro y Valdivia aclarando que no se necesita los datos de salida del modulo Runoff ya que es diseño de alcantarillado de aguas servidas. 55 4.4. MANUAL RESUMIDO DEL PROGRAMA En esta tesis se describirá brevemente el manual del programa. Para mayor detalle se debe consultar en la bibliografía respectiva 4.4.1. Como crear un nuevo proyecto Abrir el programa PCSWMM, para crear un nuevo proyecto clic en: File\New\Create new object, hay tres cuadros: en name coloque el nombre del proyecto, en object type se elige uno de los ocho módulos (el modulo Extran) del programa en que se va a trabajar y en template elija blank, y de clic en create object. De acuerdo al modulo que se haya elegido se crea el icono con una bandera roja, la misma que se quitará solo cuando todos los datos estén ingresados correctamente. 4.4.2. Ingreso de datos Para ingresar los datos hay dos formas, ya sea por edit input file que a su vez tiene tres formas de ingresar datos, o por edit 56 gis que es un editor grafico a continuación se detalla los dos editores: Edit input file: En este editor hay tres formas de ingresar datos los mismos que son: Forms – Fields – ASCII. Forms y Fields, tienen una forma similar de ingresar los datos, en los dos modos al lado izquierdo están todos títulos de los valores que necesitan ingresar, solo se diferencian si le da doble clic a cada subtitulo, en el modo forms aparecerá un cuadro en el que debe ingresar los valores, es más didáctico y es el modo que se eligio para ingresar los datos de esta tesis, y si elige el modo fields al dar doble clic en los subtítulos solo se sombreara donde usted debe editar, para ingresar los datos también puede escribir directamente en cada fila, pero debe conocer del programa ya que un espacio de más o un asterisco menos hará que no corra el programa, además antes de empezar cualquier edición se debe haber configurado el computador para que sea el punto el que marque los decimales. 57 Hay 11 items que deben ser llenados en caso de aguas lluvias, y si el diseño comprende solo agua servidas como es el caso de está tesis, entonces, en el último item K3 hydrographs debe ser llenado con valores de cero. ASCII, se recomienda que use este modo solo si conoce bastante sobre el programa, ya que no tendrá ayuda al ingresar datos, debe escribir directamente en cada fila. Siempre la fila empieza con un asterisco porque el programa es creado con visual basic. Luego va el nombre del modulo (en nuestro caso Extran) y en la siguiente fila va el nombre del proyecto. Cada fila debe empezar con la letra que representa cada uno de los ítems en fin. Para mayor información, se debe consultar el manual del programa que solo se lo obtiene al comprar el programa. En el siguiente grafico 4.2 se pude apreciar el edit input file con sus tres viñetas y también se puede ver los 11 items que se menciono anteriormente, y que cada ítems contiene varios subitems y los datos de cada subitems van en una fila, además en la parte inferior se puede apreciar que hay una ayuda la misma que describe lo que significa el subitems que 58 esta ingresando (en idioma inglés). Figura 4.2 Edit input file 59 Edit gis Este editor se ayuda con un grafico, que puede ser el plano de diseño. En la izquierda están los títulos de los datos que se necesitan ingresar. Se va dando los nombres respectivos a los pozos, las tuberías, así como las longitudes, cotas de terreno e invert, tipo de tubería, rugosidad, caudal inicial, tal como se puede apreciar en el grafico 4.3 que es un ejemplo de la red de San Pedro. Figura 4.3 Edit Gis 60 Si usted ingresó con el modo grafico, puede llevar los datos al input file, seleccione todo el grafico y con la tecla F7 puede exportar los datos al edit input file, y de modo viceversa también. Es decir que si ingresó con el edit input file usted puede generar el grafico con la tecla F6 y llevarse los datos al modo grafico. Una vez que se ha ingresado todos los datos vamos al icono Run SWMM para que corra el programa, se cierra el archivo y si desaparece la bandera roja del icono del archivo entonces los datos han sido ingresados correctamente. Pero que corra el programa no quiere decir que todo esta bien, pues luego debe realizar la simulación de los colectores para ver el gradiente hidráulico y su comportamiento. 