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ESTUDIO HIDROLOGICO DEL SECTOR

1. DIAGNOSTICO DEL SISTEMA DE ALCANTARILLADO

El sector de TRANS 11 entre calles 17ª y calle 18b en el área urbana del Municipio de Pueblo Nuevo no cuenta con sistema de alcantarillado sanitario ni pluvial, por lo cual las aguas negras y grises no son colectadas de forma adecuada y las aguas lluvias fluyen por las calles de la localidad. El método más utilizado para la disposición de las residuos líquidos en los predios corresponde al sistema de pozos sépticos, utilizado por el gran parte de la población; estos pozos son en muchos casos artesanales, los cuales evidencian falencias constructivas y de mantenimiento. El manejo actual de las aguas negras ocasiona problemas de salubridad para los habitantes; hay aguas negras expuestas en canales abiertos lo cual se traduce en malos olores, reproducción de vectores transmisores de enfermedades, contaminación en puntos de vertimiento y cuerpos de aguas como ciénagas por la llegada de aguas provenientes de estos vertimientos.

2. FORMULACION DEL ESTUDIO DE ALCANTARILLADO

El proyecto de saneamiento del sector de de la transversal 11 entre calles 17ª y calle 18b en el área urbana de Pueblo Nuevo, consistirá en la implementación de un sistema de alcantarillado sanitario de tipo convencional que recolecte todas las aguas residuales generadas en el sector y las transporte mediante bombeo, hasta el sitio que se defina conjuntamente con el municipio para el tratamiento de dichas aguas y su disposición final al cuerpo de agua más cercano, cumpliendo con la normatividad RAS2000, título D Sistemas de Recolección y Evacuación de Aguas Residuales Domésticas y Pluviales y título E Tratamiento de Aguas Residuales. El sistema de recolección de aguas residuales que se proyecta, consiste en Una (1) rama de recolección de las aguas residuales que serán llevados hasta la red de alcantarillado del Municipio actualmente en operación, concretamente hacia la cámara de inspección No. 41ª, ubicada en la carrera 12 antes de la calle 10. El primer y unico ramal estará conformado por los siguientes tramos L – K, k – F, F – G, G – H1, H1 – H y H – Estación de Bombeo. Los tramos L – K y K – F, están sobre la carrera 11.

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3. PROYECCION DE POBLACION Y CAUDALES

3.1 PROYECCIÓN DE POBLACIÓN

Teniendo en cuenta la capacidad económica del municipio de Pueblo Nuevo y la población de la cabecera municipal, el proyecto para el sector se clasifica en nivel de complejidad Medio-Alta. Número de viviendas y lotes = 55 Población residentes = 105 x 5.038 = 529 habitantes

3.1.1 Proyecciones de población

A partir de los métodos de proyección especificados según el nivel de complejidad del municipio se adoptó como población de diseño la dada por el método aritmético, la cual es la que mejor refleja el crecimiento poblacional del casco urbano del municipio. La tasa de crecimiento poblacional adoptada es de 2%. Los resultados de proyección de población se presentan en la siguiente tabla.

Tabla 1 PROYECCION DE POBLACION

AÑO POBLACION 2018 529 2019 537 2020 545 2021 553 2022 561

3.2 PROYECCIÓN DE CAUDALES SANITARIOS

A partir de la población proyectada y en base al uso de las áreas de la localidad se calculó los caudales residenciales para posteriormente calcular el Caudal Medio Diario y Caudal Máximo Horario. El caudal de diseño de cada tramo de la red de alcantarillado sanitario corresponde al caudal resultante del caudal máximo horario más el aporte de caudal por infiltraciones y conexiones erradas.

𝑄𝐷𝐼𝑆 = 𝑄𝑀𝐻 + 𝑄𝐼𝑁𝐹 + 𝑄𝐶𝐸𝑓

Cuando el caudal de diseño calculado en el tramo sea menor que 1,5 l/s, debe adoptarse este último valor como caudal de diseño para dimensionar las tuberías de sistemas de alcantarillado de aguas residuales. Además de los valores anteriores, que corresponden a los valores finales previstos, debe estimarse los valores iniciales de caudal de operación de cada tramo para propósitos de verificación del comportamiento hidráulico del sistema en sus etapas iniciales de

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servicio.

