FASE II. Estudios, Diseños y Fortalecimiento de capacidades

PROYECTO AGUA Y SANEAMIENTO INTEGRAL RURAL ASIR-SABA FASE II. Estudios, Diseños y Fortalecimiento de capacidades INVESTIGACIÓN E INTERVENCIÓN PARA EL FORTALECIMIENTO DE CAPACIDADES EN AGUA SANEAMIENTO RURAL PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA PAZ. Construcción del sistema de tratamiento de agua potable, redes de abastecimiento y soluciones individuales de saneamiento para la vereda Culebras del municipio de Trujillo. MEMORIA DE DIMENSIONAMIENTO HIDRAULICO SISTEMA DE ABASTECIMIENTO Y POTABILIZACION DE AGUA PARA LA VEREDA CULEBRAS, MUNICIPIO DE TRUJILLO, DEPARTAMENTO DEL VALLE DEL CAUCA Santiago de Cali, Junio de 2016

TABLA DE CONTENIDO 1. ESTRUCTURA DE CAPTACIÓN... 1 1.1. DIMENSIONAMIENTO DIQUE... Error! Marcador no definido. 1.2. ÁREA DE CAPTACIÓN... Error! Marcador no definido. 1.3. PERDIDAS MENORES EN LA REJILLA... Error! Marcador no definido. 1.4. CANAL DE ADUCCIÓN... Error! Marcador no definido. 1.5. VERTEDERO DE EXCESOS... Error! Marcador no definido. 2. ADUCCIÓN BOCATOMA DESARENADOR... 5 3. DESARENADOR... 7 3.1. VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN Y RÉGIMEN DE FLUJO... 7 3.2. ZONA DE SEDIMENTACIÓN... 8 3.3. CHEQUEO VELOCIDAD DE ARRASTRE Y HORIZONTAL... 9 3.4. PANTALLA PERFORADA... 9 3.5. ZONA DE ENTRADA... 10 3.6. VERTEDERO DE EXCESOS... 10 3.7. ZONA DE SALIDA... 11 3.8. ZONA ALMACENAMIENTO DE ARENA... 11 3.9. TUBERÍA DE DESAGÜE... 12 4. ADUCCIÓN DESARENADOR PLANTA DE POTABILIZACIÓN... 13 5. FILTRO GRUESO DINÁMICO... 15 5.1. VERTEDERO DE EXCESOS... 15 5.2. ZONA DE FILTRACIÓN... 16 5.3. VERTEDERO DE ENTRADA... 16 5.4. CARACTERÍSTICAS DEL LECHO FILTRANTE... 17 5.5. MÚLTIPLE RECOLECTOR... 17 5.6. VERTEDERO DE EXCESOS... 18 5.7. CÁMARA DE LAVADO DE GRAVAS... 18 5.8. PERDIDAS DE CARGA... 18 5.7.1. Perdidas de carga por paso en los medios filtrantes... 18 5.7.2. Perdidas de carga por descarga del orificio al lateral... 19 SISTEMA DE ABASTECIMIENTO Y POTABILIZACION PARA LA VEREDA CULEBRAS MUNICIPIO DE TRUJILLO VALLE DEL CAUCA 2

