CAUDAL DE DISEÑO EN REDES DE ACUEDUCTO
Ramón Duarte
Hidráulica y Urbanismo Ltda.
1. CRITERIOS GENERALES
El caudal de diseño es un elemento base en el dimensionamiento de un sistema de abastecimiento para una población definida, éste depende de varios factores, algunos de los cuales los analizaremos enseguida, estos pueden ser: Número de habitantes, clima, estrato social, tipo de edificación, uso de la conexión, punto de la red donde se realice el análisis, etc.
1.1 NÚMERO DE HABITANTES:
Este es un elemento fundamental en la definición del volumen de agua a tratar y/o a conducir dentro de un sistema de abastecimiento. En este aspecto se deberá tener en cuenta la población presente y la proyección de nuevos usuarios del sistema, esto con base en censos DANE, en nuevas áreas ocupables en procesos de urbanización según los POT locales y/o construcción en áreas ya urbanizadas, también posibles planes de densificación.
En el análisis de grandes sistemas no se debe desconocer la disminución en el ritmo de crecimiento de la población. En el Censo DANE 2005 , se observa que para Colombia los dos grupos poblacionales de menor edad, 0-4 y 5-9 años, la pirámide se estaba cerrando tanto para hombres como para mujeres, lo que indica un menor ritmo de crecimiento.
Para Bogotá la disminución en el crecimiento poblacional no es ajena, aunque con visos diferentes; en los hombres solo fue el grupo de 0-4 años, en las mujeres fue los últimos cuatro grupos, desde los 0 hasta los 19 años.
Esa posible disminución de población, entiéndase densidad por vivienda, sumada a nuevas tecnologías en aparatos sanitarios y cambio en las costumbres de consumo per cápita, nos podrían llevar no necesariamente a un aumento en los caudales por ciertos puntos específicos de un sistema de abastecimiento aun con aumento en la densidad de viv/Ha. Otro elemento resultante de esta situación es la disminución del número personas por hogar.
En cuanto a población también se refiere, otro aspecto muy significativo, es la migración poblacional nuevamente hacia las zonas rurales, en muchos casos de solo fin de semana o vacaciones, generando una modificación del caudal pico tanto en la ciudad de origen como en los sitios de destino, esta es la "población flotante" así identificada en los estudios respectivos.
También se tiene la migración de carácter definitivo hacia poblaciones pequeñas o zonas rurales, donde la tenencia de agua potabilizada es muy baja, en muchos casos el consumo se hace de agua sin ningún tratamiento.
1.2 CLIMA:
A mayor temperatura media de un sitio mayor es el consumo per cápita no solo para el consumo propiamente dicho, también para los usos anexos tales como riego de jardines, huertas y la existencia de juegos acuáticos como piscinas. En los climas fríos se tiene la posibilidad de tener mayor humedad en el ambiente y mayor presencia de nacimientos de agua o incluso agua subsuperficial, lo que disminuye el consumo para riego de plantas ya sea jardín o cultivo.
En las áreas urbanas de los climas cálidos la mayor demanda está principalmente en la ducha y/o piscina, también en la conservación de jardines
1.3 ESTRATO SOCIAL:
Existe un vínculo directo entre el consumo de agua y la capacidad de pago de quien la usa, esto a pesar del régimen de subsidios que existe en nuestro medio, donde los estratos altos subsidian el consumo de los estratos bajos.
A continuación tenemos algunos datos estadísticos y de proyección de consumo en L/hab/día por estrato en la ciudad de Bogotá .
En esta información se puede analizar la diferencia por estrato y también la disminución del consumo medio per cápita con el paso de los años, la disminución durante los 25 años de análisis fue así:
• Estrato bajo 30.08%
• Estrato medio 31.05%
• Estrato alto 21.43%
1.4 TIPO DE EDIFICACIÓN:
Más que el tipo de edificación es el tipo de agrupación; cuando se tiene casas es mayor la posibilidad de tener un jardín unipredial, especialmente en los estratos altos; esto conlleva que exista un mayor riego de jardines, comparado con la agrupación de edificios y de apartamentos. Aunque en estos últimos existe el jardín, la proporción de área destinada a este fin distribuida por personas es menor.
El consumo de agua para el riego de jardín no es permanente, por supuesto que en invierno o lluvias es bajo o nulo, en tanto que en verano es máximo. En las casas individuales el costo del agua para riego de jardín es directo al usuario, en tanto que en agrupaciones el costo se asume de manera global.
1.5 USO DE LA CONEXIÓN:
Este es un aspecto muy importante en la definición del caudal de diseño, al igual que el número de personas a servir. Cuando se hace proyección para uso domestico se tienen muchas herramientas y estadísticas, cuando se hacen proyecciones para industria o comercio es necesario llegar a hacer equivalencias con vivienda, salvo que se tenga claramente definido el tipo de industria o comercio y el punto de conexión.
