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8/20/2019 Curso Estruturas Hidráulicas Introducción
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ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS
FACULTAD DE INGENIERIAIng. Esp. M.I.R.H Harry Alejandro Pineda Padilla
Programa Ingeniería CivilUniversidad Tecnológica de Choco
Abril de 2015
8/20/2019 Curso Estruturas Hidráulicas Introducción
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1. INTRODUCCIÓN A LASESTRUCTURAS HIDRÁULICAS
El ingenio humano ha permitido que los hombres puedan vivlejos de los cauces naturales llevando el agua desde ellos a loscentros de consumo. Esta independencia creciente del lugar deconsumo respecto a la fuente, conseguida gracias alavancetécnico de las estructuras hidráulicas y demás obras deconducción del agua, es la que ha permitido la extensióngeográfica y el desarrollo de la humanidad.
Las estructura hidráulicas son las obras de ingeniería necesariapara lograr elaprovechamiento de los recursos hídricos ycontrolar su acción destructiva. Trabajan en la mayoría de locasos en combinación con elementos y equipos mecánicos. Sconstruyen en beneficio del hombre y el desarrollo de lahumanidad.
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Según su objetivo funcional:1. Obras para suministro de agua.
Abastecimientos a poblaciones e industrias.Regadíos.
Mantenimiento de la capa freática. El agua utilizada puede sersuperficial o subterránea.
2. Obras que la utilizan como elemento pesante.Saltos de agua, en todas sus variedades (uso energético)Obras para navegación.
3. Obras de defensa.Embalses amortiguadores de crecidas.Corrección y protección de cauces naturales.
4. Obras de drenaje.
Canales, Canaletas, Culverts, Transiciones, Colectores.
1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
TIPO DE ESTRUCTURAS
HIDRÁULICAS
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Para lograr cualquiera de las finalidades citadas no suele bastar una solaobra, siendo necesario un conjunto de ellas diferenciadas por la misiónque han de cumplir y que son las siguientes:
1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
TIPO DE ESTRUCTURAS
HIDRÁULICAS
Unapresa o di
que que sirve para elevar el nivel natural del agua enel río al objeto de poder desviarla hacia un cauce artificial. Esta presasuele servir también para crear un embalse que retiene lasaportaciones sobrantes en ciertas épocas, guardándolas para las deescasez.
Una serie deconducciones que sirven para transportarla por estoscauces artificiales hasta el lugar de su utilización.Una instalación para su uso: red de abastecimiento, centralhidroeléctrica, red de riego, etc.; parte de esta instalación consistiráen obras y otra en maquinaria específica para ese uso (bombas,turbinas, aparatos para riegos, depuración, etc.)
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EmbalsePresa
Captación
Tratamiento
Conducción
Distribución
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Presas de embalse con sus obras accesorias de desviación, captación yvertimiento de excesos.Presas de derivación y sus correspondientes obras de desviación y de
captación.Conductos a superficie libre.Conductos a presión.Obras de protección contra inundaciones.
Obras de protección por ataques de ríos o quebradas contra susmárgenes, o contra estribos y pilas de puentes.Obras de encauzamiento de corrientes naturales.Puertos y obras de protección de playas.Instalaciones para explotación de aguas subterráneas.
1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
TIPO DE ESTRUCTURAS
HIDRÁULICAS
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PRIORIDAD DE USO DEL RECURSO
HÍDRICO1. Agua Potable2. Uso Agrícola
3. Uso Energético4. Uso Industrial y otros
1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
El agua es vital para todos los procesos de la supervivencia y eldesarrollo. De allí la importancia de las estructuras hidráulicas, qucorrectamente proyectadas, diseñadas y construidas permiten el mejoraprovechamiento de los recursos hídricos poniéndolos en función de lanecesidades del hombre y su entorno.
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USOS DE UNA ESTRUCTURA
HIDRÁULICA Al proyectar una obra hidráulica se debe buscar en lo posible queutilización sea de uso múltiple para beneficiar varios sectores deeconomía, entre los cuales están:
1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
1. Hidroenergía : utilización de la energía de las aguas fluvialesmarítimas.
2. Transporte acuático: utilización de las aguas fluviales, de lagosmares para la navegación y flotación de madera.
3. Mejoramiento hídrico : utilización de aguas para irrigación de tierraspara la extracción de aguas excesivas de tierras sobresaturadas.