61 CAPITULO 5 5. DISEÑO DEL SISTEMA DE AGUAS SERVIDAS UTILIZANDO EL PROGRAMA PCSWMM 2003 5.1 Generalidades Una vez revisados los conceptos hidráulicos, los datos obtenidos, las cotas, los caudales, el tipo de tubería que se va a usar en el diseño, se puede proceder con el diseño del alcantarillado de las aguas servidas de las comunas de San Pedro y Valdivia. El objetivo de este capitulo es trazar la ruta del diseño para cada comuna, donde se analizará los problemas que se presenten en el trazado de la misma, el por qué se eligieron esas rutas, así como también se analizará los problemas que se presentaron en la ejecución del programa. Luego se detallará los resultados obtenidos, es decir los planos del sistema, tablas, gráficos que se obtienen después de 62 correr el programa, teniendo en cuenta que el PCSWMM permite predecir el comportamiento de la red de una manera rápida. Por último en este capitulo se realizará el presupuesto del alcantarillado de las comunas en estudio, utilizando precios referenciales en la elaboración del presupuesto. 5.2 Selección de la ruta del trazado Con el plano topográfico obtenido luego del levantamiento topográfico, se empieza el trazado de la ruta de la tubería, teniendo en cuenta que es natural y económico que estas sigan hasta donde sea posible la pendiente del terreno con el objeto de tener excavaciones mínimas. Se procede a localizar los pozos de visita, estos deben ir en todos los cruces de calles; en todos los cambios de pendiente obligada. Cabe mencionar que hubo varios problemas en el trazado de la red que se especificaran a continuación. San Pedro, La distribución de las calles de San Pedro por lo general son a lo largo del mar y siguiendo la pendiente como se puede ver en el plano de la comuna. El diseño de la red de San Pedro contiene ramales terciarios, tirantes y la red principal. Cada casa debe tener 63 una caja de registro pero en el plano se dibuja la caja solo al inicio y al final de cada tramo, donde es necesario se coloca un pozo de revisión. El colector principal es de tubería novafort el mismo que va de sur a norte hasta un punto donde se colocará una estación de bombeo. Los ramales terciarios son de Ø160mm y los tirantes también son de Ø200mm de NOVAFORT. En San Pedro el problema principal en el trazado de la red es que las calles más cercanas al cerro tienen cotas muy elevadas respecto a la calle principal de la comuna. Casi toda la comuna tiene manzanas alargadas de solo una casa entre una calle y otra, de la misma manera va la tubería a lo largo de las calles hasta llegar a las esquinas donde están los pozos. También se debe mencionar el hecho favorable de que solo la vía principal es pavimentada por lo que se abarata el costo del proyecto ya que no habrá rotura ni reposición de pavimentos. Valdivia, Como en esta comuna las manzanas son ordenadas, es más fácil realizar el trazado de la red, y además que favorece mucho las cotas del terreno. Con el mismo criterio de San Pedro se traza las terciarias de Novafort Ø160mm alrededor de todas las manzanas. En cada casa se coloca una caja de registro y la tubería terciaria va 64 recogiendo las aguas de caja en caja. Para el caso del plano, en lo que respecta a tuberías terciarias, solo se colocara la caja al inicio y al final de cada tramo. En cada esquina se coloca un pozo de revisión los mismos que son conectados por las tuberías de mayor diámetro. Los tirantes serán de NOVAFORT Ø200mm los mismos que conectan la caja con el pozo. Esto se puede apreciar en los respectivos planos de diseño de la red. Al igual que en San Pedro en Valdivia solo hay una calle adoquinada lo que facilita la instalación de la tubería. El diseño de red de las dos comunas es un solo proyecto que ha tratado de aprovechar al máximo las cotas de terreno y se ha colocado tubería y pozos sólo donde es necesario y así abaratar el costo del proyecto. 5.3 Dificultad en la ejecución del programa Al igual que cualquier programa que se ejecuta por primera vez, se tiene problemas normales como el usar una coma en vez del punto en los valores decimales al ingresar los datos. Los problemas se producen a medida que se elije la forma de ingresar datos como por ejemplo: colocar un espacio de más, la falta de un asterisco, la 65 coma en vez de punto o que falte un dato. Esto hará que salga error al momento de correr el programa. Ayuda mucho el hecho de que las comunas son pequeñas por lo que no son muchos los tramos que hay que ingresar al programa. En esta tesis se ingresará los datos de Valdivia con el editor grafico. Antes de correr el programa se procede a la validación de los datos del modo gis a input file para así no obtener un mensaje de error. Después de la ejecución del programa, la información se agrupa en archivos de varias extensiones, tales como *.out, *.dat, *.int, *.pfl y *.mdb. Estos archivos se los puede abrir en Excel y también en ArcGis. 5.4 Resultados obtenidos Una vez que los datos han sido ingresados al programa y este ha corrido sin ningún inconveniente se procede a realizar la simulación para ver el comportamiento de los conductos. Esto se lo hace porque puede ser que en algunos de los tramos el gradiente hidráulico sea muy alto o que se estén rebosando los pozos y se tenga que hacer algún cambio en el diseño. Una vez que se está de acuerdo con la simulación, se procede a purgar los archivos antes mencionados para presentar las tablas de resultados, gráficos de 66 caudal, velocidad, perfiles, y los planos de diseño. Todos los resultados obtenidos los podemos ver en los anexos respectivos. 