OBRAS DE CAPTACIN DE AGUAS SUBTERRNEAS

El agua subterrnea existe casi en cualquier parte por debajo de la superficie terrestre, la exploracin de la misma consiste bsicamente en determinar en dnde se encuentra bajo las condiciones que le permitan llegar rpidamente a los pozos a fin de poder ser utilizada en forma econmica. La manera prctica de hacer lo anterior incluye la aplicacin de conocimientos tcnicos, experiencia en la perforacin y sentido comn.

(Fig. 1 Identificacin de las aguas subterrneas).

CAPTACIN DE MANANTIALES

El principal objetivo es captar y aprovechar los pequeos manantiales, es el de conducir el agua hacia la poblacin, donde se aprovechar para el consumo humano.Los factores ms importantes que intervienen en la localizacin, direccin y rea de influencia de los afloramientos son:

- El ciclo hidrolgico de la regin- La topografa- La geologa de la cuenca

Las aguas de manantial generalmente fluyen desde un estrato acufero de arena y grava y afloran a la superficie debido a la presencia de un estrato de material impermeable, tal como arcilla o roca, que les impide fluir e infiltrarse. Los mejores lugares para buscar manantiales son las laderas de montaas, sin embargo debemos realizar un proceso de seleccin.

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 captacin que permita recolectar el agua, para que luego pueda ser transportada mediante las tuberas de conduccin 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 diseo hidrulico y dimensionamiento de la captacin dependern de la topografa 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 obstruccin puede tener consecuencias fatales; el agua crea otro cauce y el manantial desaparece.

Es importante que se incorporen caractersticas de diseo que permitan desarrollar una estructura de captacin que considere un control adecuado del agua, oportunidad de sedimentacin y facilidad de inspeccin y operacin.

TIPOS DE CAPTACIN:

Como la captacin depende del tipo de fuente, de la calidad y cantidad de agua, el diseo de cada estructura tendr caractersticas tpicas.

1.1 Manantial de ladera.

Cuando la fuente de agua es un manantial de ladera y concentrado, la captacin constar de tres partes: La primera, corresponde a la proteccin del afloramiento; la segunda, a una cmara hmeda para regular el gasto a utilizarse; y la tercera, a una cmara seca que sirve para proteger la vlvula de control. El compartimiento de proteccin de la fuente consta de una losa de concreto que cubre toda la extensin del rea adyacente al afloramiento de modo que no exista contacto con el ambiente exterior, quedando as sellado para evitar la contaminacin. Junto a la pared de la cmara existe una cantidad de material granular clasificado, que tiene por finalidad evitar el socavamiento del rea adyacente a la cmara y de aquietamiento de algn material en suspensin. La cmara hmeda tiene una canastilla de salida para conducir el agua requerida y un cono de rebose para eliminar el exceso de produccin de la fuente.

1.2 Manantial de Fondo.

Si se considera como fuente de agua un manantial de fondo y concentrado, la estructura de captacin podr reducirse a una cmara sin fondo que rodee el punto donde el agua brota. Constar de dos partes: La primera, la cmara hmeda que sirve para almacenar el agua y regular el gasto a utilizarse; la segunda, una cmara seca que sirve para proteger las vlvulas de control de salida y desage. La cmara hmeda estar provista de una canastilla de salida y tuberas de rebose y limpia. Si existen manantiales cercanos unos a otros, se podr construir varias cmaras de las que partan tubos o galeras hacia una cmara de recoleccin de donde se inicie la lnea de conduccin. Adyacente a la cmara colectora se considera la construccin de la cmara seca cuya funcin es la de proteger la vlvula de salida de agua.

DISEO HIDRULICO Y DIMENSIONAMIENTO:

1. CAPTACIN DE UN MANANTIAL DE LADERA Y CONCENTRADO:

Para el dimensionamiento de la captacin es necesario conocer el caudal mximo de la fuente, de modo que el dimetro de los orificios de entrada a la cmara hmeda sea suficiente para captar este caudal o gasto. Conocido el gasto, se puede disear el rea de orificio sobre la base de una velocidad de entrada no muy alta y al coeficiente de contraccin de los orificios.

a. Clculo de la distancia entre el afloramiento y la cmara hmeda.

Es necesario conocer la velocidad de pase y la prdida de carga sobre el orificio de salida. En la Figura siguiente, aplicando la ecuacin de Bernoulli entre los puntos O y 1, resulta:

Considerando los valores de P0, V0, P1 y h1 igual a cero, se tiene:Flujo del agua en un orificio de pared gruesa

Dnde:

h0 = Altura entre el afloramiento y el orificio de entrada (se recomienda valores de 0,40 a 0,50 m.)V1 = Velocidad terica en m/s.g = Aceleracin de la gravedad (9,81 m/s2).