4. Suministro de agua para el consumo humano5. Control de avenidas e inundaciones6. Recreación7. Drenaje y control en vías8. Control de contaminación ambiental-Drenaje Urbano
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Estructuras de contención.
Mantienen un desnivel entre aguas arriba y aguas abajo. Son en genepresas que interceptan la corriente de los ríos en los cañones o val
fluviales elevando el nivel de aguas arriba y generando un embalse envaso topográfico natural.
Estructuras de regulación.
Deben controlar la acción erosiva de las corrientes en el fondo y orilla dcauces.. Las estructuras reguladoras no crean como regla general embalsino que actúan sobre la dirección y la magnitud de las velocidades de fluPueden pertenecer a este grupo los diques, las baterías de espolones, lazudes, etc. Además de su función protectora pueden garantizar lprofundidades y condiciones necesarias para navegación y flotaciónmaderas, crear condiciones para captación de aguas en los ríos, ganar tieral mar, etc.
1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
Clasificación de las estructuras hidráulicas
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Estructuras de conducción del agua.Transportan el agua de un punto a otro, o unendos fuentes de caudales.
1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
Clasificación de las estructuras hidráulicas
Canales: cauces artificiales hechos en el terreno superficial yfuncionando por gravedad.Tuberías: conducciones que funcionan a flujo libre o apresión. Su construcción implica la desmantelación de lascapas superiores del terreno y son preferibles a un canal entopografías difíciles o con vegetación tupida.Túneles: conducciones que funcionan a flujo libre o a presión.No producen el desmantelamiento de las capas superiores delterreno y se usan en topografías de alta montaña.
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Estructuras de evacuación de aguas de exceso
1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
Clasificación de las estructuras hidráulicas
Son los vertederos, rebosaderos o aliviaderos que sirven paraevacuar el agua sobrante en forma controlada durante épocas decreciente. En algunos casos estas estructuras se construyen en elcuerpo de la presa y en otras separadamente.
Obras de toma de agua
Captan el agua para conducirla al sitio de consumo.
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Estructuras de Drenaje Especiales en vías
1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
Clasificación de las estructuras hidráulicas
Son las estructuras encargas del control y manejo de las aguaslluvias sobre los taludes viales, el control y manejo deencausamiento de cursos de agua que cruzan las vías, control deaguas lluvias a lo largo de las vías.
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Obras de disipación de la energía del agua.
1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
Clasificación de las estructuras hidráulicas
Tienen por fin amortiguar el poder erosivo del agua evitando suacción destructora. Pueden ser las canaletas amortiguadoras,salto de trampolín sumergido, salto de squi, bafles, etc.
Estructuras hidráulicas especialesSirven a uno o varios sectores de la economía hidráulica pero no a todoEstán aquí incluidos los edificios de centrales hidroeléctricas, pozoscarga, almenaras, esclusas navegables, elevadores de arcos, muelles,sedimentadores, redes de distribución para riego o drenaje, colectoresestaciones de bombeo, plantas de tratamiento, pasos para peces, etc.
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1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
Clasificación de las estructuras hidráulicas
Estructuras principales, auxiliares o temporales
Estructuras principalesGarantizan el trabajo normal del nudo hidráulico para cumplir con lafunción para la cual fue proyectado: presa, vertedero, bocatoma,disipador de energía.
Estructuras auxiliaresSon necesarias para realizar la operación de las principales. A estascorresponden los campamentos, talleres, vías terrestres, acueductos,iluminación, telecomunicaciones, etc.
Estructuras temporalesNecesarias mientras se construyen las principales: son las ataguías yconducciones de desvío.
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1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
Clasificación de las estructuras hidráulicas
Según su localización en el sistema fluvialEstructuras en el curso altoGeneran por lo regular cargas o presiones altas, donde la altura sobrepasa losmetros. Se dan en cañones estrechos, con buenas cimentaciones; las presas sorígidas; altas y esbeltas, y los embalses pequeños y profundos.
Estructuras en el curso medioGeneran cargas o alturas de presión medias con alturas desde 8 a 40 metros. Los rcorresponden a zonas meándricas y entrenzadas, con cañones ampliossedimentación en los cauces. Los embalses son medianos y grandes, las subpresioson apreciables. Las presas son por lo regular de gravedad y de tipo flexible.