3.2.1 Caudal residual doméstico (QD)

Aporte de aguas sanitarias provenientes de áreas residenciales del municipio.

𝑄𝑑 =𝐶 ∙ 𝑃 ∙ 𝑅

86400

Dónde: C : Dotación máxima neta P : Población al horizonte del proyecto R : Coeficiente de retorno de aguas

3.2.2 Dotación máxima neta

Es la cantidad máxima de agua requerida para satisfacer las necesidades básicas de un habitante sin considerar las pérdidas que ocurran en el sistema de acueducto. Siempre que existan datos de consumo histórico confiables para el municipio o distrito, la dotación neta máxima a utilizar en el diseño de un nuevo sistema de acueducto o la ampliación del sistema existente debe basarse en dichos datos. Según resolución 2023 de 2009 del Ministerio de Medio Ambiente, se modificaron las dotaciones dadas en la norma RAS-2000, de acuerdo con los datos de la Tabla. La dotación neta máxima calculada no deberá superar los valores establecidos en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. dependiendo del nivel de complejidad del sistema. Se entiende por clima frio poblaciones de clima frio o templado municipios localizados a una altura mayor a 1000 msnm y poblaciones de clima cálido a poblaciones menores o iguales a 1000 msnm

Tabla 2 Dotaciones máximas por nivel de complejidad y clima

Nivel de complejidad del sistema

Dotación neta máxima para poblaciones con Clima Frio o

Templado L/hab.día)

Dotación neta máxima para poblaciones con Clima Cálido

(L/hab.día)

Bajo 90 100

Medio 115 125

Medio alto 125 135

Alto 140 150 Fuente: Resolución 2023 de 2009

Se adopta una dotación de 135 l/hab.día

3.2.3 Población

La población corresponde a la población residente en el sector de Pueblecito, ver Tabla 1.

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3.2.4 Coeficiente de retorno

Fracción del agua domestica entregadas al sistema de recolección y evacuación de aguas residuales. Según Norma RAS2000 para municipios con nivel de complejidad medio-alto se tiene un coeficiente de retorno entre 0.8 y 0.85.

Tabla 3 Coeficiente de retorno para aguas servidas

Nivel de complejidad Coeficiente de retorno

Medio 0.7-0.8

Medio-Alto 0.8-0.85 Fuente: RAS2000

Se adopta un coeficiente de retorno de 0.80.

3.2.5 Aporte de aguas residuales domésticas

De acuerdo a los datos anteriores se calculó el aporte de aguas residuales domesticas para el horizonte del proyecto.

Tabla 4 Caudal residual domestico

Año Población Residente

Caudal Domestico

(lt/s)

2018 529 0.86

2020 545 0,89

2025 599 0,98

2030 659 1,07

2035 725 1,16

2040 797 1,25

4. CAUDAL RESIDUAL COMERCIAL E INSTITUCIONAL

El aporte de caudales residuales de zonas institucionales dependen del tipo y tamaño de cada una de las mismas, estas áreas se componen de hospitales, colegios, escuelas, universidades, cárceles, entre otras, para cada tipología de área institucional se debe determinar aporte en base en base a consumos pasados. Para zonas netamente comerciales, el caudal de aguas residuales comerciales debe estar justificado con un estudio detallado, basado en consumos diarios por persona, densidades de población en estas áreas y coeficientes de retorno mayores que los de consumo doméstico. Para zonas mixtas comerciales y residenciales pueden ponderarse los caudales medios con base en la concentración comercial relativa a la residencial QC debe ser estimado para las condiciones iniciales, QCi, y finales, QCf, de operación del sistema, de acuerdo con los planes de desarrollo comercial previstos.

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4.1.1 Áreas comerciales e institucionales

En el sector de Pueblecito no se encuentra ninguna institución que vaya a ser beneficiada con el proyecto. Los pequeños comercios se encuentran dentro de las viviendas.