Mediante la ecuacin de continuidad considerando los puntos 1 y 2, se tiene:Q1 = Q2Cd x A1 x V1 = A2 x V2Siendo A1 = A2

Dnde:

V2 = Velocidad de pase (se recomienda valores menores o iguales a 0,6 m/s).Cd = Coeficiente de descarga en el punto 1 (se asume 0,8).

Reemplazando el valor de 1 V de la ecuacin (2) en la ecuacin (1), se tiene:

h0 es definida como la carga necesaria sobre el orificio de entrada que permite producir la velocidad de pase.

En la siguiente figura se observa:

H = Hf + h0

Donde Hf es la prdida de carga que servir para determinar la distancia entre el afloramiento y la caja de captacin (L).Carga disponible y perdida de carga

Hf = H hoHf = 0.30 x LL = Hf / 0.30

b. Ancho de la pantalla (b)

Para determinar el ancho de la pantalla es necesario conocer el dimetro y el nmero de orificios que permitirn fluir el agua desde la zona de afloramiento hacia la cmara hmeda. Para el clculo del dimetro de la tubera de entrada (D), se utilizan las siguientes ecuaciones.

Qmx. = V x A x CdQmx. = A Cd (2 g h )1/2

Dnde:

Q mx. = Gasto Mximo de la fuente en l/s.V = Velocidad de paso (se asume 0,50 m/s, siendo menor que el valor mximo recomendado de 0,60 m/s).A = rea de la tubera en m2Cd = Coeficiente de descarga (0,6 a 0,8).G = Aceleracin de la gravedad (9,81 m/s2)h = Carga sobre el centro del orificio (m).

El valor de A resulta:

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

El valor de D ser definido mediante:

Nmero de orificios: Se recomienda usar dimetros (D) menores o iguales de 2. Si se obtuvieran dimetros mayores, ser necesario aumentar el nmero de orificios (NA), siendo:

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

Distribucin de los orificios - Pantalla frontal

Siendo:

d el dimetro de la tubera de entradab el ancho de la pantalla

Conocido el nmero de orificios y el dimetro de la tubera de entrada, se calcula el ancho de la pantalla (b) mediante la siguiente ecuacin:

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

Dnde:

b = Ancho de la pantallaD = Dimetro del orificioNA = Nmero de orificios

c. Altura de la cmara hmeda

En base a los elementos identificados en la Figura mostrada:

Altura total de la cmara hmeda

La altura total de la cmara hmeda se calcula mediante la siguiente ecuacin:

Dnde:A: Se considera una altura mnima de 10 cm. que permite la sedimentacin de la arena.B: Se considera la mitad del dimetro de la canastilla de salida.H: Altura de agua.D: Desnivel mnimo entre el nivel de ingreso del agua de afloramiento y el nivel de agua de la cmara hmeda (minino 3 cm.).E: Borde libre (de 10 a 30 cm.).

Para determinar la altura de la captacin, es necesario conocer la carga requerida para que el gasto de salida de la captacin pueda fluir por la tubera de conduccin. La carga requerida es determinada mediante la siguiente ecuacin

Dnde:H = Carga requerida en m.V = Velocidad promedio en la salida de la tubera de la lnea de conduccin en mis.g =Aceleracin de la gravedad igual 9.81 m/s2.

Se recomienda una altura mnima de H = 30 cm.

d. Dimensionamiento de la canastilla

Canastilla de salida

Para el dimensionamiento se considera que el dimetro de la canastilla debe ser 2 veces el dimetro de la tubera de salida a la lnea de conduccin (Dc) (ver Figura); que el rea total de las ranuras (At) sea el doble del rea de la tubera de la lnea de conduccin; y que la longitud de la canastilla (L) sea mayor a 3 Dc y menor a 6 Dc. dnde:

Dnde:

Conocidos los valores del area total de ranuras y el rea de cada ranura se determina el nmero de ranuras:

Tubera de rebose y limpieza

En la tubera de rebose y de limpia se recomiendan pendientes de 1 a 1.5% y considerando el caudal mximo de aforo, se determina el dimetro mediante la ecuacin de Hazen y Williams

Dnde:D = Dimetro en pulg.Q = Gasto mximo de la fuente en Vs.hf = Perdida de carga unitaria en m/m.

Ejemplo:Datos: Se tiene un manantial de ladera y concentrado cuyo rendimiento es el siguiente:

Caudal mximo = 1.30 Vs.Caudal mnimo = 1.25 Vs.Gasto mximo diario = 1.18 Vs.

