HIDRAULICA EN MEDIOS POROSOS GRUESOS PARA SISTEMAS DE DRENAJE Y FLOCULACION

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1 HIDRAULICA EN MEDIOS POROSOS GRUESOS PARA SISTEMAS DE DRENAJE Y FLOCULACION NOMBRE: Marcelo Muñoz Rodríguez (*) Ingenero Cvl, especalzacón Hdráulca, Escuela Poltécnca naconal, Quto Ecuador, Especalzacón Santara, Unversdad de Sao Paulo Brasl, Maestría en Salud Públca, Unversdad de Sao Paulo Brasl, Profesor de Pregrado y Postgrado en Ingenería Cvl e Ingenería Ambental, Escuela Poltécnca Naconal, Quto Ecuador. Jefe del Departamento de Medo Ambente, Escuela Poltécnca Naconal, Quto Ecuador. Ladrón de Guevara E Quto - Ecuador, Telf: , Fax: , e-mal: mmunoz@server.epn.edu.ec NOMBRE: César Rodríguez Ingenero Consultor en Ingenería Santara y Ambental. RESUMEN Se establece la factbldad de utlzar lechos granulares gruesos como drenes o undades de floculacón, se ensayaron tres grupos de lechos gruesos consttudos por grava de ¾ a 1, 1 a ½ y 1½ a 2. Con los datos recoplados se determnaron las respectvas ecuacones del comportamento b hdráulco V = a *, por otro lado los gradentes hdráulcos expermentales fueron entre 70 s -1 y 20 s -1 obtenéndose efcencas en la floculacón entre el 60% y 90% en térmnos de remocón de turbedad. PALABRAS CLAVES: Agua, Drenaje, Potablzacón, Floculacón. INTRODUCCION El drenaje de aguas lmpas o contamnadas por medo de lechos granulares gruesos (grava) es un fenómeno hdráulco frecuente en la ngenería. Por otro lado se ha observado que los lechos granulares gruesos pueden ser aprovechados como undades de floculacón en sstemas de Potablzacón, especalmente por el cambo gradual del gradente de velocdad. Para la aplcacón de lechos granulares gruesos en los fenómenos antes menconados es necesaro conocer el comportamento hdráulco del flujo del agua en los msmos. OBJETIVO Con el propósto de dseño para estos lechos granulares para drenaje es necesaro establecer la relacón entre velocdad del flujo y gradente hdráulco en funcón del tamaño de la grava. En cuanto a la floculacón es necesaro establecer así msmo en funcón del tamaño de la grava, la relacón entre velocdad, gradente hdráulco, gradente de velocdad y tempo de retencón con la respectva efcenca del reactor.

2 METODOLOGIA MODELO DE LABORATORIO Para llevar a cabo esta nvestgacón se construyó un modelo de laboratoro consstente en un canal horzontal de 0.50 m. de ancho por 7.42 m. de longtud, una de las paredes laterales se construyó un materal transparente (plexglas). Este canal se relleno con materal granular hasta una altura de 0.40 m. en una longtud de m. con grava de ¾ a 1, 1 a ½ y 1½ a 2 ; para las tres pruebas respectvamente, se utlzó grava que se comercalza en cantera. Para cada grupo se expermentaron varos caudales, los msmos que fueron controlados por un vertedero trangular de 60 al nco y una compuerta al fnal del canal, para los varos caudales se montoreo la pérdda de carga en los varos tramos del lecho granular por medo de pezómetros, los detalles de la nstalacón se pueden observar en la Fgura No. 1. MATERIAL GRANULAR El materal utlzado fue grava de cantera, la msma que se paso por los tamces ASTM de 2, 1½, 1 y ¾, conformándose los tres grupos de materal granular, Grupo 1 materal que pasa tamz 1 y se retene en tamz ¾, Grupo 2 materal que pasa tamz 1½ y se retene en tamz 1 y Grupo 3 materal que pasa tamz 2 y se retene en tamz 1½. Por otro lado a los 3 grupos de materal clasfcado se determna el coefcente de unformdad, esfercdad y porosdad del lecho. Tabla No. 1. TABLA NO. 1: Característcas del lecho granular. GRUPO NO. 1 ¾ 1 GRUPO NO ½ GRUPO NO. 3 1½ 2 Coefcente de Unformdad (Co) Esfercdad (ψ) Porosdad (η) D cm cm cm.