4.1.2 Aporte Institucional (QINS)

El área y aporte de las zonas institucionales dependen del tipo y tamaño de las mismas, entre estas instituciones se cuentan hoteles, escuelas, universidades, cárceles, entre otros. Para cada uno de los tipos de instituciones se debe determinar su aporte con base en registros históricos. El municipio no cuenta con micromedidores para su sistema de acueducto por lo cual se adopta el coeficiente de aporte mínimo aplicado al área de uso institucional según el plano 03 Usos de suelo casco urbano.

𝑄𝑖𝑛𝑠 = 𝐶𝑖𝑛𝑠 ∗ 𝐴𝑖𝑛𝑠

Tabla 5 Contribución institucional mínima

Nivel de complejidad del sistema Contribución institucional (L/s*ha inst)

Cualquiera 0.4 – 0.5

Fuente: RAS2000

5. CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES (QMD)

El caudal medio de aguas residuales viene dado de la suma.

𝑄𝑚𝑑 = 𝑄𝐷 + 𝑄𝑐 + 𝑄𝐼𝑛𝑠

Tabla 6 Caudal medio diario

Año Caudal Medio Diario (l/s)

2018 0,45

2020 0,50

2025 0,55

2030 0,62

2035 0,69

2040 0,75

6. CONEXIONES ERRADAS (QCE)

Las conexiones erradas son aguas lluvias que ingresan al sistema sanitario, provenientes de conexiones de bajantes, tejados y patios. La norma RAS-2000 indica que en ausencia de mediciones, las conexiones erradas se pueden obtener por medio de los coeficientes de la siguiente tabla.

Tabla 7 Aportes máximos por conexiones erradas con sistema pluvial

Nivel de complejidad del sistema Aporte (L/s*ha)

Bajo y medio 0.2

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Medio-alto y alto 0.1

Fuente: RAS2000

Tabla 8 Aportes máximos por conexiones erradas sin sistema pluvial

Nivel de complejidad del sistema Aporte (L/s*ha)

Bajo y medio 2

Medio-alto y alto 2

Fuente: RAS2000

El área neta de la localidad, la cual comprende únicamente área de los predios sin tomar en cuenta las calles es de 1.61 hectáreas.

7. CAUDALES POR INFILTRACION (QINF)

Siguiendo las normas este caudal debe adoptarse entre 0.10 y 0.30 l/s/ha, teniendo en cuenta que la topografía de Arroyo de Arena es ondulada, se adopta de 0.2 l/s/ha, teniendo en cuenta que la construcción se realizará de la manera más apropiada disminuyendo este caudal.

8. CRITERIOS DE DISEÑO

8.1 CRITERIOS DE DISEÑO PARA ALCANTARILLADO SANITARIO

El titulo D de la norma RAS2000 presenta los parámetros de diseño para la red de alcantarillado sanitario, los cuales son de necesario cumplimiento para el correcto funcionamiento de la red de alcantarillado sanitario.

8.1.1 Diámetro interno real mínimo

En las redes de recolección y evacuación de aguas residuales, la sección circular es la más usual para los colectores, principalmente en los tramos iniciales. El diámetro interno real mínimo permitido en redes de sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales tipo alcantarillado sanitario convencional es 170 mm con el fin de evitar obstrucciones de los conductos por objetos relativamente grandes que puedan entrar al sistema.

8.1.2 Velocidad mínima y esfuerzo cortante medio

Si las aguas residuales fluyen por un periodo largo a bajas velocidades, los sólidos transportados pueden depositarse dentro de los colectores. En consecuencia, se debe disponer regularmente de una velocidad suficiente para lavar los sólidos depositados durante periodos de caudal bajo. Para lograr esto, se establece la velocidad mínima como criterio de diseño. La velocidad mínima real permitida en el colector es 0,45 m/s. Para las condiciones iniciales de operación de cada tramo, debe verificarse el comportamiento autolimpiante del flujo, para lo cual es necesario utilizar el criterio de esfuerzo cortante medio.

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Por lo tanto, debe establecerse que el valor del esfuerzo cortante medio sea mayor o igual a 1,5 N/m2 para el caudal inicial máximo horario. En aquellos casos en los cuales, por las condiciones topográficas presentes, no sea posible alcanzar la velocidad mínima, debe verificarse que el esfuerzo cortante sea mayor que 1,2 N/m2.