1. Calculo de la distancia entre el punto de afloramiento y la cmara hmeda (1).De la ecuacin 4.3 el valor de la velocidad (V) es:

Para un valor asumido de h = 0.40 m. y considerando la aceleracin de la gravedad g = 9.81 m/s2 se obtiene una velocidad de pase V = 2.24 m/s. Dicho valor es mayor que la velocidad mxima recomendada de 0.6 m/s por lo que se asume para el diseo una velocidad de 0.5 mis.

Mediante la ecuacin 4.3 y la velocidad de 0.5 m/s se determina la perdida de carga en el orificio, resultando ho = 0.02 m. Con el valor de ho se calcula el valor de Hf mediante la ecuacin 4.4, siendo:

El valor de L se define mediante la ecuacin 4.5.

2. Ancho de la pantalla (b)

Calculo del dimetro de la tubera de entrada (D)Para determinar el dimetro del orificio se utilizara la ecuacin mostrada donde el valor del rea ser definida como:

Considerando un caudal mximo de la fuente (Qmax.) de 1.30 l/s, una velocidad de pase (V) de 0.50 m/s y un coeficiente de descarga (Cd) de 0.8; resulta un area (A) igual a 3.25x10-3 m2.

El dimetro del orificio ser definido mediante:

D = 6.43 cm. = 2 1/2".

Calculo del nmero de orificios (NA)Como el dimetro calculado de 2 112" es mayor que el dimetro mximo recomendado de 2", en el diseo se asume un dimetro de 1 112" que ser utilizado para determinar el nmero de orificios (NA).

Asumindose NA = 4

Calculo del ancho de la pantalla (b)Conocido el dimetro del orificio (D) de 1 112" y el nmero de agujeros (NA) igual a 4, el ancho de la pantalla (b) se determina:

b = 2(6D) + NA D + 3D (NA -1) = 37.5 pulg.

Distribucin de orificios en la pantalla. Ejemplo desarrollado

Para el diseo se asume una seccin interna de la cmara hmeda de 1 m. por 1 m.En la figura se presenta la distribucin final de los orificios.

3. Altura de la cmara hmeda (Ht)Para determinar la altura de la cmara hmeda (Ht) se utiliza la ecuacin:

Dnde:A = 10cm.B = 3.81 cm. (1 1/2").D = 3cm.E = 30 cm.

El valor de la carga requerida (H) se define mediante la ecuacin

Dnde:Qmd = Gasto mximo diario en m3/s (0.00118).A = rea de la tubera de salida en m2 (0.001 1401).g = Aceleracin gravitacional (9.8 1 m/s2).

Resulta: H = 0.0852 m = 8.52 cm.

Para facilitar el paso del agua se asume una altura mnima de H = 30 cm.

Reemplazando los valores identificados, la altura total Ht es 76.81 cm. En el diseo se considera una altura de 1.00 m.

4. Dimensionamiento de la canastillaEl dimetro de la tubera de salida a la lnea de conduccin (Dc), es de 1 112". Para el diseo se estima que el dimetro de la canastilla debe ser 2 veces el "Dc" por consiguiente:

D canastilla = 2 x 1.5" = 3".

Se recomienda que la longitud de la canastilla (L) sea mayor a 3 Dc y menor a 6 Dc

L = 3 x 1.5= 11.43= 12cm.L = 6 x 1.5 = 22.86 = 23 cm.

L asumido = 20 cm.Ancho de la ranura = 5 mm.Largo de la ranura = 7 mm.

Siendo el rea de la ranura (Ar) = 7 x 5 = 35 mm2

rea total de ranuras (At) = 2 Ac, considerado Ac como el rea transversal de la tubera de la lnea de conduccin.

El valor de At no debe ser mayor al 50% del rea lateral de la granada (Ag).

Ag = 0.5 x Dg x L = 0.02394 m2,Para Dg = 3" y L=0.20m.

El nmero de ranuras resulta:

No de ranuras = 655. Rebose y limpiezaEl rebose se instala directamente a la tubera de limpia y para realizar la limpieza y evacuar el agua de la cmara hmeda, se levanta la tubera de rebose. La tubera de rebose y limpia tienen el mismo dimetro y se calculan mediante la siguiente ecuacin.

Dnde:D = Dimetro en pulg.Q = Gasto mximo de la fuente (1.30 l/s).hf = Perdida de carga unitaria ( 0.015 m/m).

Resultando:D = 1.89 pulg. 2 pulg. Y un cono de rebose de 2 x 4 pulg.

2. CAPTACIN DE UN MANANTIAL DE FONDO Y CONCENTRADO

a) Diseo hidrulico y dimensionamiento: I. Clculo del ancho de la pantalla

El ancho de la pantalla se determina en base a las caractersticas propias del afloramiento, quedando definido con la condicin que pueda captar la totalidad del agua que aflore del sub suelo.