Especialmente en predios destinados a industria o grandes comercios, en los últimos tiempos se viene instaurando sistemas de utilización de las aguas lluvias, los cuales inician en el almacenamiento, algún tratamiento primario y a través de un sistema independiente las aguas son utilizadas en aparatos sanitarios; en otros casos logran el tratamiento total y su utilización en todos los puntos de consumo.
En algunas agrupaciones de casas y de estrato alto, el almacenamiento de agua lluvia es con carácter ornamental y para el riego de los mismos jardines.
1.6 SITIO DE ANÁLISIS:
Existe una gran diferencia de caudal de diseño entre el sitio exacto de consumo y el otro extremo que es la captación, en ese trayecto e intermedio se deben contemplar elementos como la simultaneidad si es muy cerca al punto de consumo o las perdidas técnicas o comerciales en la red si se analiza la captación o el tratamiento.
En todo ese intermedio también es necesario tener en cuenta el almacenamiento que se hace para el "corte de picos", esto es la instalación de tanques en la infraestructura pública o los de almacenamiento en cada una de las agrupaciones. Con la existencia de tanques se podrían hacer cálculos con el caudal medio de hasta 24 horas, esto nos llevaría a unas conducciones bastante económicas si se trata de obras nuevas o, a tener la posibilidad de densificación poblacional o aumento de uso con la utilización de infraestructura existente.
1.7 PRESIÓN EN LA RED:
A esta condición técnica es necesario buscarle un punto de equilibrio donde no se afecte el funcionamiento de los aparatos sanitarios pero que tampoco lleve al desperdicio. Los valores altos de presión son necesarios para el buen funcionamiento de fluxómetros en los aparatos sanitarios y en los calentadores de agua a gas. Asi mismo la mayor presión en el grifo del lavamanos genera un mayor desperdicio de agua en su uso.
Otro aspecto técnico de la presión alta en las redes, es la presencia de fugas donde las pérdidas serán mayores en la medida que la presión aumente.
2 ASPECTOS NORMATIVOS
Para la definición del caudal e diseño en un sistema de abastecimiento siempre se debe observar muy detalladamente la normativa vigente y aplicable en cada caso. Si se trata de redes externas, esto es las que se deban entregar a la entidad prestadora del servicio en la ciudad o población servida, se deberá tener en cuenta lo definido en el RAS o casos como el de Bogotá la norma NS-036; Para instalaciones internas se debe dar curso a lo definido en el código de fontanería.
2.1 APLICACIÓN DE NORMA RAS
Para la cuantificación de la demanda y/o necesidades de un proyecto, determina que la entidad o empresa promotora del proyecto debe calcular las demandas actuales y futuras, llevando a cabo entre otras las siguientes actividades:
• Estimación de la demandad y las necesidades reales de capacidad, en el periodo de evaluación.
• Definir el periodo de diseño para permitir la satisfacción de la población
• Estimar la población actual y futura
• Realizar la estimación de niveles máximos de servicio para tender cada cuatro o cinco años
• Obtener un estimativo del déficit en la prestación del servicio en cada año durante el periodo analizado.
El RAS establece unas dotaciones mínimas y máximas según el nivel de complejidad del proyecto, los valores dados no incluyen pérdidas comerciales o técnicas, estos son:
El nivel de complejidad se rige por el número de habitantes y la capacidad económica de los usuarios.
2.2 APLICACIÓN NORMA EAAB
2.2.1 NS-036 VERSIÓN 2.2 vigente desde agosto de 2006 "CRITERIOS PARA DISEÑO DE RED DE ACUEDUCTO SECUNDARIA Y MENOR DE DISTRIBUCIÓN"
"El caudal de diseño debe ser el caudal máximo horario (QMH) del año de horizonte del proyecto." .
En este aspecto es importante resaltar que cuando se trata de agrupaciones ya sea de vivienda, industriales o comerciales, el tiempo de horizonte es el inmediato; lo anterior debido a que en estos tipos de desarrollos la saturación es máxima desde el inicio.
Otros aspectos que se den tener en cuenta en el diseño son: Para cada tramo se debe analizar el caudal máximo acumulado para la totalidad del área geográfica a servir en su desarrollo máximo, en su densidad y uso determinado, ya sea que el área esté ocupada o pendiente de desarrollo urbanístico; es necesario adicionar el caudal para una eventual atención de incendio.
Para el estimativo de consumo, la precitada norma hace algunas recomendaciones, así:
- Para consumo residencial: Clasificación de usuarios según el estrato, usuarios no residenciales y los de alto consumo. Para áreas desarrolladas se debe obtener la densidad directamente del área de estudio, se asumen datos establecidos por el DANE o por la SDP para la ciudad de Bogotá excepto que exista alguna información que demuestre otra relación; en cuanto a esta última parte también tiene el siguiente texto "En el caso excepcional de presentarse conflicto en cuanto al método que va a usarse, la Empresa define el método u ordena al diseñador su determinación, en cuyo caso debe justificar ante la Empresa su elección".