5.7.3. Pérdidas de carga en el lateral... 19 5.7.4. Perdidas de carga por descarga del lateral al principal... 19 5.7.5. Pérdidas de carga en el principal... 20 5.7.6. Pérdidas de carga por accesorios o menores... 20 5.7.7. Resumen de pérdidas de carga... 21 6. FILTRO GRUESO ASCENDENTE EN CAPAS... 22 6.1. VERTEDERO DE EXCESOS... 22 6.2. VERTEDERO DE ENTRADA... 23 6.3. ZONA DE FILTRACIÓN... 23 6.4. CARACTERÍSTICAS DEL LECHO FILTRANTE... 24 6.5. MÚLTIPLE DIFUSOR RECOLECTOR... 24 6.6. DISPOSITIVO LAVADO SUPERFICIAL Y REBOSE... 24 6.7. PERDIDAS DE CARGA... 25 6.7.1. Perdidas de carga por paso en los medios filtrantes... 25 6.7.2. Perdidas de carga por descarga del orificio al lateral... 25 6.7.3. Pérdidas de carga en el lateral... 26 6.7.4. Perdidas de carga por descarga del lateral al principal... 26 6.7.5. Pérdidas de carga en el principal... 27 6.7.6. Pérdidas de carga por accesorios o menores... 27 6.7.7. Resumen de pérdidas de carga... 28 7. FILTRO LENTO EN ARENA... 29 7.1. VERTEDERO DE EXCESOS... 29 7.2. VERTEDERO DE ENTRADA... 30 7.3. ZONA DE FILTRACIÓN... 30 7.4. CARACTERÍSTICAS DEL LECHO FILTRANTE... 31 7.5. SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUA FILTRADA... 31 7.6. PERDIDAS DE CARGA... 32 7.6.1. Perdidas de carga por paso en los medios filtrantes... 32 7.6.2. Perdidas de carga por descarga del orificio al lateral... 33 7.6.3. Pérdidas de carga en el lateral... 33 SISTEMA DE ABASTECIMIENTO Y POTABILIZACION PARA LA VEREDA CULEBRAS MUNICIPIO DE TRUJILLO VALLE DEL CAUCA 3

7.6.4. Perdidas de carga por descarga del lateral al principal... 34 7.6.5. Pérdidas de carga en el principal... 34 7.6.6. Pérdidas de carga por accesorios o menores... 34 7.6.7. Resumen de pérdidas de carga... 35 7.7. CÁMARA LAVADO DE ARENA... 35 8. CÁMARA DE CONTACTO DE CLORO... 36 9. TANQUE DE ALMACENAMIENTO... 38 9.1. VOLUMEN DE COMPENSACIÓN... 38 9.2. TIEMPO Y CAUDAL DE VACIADO... 39 10. LECHOS DE SECADO... 40 11. RED DE DISTRIBUCIÓN... 41 11.1. CONDICIONES EVALUADAS... 41 11.2. DATOS DE CALIBRACIÓN DEL MODELO... 42 11.3. DISTRIBUCIÓN DE DEMANDAS EN LOS NODOS... 43 11.4. VÁLVULAS DE VENTOSA... 46 11.5. VÁLVULAS DE PURGA... 46 11.6. VÁLVULAS DE CORTE O CIERRE... 47 11.7. VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESIÓN... 47 11.8. GOLPE DE ARIETE... 49 11.9. RESULTADOS OBTENIDOS... 49 11.9.1. Análisis resultados ramal principal... 49 11.9.2. Análisis resultados ramal secundario 1... 50 11.9.3. Análisis resultados ramal secundario 2... 50 11.9.4. Análisis resultados ramal secundario 3... 51 12. DRENAJE UNIDADES DE TRATAMIENTO... 52 ANEXO A. DATOS DE CALIBRACIÓN PARA MODELACIÓN DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN... 54 ANEXO B. RESULTADOS MODELACIÓN HIDRÁULICA RED DE DISTRIBUCIÓN... 55 SISTEMA DE ABASTECIMIENTO Y POTABILIZACION PARA LA VEREDA CULEBRAS MUNICIPIO DE TRUJILLO VALLE DEL CAUCA 4