Estructuras de cauce bajoEn ellas el nivel normal de contención no sobrepasa los 8 metros. Las presas sontipo rígido en concreto reforzado; las subpresiones son altas, los vertederos vincorporados a la estructura principal de contención, losvalles son aluviales y bastante amplios.
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VIABILIDAD DEL PLANEAMIENTO URBANO
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
1-Determinante en la capacidad ambiental para los asentamientos.
2-Determinante para la determinación de la disponibilidad de los servicios públicos básicos.
3-Requisito para la concesión de licencias de construcción.
Sistema Abastecimiento
Capacidad Ambiental deSuministro
Demanda de AguaPoblacional
PLANEAMIENTO DE PROYECTOS
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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MEJORA DE LA COMPETITIVDAD DE UNA SOCIEDAD –INCREMENTO DELAS CONDICIONES ECONÓMICAS
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
Sistema
Abastecimiento
Demanda de Agua
Poblacional
Demanda propia de la población
Demanda Industrial- Comercial
PLANEAMIENTO DE PROYECTOS
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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VALORACIÓN ECONÓMICA DE LAS CONDICIONES CON SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
Sistema
Abastecimiento
Ahorro en costos detratamiento de
Enfermedades hídricas
Control de la capacidadHídrica Ambiental
Ingresos por efecto de lacapacidad Industrial
Municipio
PLANEAMIENTO DE PROYECTOS
1 I d ió l E Hid á li
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1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
ETAPAS DE DESARROLLOHIDRÁULICOTeóricamente, cabe considerar tres fases en el desarrollo hidráulico de u
región o país:• Desarrollo inconexo o “de oportunidad” . Es el período durante el
cual se considera hay agua sobrada para las necesidades y ello condua no cuidar su utilización: se toma simplemente de donde más conviensin pensar si perjudicará o no a otros posibles usos más adelante.
• Desarrollo integral. El agua ya no es sobrada para las necesidades yello obliga a prever y ordenar su uso óptimo. Las cuencas hidrográfise usan como conjunto y se proyectan las obras de forma que sobtengan usos variados y con la mejor utilización total..
• Etapa de superaprovechamiento. Cuando se sobrepasa la utilizaciónde alrededor del 80% de los recursos naturales, es preciso extremar aúmás la ordenación del uso del agua y la coordinación entre recursosusos, porque nos aproximamos al límite de posibilidades. Para ello
reforman las obras y se extrema el cuidado al usar el agua.
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1. Cálculo del costo del embalse para varias alturas del llenado.2. Cálculo del costo del beneficio que se puede obtener al
garantizar una demanda para varias alturas de llenado.3. Cálculo del beneficio neto.4. Selección del proyecto con mayores beneficios, considerando
si es necesario y posible, otros factores como el social y elecológico.
Al hacer una optimización de este tipo, se comprueba que el río sinproyecto puede proporcionar algún tipo de beneficio y por otro lado, quse llega un momento en que un incremento en la altura de la presa nosignifica un incremento en el beneficio neto. Esto se explica por el hechde que no se puede extraer del río mas allá de los aportes que suministra
en un período determinado.
ETAPAS DE DESARROLLO HIDRÁULICProcedimiento general para la planeación de un
Proyecto Multipropósito
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Procedimiento general para la planeación de un
Proyecto Multipropósito-Análisis basado enRiesgos
ETAPAS DE DESARROLLO HIDRÁULIC
1. El análisis basado en riesgo determina el tamaño de unaestructura hidráulica basado en el nivel de riesgo que puedegenerar para la sociedad el fallo de la misma.
2. Se debe estimar el tamaño óptimo que implique un nivel deconfiabilidad del sistema y un nivel económico de construcció
y mantenimiento.