II. Clculo de la altura total (Ht)

Para determinar la altura total de la cmara hmeda (Ht) se consideran los elementos identificados, los cuales se muestran en la Figura 4.10.

Ht = A + B + C + H + EDnde:

A : Altura del filtro de 10 a 20 cm.B : Dimetro de la tubera de salida, altura mnima de 10 cm.C: Se considera la mitad del dimetro de la canastilla de salida. H : Altura de agua sobre la canastilla.E:Borde libre mnimo de 30 cm.

Para determinar la altura de agua requerida (H), el dimensionamiento de la canastilla de salida y clculo del dimetro de la tubera de rebose y limpia, se utilizan los mismos procedimientos de clculo en base a las ecuaciones presentadas para el diseo de una captacin de un manantial de ladera y concentrado.

Para determinar la altura de la cmara hmeda (Ht) se utiliza la ecuacin antes mencionada.

El valor de la carga requerida (H) se define mediante la siguiente ecuacin:

Dnde:

H= Carga requerida en m.V= Velocidad promedio en la salida de la tubera de la lnea de conduccin en m/s. Considerar la velocidad mnima para una lnea de conduccin.g= Aceleracin de la gravedad igual 9,81 m/s2.

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

III. Dimensionamiento de la canastilla

Para el dimensionamiento se considera que el dimetro de la canastilla debe ser dos veces el dimetro de la tubera de salida a la lnea de conduccin (Dc); que el rea total de ranuras (At) sea el doble del rea de la tubera de la lnea de conduccin; y que la longitud de la canastilla (L) sea mayor a 3 Dc y menor de 6Dc.

At = 2 AcDonde:

Conocidos los valores del rea total de ranuras y el rea de cada ranura se determina el nmero de ranuras:

IV. Tubera de rebose y de limpia

En la tubera de rebose y de limpia se recomienda pendientes de 1 a 1,5% y considerando el caudal mximo de aforo, se determina el dimetro mediante la ecuacin de Hazen y Williams (para C=140).

Dnde:

D = Dimetro en pulg.Q = Gasto mximo de la fuente hf = Prdida de carga unitaria:

Ejemplo:Datos: se tiene un manantial de fondo y concentrado cuyo rendimiento es el siguiente:

Caudal mximo=2.051/s.Caudal mnimo=1.891/s.Gasto mximo diario=1.351/s.Ancho de la pantalla = 1.00 m.

1. Altura de la cmara hmedaPara determinar la altura de la cmara hmeda (Ht) se utiliza la ecuacin antes mencionada.

Ht = A + B + C + H + E

Dnde:

A = 20 cm.B = 10 cm.C = 5.08 cm. (2")E = 30 cm.

El valor de la carga requerida (H) se define mediante la siguiente ecuacin:

Dnde:

Qmd = Gasto mximo diario en m3/s (0.00135).A = rea de la tubera de salida en m2 (0.0020268).g = Aceleracin gravitacional (9.81 m/s2).

Resulta: H= 0.0353 m. = 3.53 cm.

Se asume una altura mnima de H = 30 cm.

El valor de Ht = 95.08 cm., para el diseo se considera una altura de 1.00 m.2. Dimensionamiento de la canastillaLongitud de canastilla:

L = 3 x 5.08 = 15.24 = 16 cm.L = 6x5.08 = 30.48 = 31 cm.

L asumido = 20 cm. Ancho de la ranura = 5 mm. Largo de la ranura = 7 mm.

Siendo el rea de la ranura (Ar) = 7x5 = 35 mm2

Ar = 35 x 10-6 m2

rea transversal de la tubera de la lnea de conduccin (Ac):

At = 2 Ac = 4.05366 x 10"3 m2.

El nmero de ranuras resulta:

3. Rebose y limpiezaPara el clculo del dimetro de la tubera de rebose y limpia se utiliza la siguiente ecuacin:

Dnde:

D = Dimetro en pulg.Q = Gasto mximo de la fuente (2.05 l/s) para el clculo del dimetro de la tubera de limpia y rebose.hf = Prdida de carga unitaria:

Limpia = 0.015 m/m.Rebose = 0.020 m/m.

Resultando los dimetros de tuberas de limpia de 2.25 pulg. y rebose de 2.12 pulg, por lo que en ambos casos se asume un dimetro de 3 pulg.

Captacin de un manantial de ladera y concentrado

Captacin de un manantial de fondo y concentrado

Captacin de un manantial de fondo y difuso

Modelo De Un Sistema De Captacin