Tabla 1.1. Tabla 1.2. Tabla 1.3. AGUA Y SANEAMIENTO INTEGRAL RURAL ASIR SABA INDICE DE TABLAS Valores y recomendación de diseño... Error! Marcador no definido. Resultados obtenidos dimensionamiento dique... Error! Marcador no definido. Resultados sección transversal canal de aducción... Error! Marcador no definido. Tabla 2.1. Valores y recomendación de diseño... 5 Tabla 2.2. Relación de accesorios y valores de Km empleados para la línea de aducción desarenador planta de potabilización... 6 Tabla 3.1. Valores y recomendación de diseño... 7 Tabla 4.1. Valores y recomendación de diseño... 13 Tabla 4.2. Relación de accesorios y valores de Km empleados para la línea de aducción desarenador planta de potabilización... 14 Tabla 5.1. Valores y recomendación de diseño... 15 Tabla 5.2. Características del lecho filtrante de los filtros gruesos dinámicos FGDi.... 17 Tabla 5.3. Detalle perdidas por accesorios o menores para la condición de lavado del filtro grueso dinámico... 21 Tabla 5.4. Detalle perdidas por accesorios o menores para la condición de operación normal del filtro grueso dinámico... 21 Tabla 6.1. Valores y recomendación de diseño del filtro grueso ascendente en capas... 22 Tabla 6.2. Valores para altura de la lámina de agua en el vertedero triangular de 30º... 23 Tabla 6.3. Características del lecho filtrante de los filtros gruesos ascendentes en capas.... 24 Tabla 6.4. Detalle perdidas por accesorios o menores para la condición de lavado del filtro grueso ascendente en capas... 27 Tabla 6.5. Detalle perdidas por accesorios o menores para la condición de operación normal del filtro grueso ascendente en capas.... 27 Tabla 7.1. Valores y recomendación de diseño del filtro lento en arena... 29 Tabla 7.2. Valores para altura de la lámina de agua en el vertedero triangular de 30º... 30 Tabla 7.3. Características del lecho filtrante de los filtros gruesos ascendentes en capas.... 31 Tabla 7.4. Detalle perdidas por accesorios o menores para la condición de operación en el filtro lento en arena... 35 Tabla 9.1. Parámetros y valores empleados para el dimensionamiento del tanque de almacenamiento... 38 Tabla 10.1. Unidades que generan efluentes que serán conducidos hacia los lechos de secado y volúmenes esperados... 40 SISTEMA DE ABASTECIMIENTO Y POTABILIZACION PARA LA VEREDA CULEBRAS MUNICIPIO DE TRUJILLO VALLE DEL CAUCA 5

Tabla 11.1. Valores y parámetro empleados para el predimensionamiento de la red de distribución 41 Tabla 11.2. Datos de calibración modelación red de distribución... 42 Tabla 11.3. Información técnica de la tubería empleada... 43 Tabla 11.4. Detalle cálculo de coeficientes de perdidas locales o menores.... 43 Tabla 11.5. Cargas unitarias empleadas para la modelación hidráulica de la red de distribución 44 Tabla 11.6. Nodos con asignación de cargas unitarias para la modelación de la red de distribución 44 Tabla 11.7. Valores recomendados de Z para válvulas reguladoras de presión... 48 Tabla 11.8. Resultados reportados elementos modelación hidráulica red de distribución.... 49 Tabla 12.1. Chequeo tramos desagüe interno estructuras planta de potabilización con descarga hacia lechos de secado... 52 Tabla 12.2. Chequeo tramos desagüe interno estructuras planta de potabilización con descarga hacia quebrada Pueblo Nuevo... 53 SISTEMA DE ABASTECIMIENTO Y POTABILIZACION PARA LA VEREDA CULEBRAS MUNICIPIO DE TRUJILLO VALLE DEL CAUCA 6