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Procedimiento general para la planeación de un
Proyecto Multipropósito-Análisis basado enRiesgos
ETAPAS DE DESARROLLO HIDRÁULIC
Tamaño
Costos
COSTOS ASOCIADOS AL RIESGO DE FALLA
COSTOS INVERSIÓN- OPERACIÓN
Esquema de determinación de tamaños óptimosbasados en Análisis de Riesgo
COSTOTOTAL
TAMAÑO ÓPTIMO
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Procedimiento general para la planeación de un
Proyecto Multipropósito
ETAPAS DE DESARROLLO HIDRÁULIC
Estimación CostosInversión
Estimación CostosOperación año i
Estimación IngresosOperación año i
Determinación VPNCostos e Ingresosaños N
Determinaciónmayor VPN por
proyecto
Determinaciónproyecto
1 I t d ió l E t t Hid á li
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ESTUDIOS GENERALES PARA ELDISEÑO
Análisis de las necesidades en agua-DemandaEsquema director de acondicionamiento de lascuencasInventario y comparación económica de zonas depresasEstudios de factibilidad
Estudios de impacto y de ambienteEstudios geológicos y hidrogeológicos
Análisis económico
1. Introducción a las Estructuras Hidráulicas
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Componentes del Sistema de Abastecimiento
Fuentes de Abastecimiento
Aguas superficiales
Aguas subterraneas
Captación Aducción
Sedimentadores
Conducciones
Planta Tratamiento AguaPotable PTAP
Almacenamientos
Redes Distribución
Bocatomas Filtros
Embalses
Pozos
Expresas
Matrices
Redes Matrices
Redes Menores
Sectorización
(Control Pérdidas)
Estaciones de Bombeo
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
Concepto de Diseño según Norma ISO 9000:2000
Se “planea” un proceso ó producto para lo cual se deberá realizar la “revisión”, “verificación” y “validación” del producto de Diseño.
PRODUCTODE DISEÑO
Entradas1-OBJETO DEL DISEÑO 2-PARÁMETROS DEDISEÑO 3-CRITERIOS DE DISEÑO
4-NORMATIVIDAD DEDISEÑO.
5-FUNCIONALIDAD DELDISEÑO
Salidas1-DISEÑO COMO TAL2-VALORES DEFINIDOS ENEL DISEÑO 3-CUMPLIMIENTO DEREQUISITOS Y NORMAS 5-NIVEL DE OPERATIVIDAD
DEL DISEÑO
PROCESO GENERAL DE DISEÑO
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
Concepto de Diseño según Norma ISO 9000:2000
Revisión
Verificación
Validación
PROCESO GENERAL DE DISEÑO
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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S S S S C O O
Criterios Generales de Diseño
Localización del proyecto
Demanda de Agua
Disponibilidad de Abastecimiento
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Criterios Generales de Diseño
Localización del proyecto
Topografía
Climatología
Hidrología
Geología
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Criterios Generales de Diseño
Demanda de Agua
Población y Demanda
Nivel de Complejidad del Proyecto
Entidades Responsables
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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Criterios Generales de Diseño
Disponibilidad de Abastecimiento
Estudio Hidrológico
Relación con las Entidades Ambientales
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Estructura General del Proyecto de Diseño
Estudios Previos Diseños Detallados
Aspectos Legales Aspectos Ambientales
Definición Proyecto
Marco institucional
POT
Construcción Interventoría Operación
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Criterios Generales de Diseño
Estructuración del Proyecto de Diseño
Estudios Previos
Diseños Detallados
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SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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Criterios Generales de Diseño
Estudios Previos
Definición y alcance del Proyecto
Población Afectada
Diagnóstico Sistema Existente
Marco Lega e Institucional
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SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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Criterios Generales de Diseño
Estudios Previos
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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Criterios Generales de Diseño
Estudios Previos
Alternativas para localización del Proyecto
Localización de bocatomas
Trazados de ConduccionesLocalización de PTAP
Análisis inicial Geotécnico-Geológico
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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Criterios Generales de Diseño
Estudios Previos
Predimensionamientos de los Componentes
Estimaciones de la Población
Cálculo de la Demanda de Agua
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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Criterios Generales de Diseño
Estudios Previos
Predimensionamientos de los Componentes
Bocatoma --- Q=100 l/s H=2m
Conducciones ---- L=2.0 Km
PTAP ---- Q=120 l/s V=1000 m3
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Criterios Generales de Diseño
Estudios Previos
Valoración Inicial de Costos de Inversión yOperación
Bocatoma --- Co=K bQ ó Co=KVconcretoConducciones ---- Co=K tf(D)L
PTAP ---- Co=K ptap Q ó Co=KptapVcontacto
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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Criterios Generales de Diseño
Diseños Detallados
Localización detallada de componentes
Estudios Geotécnicos de Capacidad y Estabilidad
Diseños Hidráulicos Detallados-Definiciones de alturas,pérdidas, accesorios, esquemas de operación.