- Para otros consumos (industrial, comercial, institucional y rural): Debe basarse en los parámetros dados en la –norma NS-031
- Para la definición del caudal de diseño: Este debe ser analizado con el máximo horario y chequeado con el mínimo horario. El caudal debe ser la suma del residencial y el requerido para otros tipos de ocupación. El caudal residencial se obtiene del producto de población servida, por el consumo medio y por un coeficiente de máximo horario, "Se calcula utilizando los datos registrados en un periodo mínimo de un año, a partir de los cuales se elabora la curva de consumo horario". Para el caudal de otros tipos de uso es similar y también remite a la Norma NS-031.
2.2.2 NORMA NS-031 VERSIÓN 2.2 vigente desde enero de 2004 "ESTUDIOS DE POBLACIÓN Y DEMANDA DE AGUA EN SECTORES ESPECÍFICOS DE LA CIUDAD"
En la recopilación de información esta norma establece la recopilación de información, tal como: Planos, aerofotos, ortofotos, censos DANE y de usuarios adelantada por el Acueducto de Bogotá, licencias de construcción y urbanismo, información del POT, planes y reglamentación de la UPZ, estudio de la proyección de demanda del Acueducto de Bogotá, información de facturación actual e histórica del sector, información de macromedidores existentes.
Con base en lo anterior se debe hacer la proyección de población, vivienda y establecimientos no residenciales, también se hace la distribución espacial de población.
Ninguna de las dos normas analizadas establece valor alguno de consumo percapita, solamente establecen metodologías; de igual forma no se diferencia la metodología que pudiese adelantarse según el tamaño del proyecto o del punto del sistema para el que se analice, esto es, no se hace referencia a las perdidas en la red ya sea comerciales o técnicas.
2.3 APLICACIÓN NORMA NTC 1500
En el Código de fontanería, NTC 1500, aparece la condición que el caudal de diseño para las redes de agua potable es de 200 L/hab/día.
CAUDAL DE DISEÑO EN REDES DE ALCANTARILLADO SANITARIO
1. CRITERIOS GENERALES
El caudal de diseño es un elemento base en el dimensionamiento de un sistema de drenaje sanitario; el valor de las descargas está directamente ligado al consumo, pero adicionalmente se debe aplicar la normatividad local que se tenga definida.
2 ASPECTOS NORMATIVOS
Para la definición del caudal e diseño en un sistema de abastecimiento siempre se debe observar muy detalladamente la normativa vigente y aplicable en cada caso. Si se trata de redes externas, esto es las que se deban entregar a la entidad prestadora del servicio en la ciudad o población servida, se deberá tener en cuenta lo definido en el RAS o casos como el de Bogotá la norma NS-085, NT-003 y NT-005; Para instalaciones internas se debe dar curso a lo definido en el código de fontanería.
2.1 APLICACIÓN DE NORMA RAS
Tomando como base el caudal de diseño como consumo de agua potable, se dá continuidad a la obtención del caudal de diseño para el drenaje sanitario; en la obtención del caudal que se aporta en cada uno de los tramos se debe tener en cuenta los siguientes aspectos:
- Consumo percapita
- Población total servida propia de cada tramo
- Coeficiente de retorno
- Coeficientes de descarga pico
- Aportes por conexiones erradas
- Aportes por infiltraciones
CONSUMO PERCAPITA: En la aplicación del RAS el valor que se haya tomado como consumo en la etapa de análisis del abastecimiento se toma también en la parte de drenaje sanitario. Este valor varía entre otros aspectos, según el estrato social y el clima; en cuanto al uso, este puede ser diferente dentro de una misma agrupación, pes el valor es diferente si el drenaje proviene de la vivienda al que venga de las áreas comunales.
POBLACIÓN SERVIDA: Corresponde a la totalidad de las personas a atender o servir en cada conexión en análisis, esto es número de viviendas o predios, densidad poblacional por vivienda o unidad servida.
COEFICIENTE DE RETORNO: El tipo de edificación influye en este coeficiente, si es casa o apartamento; en los apartamentos el coeficiente es mayor porque el agua usada retorna casi en su totalidad al alcantarillado, mientras que en las casas parte de esa agua consumida puede ser para riego de jardines, lavado de pisos exteriores o lavado de carros entre otros.
El uso de la conexión, especialmente cuando es diferente a vivienda, se debe analizar con mucho mas detalle; es diferente la magnitud de la descarga proveniente de una edificación donde se usa para lavado a la que proviene de un predio dedicado a la producción y embase de bebidas.