1. ESTRUCTURA DE CAPTACIÓN La estructura de captación dimensionada para la vereda Culebras será tipo toma de fondo con rejilla, la fuente de abastecimiento seleccionada corresponde a la quebrada Pueblo. A continuación en la Error! No se encuentra el origen de la referencia. se presentan los valores y parámetro de diseño empleados. Tabla 1.1. Valores y recomendación de diseño Variable Unidades Rango o valor recomendado Valor adoptado Periodo de diseño años 25 25 Capacidad de diseño l/s 2 x QMD 4.86 Inclinación de la rejilla % 10 a 20 10 Separación entre barrotes mm 20 a 50 20 Velocidad de paso en la rejilla m/s 0.15 0.37 [*] Diámetro de barras pulgadas - ½ Factor de forma para rejilla - 0.76 a 2.42 2.42 Fuente: RAS 2010. QMD: Caudal máximo diario al horizonte de diseño. [*] Para obtener valores acorde con las recomendaciones de diseño se debería proyectar una presa de ancho superior al ancho de la quebrada Pueblo Nuevo. 1.1. DIMENSIONAMIENTO DIQUE En primera instancia se dimensionó el dique para la condición de caudal mínimo, medio y máximo en la fuente aplicando la fórmula de Francis presentada en la Error! No se encuentra el origen de la referencia.en la Error! No se encuentra el origen de la referencia. se pueden apreciar los valores y resultados obtenidos: Q = C W L H 3 2 Ecuación 1.1. nn Q: Caudal, en m 3 /s. C W: Coeficiente adimensional, 1.84. L: Longitud del vertedero, en m. H: Altura lámina de agua sobre el vertedero, en m. Tabla 1.2. Resultados obtenidos dimensionamiento dique Caudal de la fuente L (m) H (cm) Velocidad (m/s) Mínimo: 8.8 l/s 2.5 0.29 1.2 Medio: 17.6 l/s 4.0 0.37 Máximo: 400 l/s 2.0 18.0 0.77 1

La sección transversal del dique para el caudal mínimo y medio será de 1.2 m x 0.15 m (Longitud x Altura) mientras que para el caudal máximo será de 2.0 m x 0.20 m (Longitud x Altura). 1.2. ÁREA DE CAPTACIÓN Para determinar el área de captación requerida se empleó la fórmula de orificio sumergido presentada en Error! No se encuentra el origen de la referencia. Q = C D A 2 g H Ecuación 1.2. n 1.1 Q: Caudal de diseño captación, en m 3 /s. C D: Coeficiente de descarga adimensional, 0.61. A: Área requerida para captación, en m 2. g: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s 2. H: Altura lámina de agua sobre el orificio para el caudal mínimo de la fuente, en m. Empleando los valores indicados se obtiene un área de captación (espacios vacíos) de 113 cm 2, con base en el valor anterior y con el objeto de obtener dimensiones constructivas se proyecta una rejilla de 15 cm x 30 cm, con ángulo de 1.½ x 3/16, barras de diámetro ½ pulgada y longitud de 15 cm, espaciadas a 20 mm y dispuestas en sentido paralelo al flujo de la quebrada Pueblo Nuevo; el área de captacióndefinitiva corresponde a 145 cm 2. 1.3. PERDIDAS MENORES EN LA REJILLA Las pérdidas en la rejilla de captación se calculan con base en la Error! No se encuentra el origen de la referencia..el valor del coeficiente de perdidas menores (K m) acorde con la forma de los barrotesde la rejilla se calcula por medio de la Error! No se encuentra el origen de la referencia.. V2 H m = k m 2 g Ecuación 1.3. n 1.1 H m: Perdidas menores, en m. K m: Coeficiente de perdidas menores, adimensional. V: Velocidad del fluido, en m/s. g: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s 2. k m = β ( S b ) 1.33 Ecuación 1.4. n 1.1 K m: Coeficiente de perdidas menores según la forma, adimensional. β: Coeficiente de forma adimensional, 2.42. S: Espesor de las barras, en m. 2