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SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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Proyecciones de Población y Demanda de Agua
T
P
CRECIMIENTOSATURADO
CRECIMIENTO LÍNEAL
CRECIMIENTO EXPONENCIAL
CRECIMIENTOMODERADO
Tipos de crecimiento de la Población
DECRECIMIENTO
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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T
P
Concepto General de la Proyección de la Población
PERÍODO DECALIBRACIÓN
PERÍODO DEPROYECCIÓN
Escenario Alto
Escenario Medio
Escenario Bajo
PERÍODO DEDISEÑO
Proyecciones de Población y Demanda de Agua
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SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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Proyecciones de Población-Métodos
Método Aritmético-Líneal
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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Proyecciones de Población-Métodos
Método Aritmético-Líneal
T
P
PERÍODO DECALIBRACIÓN
PERÍODO DEPROYECCIÓN PERÍODO DEDISEÑO
PROYECCIÓN
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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Proyecciones de Población-Métodos
Método GráficoT
P
PERÍODO DECALIBRACIÓN
PERÍODO DEPROYECCIÓN PERÍODO DE
DISEÑO
POBLACIÓNESTUDIO
POBLACIÓN A
POBLACIÓN B
POBLACIÓN C
PROMEDIO CURVASPROLONGADAS
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Proyecciones de Población-Métodos
Método Geométrico
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Proyecciones de Población-Métodos
Método Geométrico
T
P
PERÍODO DECALIBRACIÓN
PERÍODO DEPROYECCIÓN PERÍODO DEDISEÑO
PROYECCIÓN
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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Proyecciones de Población-Métodos
Método Exponencial
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO Y POTABI
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Proyecciones de Población-Métodos
Método Wappus
)(200
)(200
ci f
ci f ci f T T i
T T i P P
))(()(200
ciucciuc
ciuc
P P T T P P i
0)(200 ci f T T i
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Proyecciones de Población-Métodos
Método con Tasas y Efectos Económicos
Población Total t
Población Total t+1
Migración ij, t Natalidad t Mortalidad t
PIBj t Exportación t Importación t
Pob i t+1
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Consumo de Agua
Dotación Neta Residencial
q. = d neta [L/h/día]Consumo estimado por habitante por día
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Consumo de Agua
q. = d neta [L/h/día]
Estimación mediante la Facturación corriente si se dispone deélla.
Tablas de Facturación Agrupación porEstratos y Usos
Suman Facturaciones Agrupadas
Doti= Fact i /NUsuariosi
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Consumo de Agua
q. = d neta [L/h/día]
Correcciones a la Dotación neta
Tamaño de la Población Por Efecto de la Temperatura
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Consumo de Agua
Correcciones a la Dotación neta-Por pérdidas
3.8 PÉRDIDAS
Rangos
3.8.1 Pérdidas en Aducción (Agua Cruda) < 5% QT
3.8.2 Necesidades Planta Tratamiento 3% - 5% QM
3.8.3 Pérdidas en Conducción (Agua Tratada) < 2% QM
3.8.4 Pérdidas Técnicas Red Distribución ANC=VP-VF
Nivel de complejidad del sistema Porcentajes máximos admisibles de pérdidastécnicas para el cálculo de la dotación bruta
Bajo 40%
Medio 30%
Medio alto 25%
Alto 20%
IANC para estimación de tarifas según Resolución CRA 1975 de 2000 es 30%
B.2.5.5 Pérdidas Comerciales para diseño 7%
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Demanda de Agua
Qmedio=Caudal medio de produccióndbruta =Dotación bruta ajustada por pérdidasp=Población Proyectada (para el período de diseño)
Caudal Medio Diario
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Demanda de Agua
QMdiario= K1 Q medio
Caudal Máximo Diario – Máximo Horario
QMhorario= K2 Q Mdiario
K1 = 1.2 – 1.3
K2 = 1.4 – 1.6
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Demanda de Agua
Caudal Máximo Diario – Máximo Horario
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Demanda de Agua Urbana
Curva de Variación Diaria del Caudal Típica (Bogotá)
[Horas]
PATRÓN CONSUMO
DÍA
0.6
1.5
0.8
0 6 12 24