3 PRUEBAS HIDRAULICAS Las pruebas hdráulcas se realzaron para cada grupo de grava. Para la grava de ¾ a 1 se ensayo con caudales entre 0.56 l/s a 4.50 l/s. Para la grava de 1 a 1½ se ensayo con caudales entre 0.56 l/s a 5.10 l/s. Para la grava de 1½ a 2 se ensayo con caudales entre 0.56 l/s a 6.10 l/s. Para cada caudal se regstro las respectvas pérddas de carga para varas condcones de nvel de agua a la salda del lecho granular y cuando las condcones de flujo eran estables, el nvel fue controlado por medo de una compuerta localzada al fnal del canal. La línea pezométrca se mantene abajo de la superfce superor del lecho granular. Las perddas de carga se mderon a m. y m. desde el nco del lecho granular, el msmo que tene m. de longtud total, se observo que los tramos menconados presentaron datos consstentes. Con los datos obtendos para cada prueba y para cada grupo de materal se determnaron: h Gradente Hdráulco (): =, donde h = dferenca de nvel entre cada tramo de 100 cm. ; L L = longtud del tramo de 100 cm. Velocdad Meda (V) en cm/s.: La velocdad meda se determna tomando como área de escurrmento el valor medo entre la seccón anteror y posteror de cada tramo con los Q respectvos caudales. V = A Velocdad en Poros (v) en cm/s.: La velocdad en poros se determnó consderando la V porosdad (η) de los grupos de grava. v = η Gradente de Velocdad (G) en seg -1 : Los ensayos se realzaron con temperatura del agua a 15 C. (Vscosdad Dnámca µ = 1.16*10-5 gr-s/cm 2. γ G = * v * ; G = * v * (seg -1 ) µ Número de Reynols (Re) V * D Se aplca la ecuacón: Re = G * γ *(1 η) Donde, V = velocdad meda de la seccón (cm/s). D = dámetro equvalente = ψ*d 50 (cm). ψ = Coefcente de esfercdad. d 50 = Dámetro 50% (cm). γ = Vscosdad Cnemátca a 15 C = cm 2 /s. η = Porosdad. Con los valores de V e se realzaron las correlacones respectvas obtenéndose el mayor ajuste b V a la ecuacón del tpo V = a * y v =. Los resultados se observan en la Tabla No. 2 y η Fguras No. 2 y 3. TABLA NO. 2: Relacón entre V e y v e. Grupo No. 1 (¾ 1 ) V = 16.00* Grupo No. 2 (1 1½ ) V = 14.67* Grupo No. 3 (1½ 2 ) V = 15.71* v = * v = 31.89* v = 34.91*

4 4.50 Velocdad de Descarga (V) en cm/s V = * 0.51 V = * V = * FIGURA NO. 2: Relacón entre V e. Gradente Hdráulco () Velocdad de Fltracón (v) en cm/s v = 34,91 * 0,51 v = 31,89 * 0,546 v = 38,095 * 0, Gradente Hdráulco () FIGURA NO. 3: Relacón entre v e. Además se determnaron las sguentes relacones descrtas en la Tabla No.3. y Fguras No. 4, 5 y 6.

5 TABLA NO. 3: Relacón entre V-G, v-g e -G. Grupo No. 1 (¾ 1 ) Grupo No. 2 (1 1½ ) Grupo No. 3 (1½ 2 ) V-G v-g -G V = 4.85* v = 0.115* G = 1*10 5 V = V = 10.20* * v = 0.17 v = = = * *10 El número de Reynols es funcón de la velocdad meda y presenta valores entre 20 y Velocdad de Descarga (v) en cm/s V = 10,20 * ,675 V = 7,81 * ,706 V = 4,85 * , Gradente de Velocdad (G) en l/s FIGURA NO. 4: Relacón entre V y G Velocdad de Fltracón (v) en cm/s v = 0,227 0,675 v = 0,17 0,706 v = 0,115 0, Gradente de Velocdad (G) en l/s FIGURA NO. 5: Relacón entre v y G.

6 Gradente Hdraulco () = 10,00 * ,227 = 6,85 * , = 5,134 * , FIGURA NO. 6: Relacón entre y G. PRUEBAS DE FLOCULACION Gradente de Velocdad (G) en l/s Los lechos granulares se utlzaron para realzar las pruebas de floculacón con gradentes de velocdad entorno de 20, 50 y 70 seg -1, como coagulante se utlzó sulfato de alumno el que fue almentado a una undad preva de mezcla rápda. Se realzó muestreo al nco, m., m. y al fnal del lecho granular, como parámetro de control se utlzó la turbedad, los resultados se presentan en la Tabla No. 4. TABLA NO. 4: Resultados de las pruebas de floculacón. GRUPO Q (l/s) I V (cm/s) v cm/s) Re G (seg -1 ) θ H (seg) Ef. % (turbedad) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El materal granular utlzado es fáclmente consegudo en canteras locales. Es necesaro realzar el tamzado para consegur en adecuado coefcente de unformdad.

7 El flujo en los lechos granulares expermentados (grava de ¾ a 2 ), presentan Re < 500 (flujo en b transcón), entre 5 a 0.07 y se ajusta a la ecuacón V = a *, como se ha ndcado anterormente. La floculacón en medos porosos es factble. La efcenca de la floculacón es mayor mentras menor es el dámetro del lecho granular y con gradentes de velocdad entorno de 20 seg -1. El tempo de retencón es relatvamente pequeño, alrededor de 247 seg. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Baber L.D., Gardner W.H., Gardner N.R. (1973) Físca de suelos, EDIT. UTEHA. Benítez Alberto (1972) Captacón de aguas subterráneas, EDIT. DOSSAT, Madrd. Hernan Bouwer (1978) Groundwater hdrology, EDIT. MC GRAW-HILL. Azevedo Neto Martnano (2002) Manual de hdráulca, EDIT. EDGAR BLUCHER LTDA. Sao Paulo. Muñóz Rodríguez Marcelo (2003) Defcenca de floculadotes hdráulcos, ESCUELA POLITECNICA NACIONAL, Ecuador.