8.1.3 Velocidad máxima

Los valores máximos permisibles para la velocidad media en los colectores por gravedad dependen del material, en función de su sensibilidad a la abrasión. Los valores adoptados deben estar plenamente justificados en términos de características de los materiales, de las características abrasivas de las aguas residuales, de la turbulencia del flujo y de los empotramientos de los colectores. Deben hacerse las previsiones necesarias de atraque del colector. En general, se recomienda que la velocidad máxima real no sobrepase 5 m/s. Los valores mayores deben justificarse apropiadamente para ser aceptados por la empresa prestadora del servicio. La DSPD y la Junta Técnica Asesora del Reglamento deben promover investigación en el tema y establecer los mecanismos, procedimientos y metodologías para la revisión, actualización y aceptación de los valores apropiados de la velocidad máxima permisible para propósitos de diseño de sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales.

8.1.4 Pendiente mínima

El valor de la pendiente mínima del colector debe ser aquel que permita tener condiciones de autolimpieza y de control de gases.

8.1.5 Pendiente máxima

El valor de la pendiente máxima admisible es aquel para el cual se tenga una velocidad máxima real.

8.1.6 Profundidad hidráulica máxima

Para permitir aireación adecuada del flujo de aguas residuales, el valor máximo permisible de la profundidad hidráulica para el caudal de diseño en un colector debe estar entre 70 y 85% del diámetro real interno de cada una de las tuberías. La relación máxima de profundidad versus diámetro, se debe calcular con el caudal máximo de diseño, el cual corresponde al caudal máximo horario calculado de acuerdo con lo señalado.

8.1.7 Profundidad mínima a la cota clave

Los colectores de redes de recolección y evacuación de aguas residuales deben estar a una profundidad adecuada para permitir el drenaje por gravedad de las descargas domiciliarias sin sótano, aceptando una pendiente mínima de éstas de 2%. Además, el cubrimiento mínimo del colector debe evitar la ruptura de éste, ocasionada por cargas vivas que pueda experimentar. Los valores mínimos permisibles de cubrimiento de los colectores se definen en la siguiente tabla.

Tabla 9 Profundidades mínimas de instalación de tuberías en sistemas de alcantarillado

Servidumbre Profundidad a la clave del colector (m)

Vías peatonales o zonas verdes 0,75

Vías vehiculares 1,20 Fuente: RAS2000

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Para casos especiales como localidades con evidentes problemas de drenaje los valores anteriores pueden reducirse haciendo las previsiones estructurales y geotécnicas correspondientes. Las conexiones domiciliarias y los colectores de aguas residuales deben localizarse por debajo de las tuberías de acueducto. El tipo de cimentación y relleno debe estar de acuerdo con lo estipulado en el Título G del RAS. Adicionalmente, las profundidades de instalación antes establecidas podrán ser inferiores cuando las pendientes disponibles y los puntos de entrega de colectores e interceptores así lo requieran; en tal caso el diseñador debe justificar los diseños estructurales, teniendo en cuenta todas las cargas vivas y especificando las protecciones estructurales necesarias y/o los materiales y tipos de tuberías que absorban dichas cargas.

8.1.8 Profundidad máxima a la cota clave

En general la máxima profundidad de los colectores es del orden de 5 m, aunque puede ser mayor siempre y cuando se garanticen los requerimientos geotécnicos de las cimentaciones y estructurales de los materiales y colectores durante (y después de) su construcción, para lo cual deben considerarse las disposiciones de los capítulos G.2 y G.3 del Título G. Los cruces subterráneos de lagos, ríos y corrientes superficiales deberán acompañarse de un diseño apropiado e idóneo que justifique las dimensiones, los atraques y las profundidades empleadas y deberán proveerse de medios para impedir su destrucción por efectos de la socavación de la corriente atravesada.

8.1.9 Factor de mayoración

En el factor de mayoración para calcular el caudal máximo horario utilizando como base el caudal medio diario.