b: Separación entre barras, en m. Empleando la Error! No se encuentra el origen de la referencia. y Error! No se encuentra el origen de la referencia.,las alturas de la lámina de agua en la presa para los caudales mínimo y máximo, presentados en la Error! No se encuentra el origen de la referencia., se obtienen pérdidas de energía de 2 y 17 cm respectivamente. 1.4. CANAL DE ADUCCIÓN El agua captada por la rejilla será recibida por un canal de aducción que se encargará de transportarla hasta la cámara de derivación, el ancho de este componente se dimensiona con base en la velocidad del fluido en el dique, valores presentados en la Error! No se encuentra el origen de la referencia., Error! No se encuentra el origen de la referencia. y Error! No se encuentra el origen de la referencia.. X S = 0.36 V 2 3 + 0.60 H 4 7 Ecuación 1.5. n 1.1 X S: Alcance horizontal de chorro superior, en m. V: Velocidad del fluido, en m/s. H: Altura lámina de agua en el dique, en m. X I = 0.18 V 4 7 + 0.74 H 3 4 Ecuación 1.6. n 1.1 X I: Alcance horizontal de chorro inferior, en m. V: Velocidad del fluido, en m/s. H: Altura lámina de agua en el dique, en m. Para la velocidad correspondiente al caudal medio, 0.37 m/s, se obtiene un valor de 28 cm a partir del cual se determina que el ancho para el canal de aducción será de 30 cm. A continuación se procede a determinar el tirante crítico en el canal por medio de la Error! No se encuentra el origen de la referencia., los resultados se pueden apreciar en la Error! No se encuentra el origen de la referencia. a partir de los cuales se definió que la altura del canal será de 20 cm. Q Y C = ( b g ) 2 3 Ecuación 1.7. n 1.1 Y C: Tirante critico de un canal rectangular, en m. b: Plantilla o ancho del canal, en m. g: Aceleración de la gravedad, en m/s 2. Tabla 1.3. Resultados sección transversal canal de aducción 3

Caudal captado (l/s) AGUA Y SANEAMIENTO INTEGRAL RURAL ASIR SABA Sección critica Aguas arriba Aguas abajo Lámina de Lámina de Velocidad Velocidad agua agua (m) (m) (m) (m) Lámina de agua (m) Velocidad (m) 6.2 0.04 0.59 0.05 0.42 0.04 0.53 7.8 0.04 0.64 0.06 0.44 0.05 0.58 22.4 0.08 0.90 0.13 0.57 0.09 0.82 1.5. VERTEDERO DE EXCESOS Tomando en cuenta el caudal captado por la rejilla cuando se presentanlos niveles mínimos y máximos en el dique, 6.2 y 22.4 l/s respectivamente,así como el caudal de diseño de la aducción bocatoma desarenador, 2.43 l/s, se diseñará un vertedero rectangular para separar el excedente que se retornara al rio, para esto se emplea la fórmula de Francis presentada en la Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Q = C W L H 3 2 Ecuación 1.8. x Q: Caudal, en m 3 /s. C W: Coeficiente adimensional, 1.84. L: Longitud del vertedero, en m. H: Altura lámina de agua sobre el vertedero, en m. Las láminas de agua se ubican a 2 y 7 cm del vertedero para los niveles mínimos y máximos en el dique, para determinar la longitud de la cámara de excesos ubicada posterior al vertedero se emplean las formulas de la vena vertiente indicadas en la Error! No se encuentra el origen de la referencia. y Error! No se encuentra el origen de la referencia.. X S = 0.36 V 2 3 + 0.60 H 4 7 Ecuación 1.9. n 1.1 X S: Alcance horizontal de chorro superior, en m. V: Velocidad del fluido, en m/s. H: Altura lámina de agua en el dique, en m. X I = 0.18 V 4 7 + 0.74 H 3 4 Ecuación 1.10. n 1.1 X I: Alcance horizontal de chorro inferior, en m. V: Velocidad del fluido, en m/s. H: Altura lámina de agua en el dique, en m. Los valores obtenidos corresponden a 29 y 47 cm, con base en los cuales se determina que las dimensiones de la cámara de excesos serán 80 cm x 80 cm. 4