5.5 Costos aproximados del diseño Con las tablas de los resultados y los planos de diseño se procede a cuantificar las cantidades de tubería por diámetro y material. Esto se puede hacer con la ayuda del Gis. Adicionalmente, se puede obtener los volúmenes de excavación y de relleno para formar la tabla de cantidades y así elaborar el presupuesto aproximado del proyecto. En el anexo 5 se presenta la tabla de cantidades y precios del proyecto, que comprende el presupuesto del alcantarillado de las dos comunas. Cabe indicar que el presupuesto esta hecho sin costos indirectos. 67 CAPITULO 6 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1. Conclusiones 1. Después de varios días de estadía en las dos comunas y haber dialogado con los moradores de las mismas, se logró establecer los aspectos sociológicos que ayudaron a entender las diferentes necesidades que tienen ambas comunas por la falta de los servicios básicos. 2. Mediante los diferentes ensayos realizados en el Laboratorio de Suelos de la Facultad, se determinó que los tipos de suelo que predominan en las comunas corresponden a arcillas y 68 arenas. Dicho resultado concuerda con los datos generales que se obtuvieron del estudio del Proyecto de investigación PI-320,001 (Pagina 10). 3. Para calcular la población futura se utilizó el método geométrico ya que produjo los resultados más verosímiles. 4. El PCSWMM 2003 esta creado para el diseño de aguas lluvias. Sin embargo, se pudo adaptar al diseño de aguas servidas al asignarle un valor de cero a los histogramas requeridos para el cálculo. 5. datos Ya que el módulo Extran tiene distintas formas de editar los hay que tener mucho cuidado al elegir su ingreso. Una equivocación puede hacer que el programa no corra. 6. Se creó un manual resumido para el usuario, que sirve de gran ayuda para aquél que por primera vez va a utilizar el programa. 7. Se tuvo que aumentar los diámetros del colector principal de San Pedro ya que al hacer la simulación del gradiente hidráulico con el diseño original, se rebosaron los pozos. 69 8. Se decidió utilizar tubería NOVAFORT y NOVALOC porque tienen una vida útil de 50 años, mayor capacidad de conducción hidráulica, fácil limpieza y menor peso lo que hace que su instalación sea mas fácil sin necesitar equipo pesado. 9. El modulo Extran del PCSWMM 2003 es una herramienta informática que resultó ser de gran ayuda en el diseño sanitario. Se pudo visualizar las partes criticas del comportamiento del caudal, el comportamiento de los tramos de tubería, la acción de rebose de los pozos y la línea del gradiente hidráulico. Hay que tener muy en cuenta que este modulo resuelve las ecuaciones de Saint Venant, es decir que considera el flujo gradualmente variado que es lo contrario a los diseños tradicionales que consideran el flujo uniforme, razón por la que este programa se acerca más a la realidad. Además se puede obtener los resultados en tablas y gráficos exportándolas a Excel. 10. Terminado el diseño de alcantarillado de las comunas se procede a realizar la tabla de cantidades y precios para así obtener el presupuesto del proyecto . 70 11. A partir de los resultados obtenidos se puede decir que se cumplieron todos los objetivos de la tesis. 6.2. Recomendaciones 1. Se debe configurar apropiadamente el computador para que los decimales se escriban con punto y no con la coma. De ese modo, se evitará errores en los valores de los datos. 2. Para usuarios principiantes, se grafico para ingresar recomienda usar el modo los datos ya que es más didáctico y se entiende mejor. Luego con la ayuda de la tecla F7 se exporta los datos ingresados al input data file. 3. Es muy importante leer el manual del usuario que viene con el programa, ya que así se entenderá mejor los conceptos básicos que usa este programa. 4. Si al correr el programa se presenta una bandera roja, es recomendable abrir el view output file. Este es un archivo de texto (*.out) en el que se puede leer en donde esta el error y ayuda a orientarse en la ubicación de dicho error y en la explicación de su generación. 71 5. Es recomendable usar programas en el diseño de alcantarilladlo ya que ayuda a visualizar el comportamiento del colector. 6. Para la instalación de la tubería se debe seguir las recomendaciones del fabricante para evitar molestias futuras. 7. Se recomienda que se use los otros módulos del PCSWMM en otras tesis puede ser con el alcantarillado pluvial y el diseño de la planta de tratamiento de las comunas de estudio.