Ecuación de Gaines: 𝐹 = 3,114

𝑄𝑀𝐷0,062 La fórmula de Gaines debe ser aplicada para caudales

medios entre 0,28 l/s y 4.250 l/s En general el factor debe ser mayor o igual a 1,4. El factor debe calcularse tramo por tramo de acuerdo con el incremento progresivo de la población y el caudal; sin embargo el máximo valor del factor de mayoración debe limitarse, cualquiera que sea la expresión utilizada para su cálculo, de acuerdo con el tamaño de la población servida como se muestra en la Tabla D.3.4 Máximo Factor de Mayoración de Acuerdo con la Población Servida.

Población servida en número de habitantes Factor de mayoración máximo

< 20.000 3,00

20.000 – 50.000 2,50

50.001 – 750.000 2,25

750.000 2,00

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9. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

Primero se determinaron las condiciones hidráulicas del colector a tubo lleno, y luego a partir de estas se procede a estimar las relaciones hidráulicas para el caudal de diseño del tramo, las cuales permiten verificar las velocidades permisibles y las condiciones mínimas de esfuerzo cortante en el mismo.

Los análisis hidráulicos se efectuaron para tuberías plásticas o de PVC ya que ofrecen una gran hermeticidad; las uniones de cada tramo de tubería deben hacerse con hidrosellos de caucho, siguiendo las recomendaciones de los fabricantes. Se realizó el análisis hidráulico de las redes de recolección revisando el cumplimiento de los requerimientos que garanticen el adecuado funcionamiento.

Distancia mínima a otras redes:

La distancia mínima a otras redes de servicios será de 1.0 m horizontalmente y 0.30 m verticalmente, distancia medida entre la parte externa de las tuberías.

Localización de las tuberías:

El trazado de la red de colectores debe seguir la disposición topográfica y geométrica de las calles de la zona del proyecto. Las tuberías del alcantarillado sanitario y del acueducto deberán estar localizadas en costados opuestos de la calzada de la vía. La cota clave de cualquier sistema de alcantarillado debe estar por debajo de la cota batea de la tubería de acueducto por lo menos a una distancia vertical mínima de 0.3m y una horizontal mínima de 1.0m. El cruce de tuberías debe estudiarse cuidadosamente, y en caso de poder cumplir con la distancia vertical mínima, se debe proteger adecuadamente la red de acueducto.

Cámaras, manholes o pozos de inspección

Son estructuras en las que se realiza la unión de tramos de la red de alcantarillado, permiten el cambio de dirección en el alineamiento horizontal o vertical, al cambio de diámetro o sección y las labores de inspección, limpieza y mantenimiento general del sistema. La distancia máxima permitida entre pozos es del orden de los 100 a 120m.

Cámara de caída

Son utilizadas para realizar la unión de colectores en alcantarillados de alta pendiente, para evitar tener velocidades por encima de la máxima permitida y la posible erosión de la tubería. Se diseñaran en los casos en los que existen una diferencia de altura de 0.75m o más entre el fondo del pozo y la batea de la tubería de entrada. La unión se realiza a través de una bajante ubicada antes (cámara externa) o inmediatamente después (cámara interna) de la llegada al

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cilindro. ANALISIS HIDRAULICO El cálculo hidráulico de las redes sanitarias del emisario final se efectuó para tubería Sanitaria PVC, con base en la ecuación de Manning, la cual se expresa a continuación:

Q = A R2/3 S1/2 / n

Donde: Q = Caudal en m3 /segundo A = Área del flujo en m2

R = Radio hidráulico en metros S = Pendiente hidráulica en m/m. n = Coeficiente de rugosidad de Manning. Para PVC n = 0.009 Con ayuda de la hoja electrónica, se configuró la tabla de cálculo que se presenta en el Anexo 5 para las redes descritas anteriormente El cálculo hidráulico se realizó considerando flujo uniforme. Para garantizar flujo libre, se tuvo en cuenta como criterios de diseño una profundidad del agua y una relación de llenado menor o igual al 85% (Y/d y q/Q respectivamente), así como evitar que el número de Froude se encuentre entre 0.9-1.1, con lo cual se garantiza que para las condiciones del caudal de diseño no se presente flujo en transición o flujo inestable.

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