COEFICIENTE DE DESCARGAS PICO: En el caso de vivienda los coeficientes de descarga pueden ser iguales a los de consumo, no obstante existe una diferencia en términos hidráulicos debido a que en el abastecimiento la tubería funciona a presión y la descarga en un grifo se ve reflejada inmediatamente en un todo en la tubería que lo antecede, mientras que el alcantarillado que es de flujo libre cumple una función de pondaje y el caudal pico va disminuyendo con el recorrido hasta el punto que sumado a otros caudales puede tender a una valor muy cercano a uno, esto es caudal medio. Por seguridad se recomienda el uso de los coeficientes de abastecimiento.
Como se mencionó anteriormente, la tubería de alcantarillado cumple también una función de pondaje, con lo cual el sitio de la conexión influye en los coeficientes de descarga pico; esto indica que los factores pueden disminuir escalonadamente en la medida que se aumenta el área servida, el número de habitantes atendidos o el valor del caudal de diseño.
APORTES POR CONEXIONES ERRADAS: en este aspecto es importante tener muy claro el funcionamiento de las instalaciones internas. Cuando lo que se desarrollan son casas es muy probable que al menos las aguas de patios sean conectadas al alcantarillado sanitario, en tanto que en edificios esto no se presenta.
Se debe hacer una evaluación detallada de las posibles conexiones erradas para ser tenidas en cuenta en el diseño del drenaje sanitario. En todo caso se recomienda incluir en el caudal de diseño una cuantía de aguas lluvias como conexión errada, esto podría ser un porcentaje de las aguas residuales propias.
APORTES POR INFILTRACIÓN: De igual forma que las conexiones erradas es necesario hacer un análisis detallado de las instalaciones internas. En este aspecto también influye el tipo de material de la red, la calidad de las conexiones tanto entre tubos como en las cajas o pozos de inspección, la ubicación altimétrica del nivel freático con respecto a las redes y otros aspectos propios de cada proyecto donde podrían verse descargas de drenajes subsuperficiales.
En todo caso se recomienda incluir en el caudal de diseño una cuantía de aguas lluvias como conexión errada, esto podría ser un porcentaje de las aguas residuales propias.
2.2 APLICACIÓN DE NORMA EAAB
La definición de caudales de diseño en la normativa de la EAAB inicia con lo planteado en la Norma NS-085, aplicada tanto a urbanizaciones nuevas como a sectores con proceso de renovación o redensificación urbana, de esta norma tenemos lo siguiente:
4.2 ESTIMACIÓN DE CAUDALES SISTEMA DE ALCANTARILLADO PLUVIAL Y SANITARIO
4.2.2 Sistema de Alcantarillado de Aguas Sanitarias
4.2.2.1 Determinación del Caudal de Diseño Sanitario
En esta parte se definen que se tienen tres rangos de densidad poblacional, bajo los cuales se define el caudal de diseño para áreas de hasta 300 hectáreas, estos rangos son:
• Para densidad de población mayor a 750 hab/Ha
• Para densidad de población de 400 a 750 hab/Ha
• Para densidad de población menor a 400 hab/Ha
En el párrafo siguiente dice que:
"Para determinar el caudal con el cual se debe dimensionar un conducto se debe tomar el área de drenaje tributaria acumulada incluyendo el área propia del tramo. Para los casos en los cuales existan zonas con diferentes rangos de densidad poblacional se deberá estimar el caudal de diseño independientemente para cada una de las zonas" .
De este párrafo se deducen dos elementos, al primero de ellos adicionándole el concepto urbano de ÁREA ÚTIL y EQUIPAMENTOS COMUNALES, las cuales son las únicas donde se pueden desarrollar edificaciones, el área aferente o tributaria debe ser solo la que en los diseños urbanos se tienen como áreas útiles; no generan aguas residuales las cesiones para parque, las vías públicas, áreas de afectación por líneas de servicios públicos especialmente los matrices y troncales, zonas de reserva vial, etc. El segundo elemento es que está abierta la necesidad del prorrateo de densidad cuando se tengan áreas de diferente densidad.
En el párrafo siguiente dice que:
"Específicamente para los colectores……….., ya que los caudales obtenidos de las gráficas ya incluyen una mayoración para prever la aireación la aireación, igualmente incluyen conexiones erradas e infiltración"
De este párrafo se deduce que se debe uno olvidar de analizar conexiones erradas e infiltraciones cuando de calcular el caudal de diseño se trata. Sin embargo queda la inquietud del trato igual a sectores donde la conexión errada inicia desde las instalaciones internas con los sectores desarrollados como edificios donde las instalaciones internas tienen diseños separados y controles estrictos para que esto se construyan y funcione como se diseñan.
A continuación un cuadro comparativo de caudales entre las metodologías RAS y EAAB.