3. ADUCCIÓN BOCATOMA DESARENADOR La línea de tubería que transportara el agua desde el desarenador hasta la planta de potabilización tendrá una extensión de 55 m, diferencia vertical entre láminas de agua a la salida del desarenador y al ingreso del filtro grueso dinámico correspondiente a 1.52 m, se proyectara en tubería PVC enterrada y su recorrido será por predio privado. A continuación en la Tabla 2.1 se presentan los valores y parámetro de diseño empleados para su dimensionamiento. Tabla 2.1. Valores y recomendación de diseño Variable Unidades Rango o valor recomendado Valor adoptado Periodo de diseño años 25 25 Capacidad de diseño l/s QMD [a] 2.43 Material tubería - - PVC Diámetro nominal mm 75 75 Velocidad mínima m/s 1.0 Velocidad máxima m/s 6.0 0.54 [b] Fuente: RAS 2010. [a] QMD: Caudal máximo diario al horizonte de diseño. [b] No se prevén inconvenientes relacionados con la formación de biopelicula en la tubería puesto que en la fuente no existen niveles altos de carbono orgánico soluble, Hierro y Manganeso. Las pérdidas por fricción en el tramo (perdidas mayores) y por accesorios (menores) se calculan con base en la Ecuación 2.1 y Ecuación 2.2 respectivamente, los accesorios existentes en la línea son los presentados en la Tabla 2.2. Con base en esto, para una tubería de 3 pulgadas y caudal de diseño, se obtuvieron valores de 20 y 13 cm para las perdidas por fricción y accesorios respectivamente, las cuales son inferiores en 1.52 m a la energía disponible. H f = 10.643 4.87 (Q C ) 1.852 Ecuación 2.1. x H f: Perdidas por fricción o mayores en la tubería, en m. Ø: Diámetro de la tubería, en m. Q: Caudal de diseño de la tubería, en m 3 /s. C: Coeficiente de fricción para PVC corresponde a 150, adimensional. V2 H m = K m 2 g Ecuación 2.2. x H m: Perdidas por accesorios o menores en la tubería, en m. K m: Coeficiente de perdidas según tipo de accesorio, adimensional. V: Velocidad del fluido en la tubería, en m/s. g: Aceleración de la gravedad, en m/s 2. 5

Tabla 2.2. AGUA Y SANEAMIENTO INTEGRAL RURAL ASIR SABA Relación de accesorios y valores de Km empleados para la línea de aducción desarenador planta de potabilización Accesorio Cantidad Km Entrada 1 1 Codo 90º 4 0.9 Codo 45º 3 0.4 Codo 22.1/2º 5 0.4 Codo 11.1/4º 13 0.4 Salida 1 1 Debido a que la pendiente disponible del terreno es superior a la pendiente de la línea de energía y con el objeto de evitar rellenos o mayores excavaciones durante la instalación de este tramo, se proyecta la tubería con una pendiente similar a la del terreno, es decir 2.8%, para la cual el caudal que podría transportar y la velocidad corresponden a 5.40 l/s y 1.19 m/s respectivamente, obteniéndose un caudal de excesos de 2.97 l/s. 6

4. DESARENADOR Posterior a la estructura de captación en la quebrada Pueblo Nuevo se ubicara una estructura para remoción de arenas con el objeto de disminuir las obstrucciones en la línea de aducción desarenador planta de potabilización. A continuación en la Tabla 3.1 se presentan los valores y parámetro de diseño empleados. Tabla 3.1. Valores y recomendación de diseño Variable Unidades Rango o valor recomendado Valor adoptado Periodo de diseño años 25 25 Capacidad de diseño l/s QMD [a] 2.43 Relación L:B - 4:1 4:1 Carga superficial m 3 /m 2 /día 1000 54 Diámetro partícula critica mm 0.15 0.15 Velocidad pantalla de disipación m/s 0.10 0.10 Profundidad efectiva almacenamiento de m 0.75 a 1.5 1.5 arena Eficiencia de remoción % 80 87.5 Tiempo de retención min 20 41 Borde libre m - 0.25 Pendiente de fondo % 5 a 8 5 Velocidad tubería de desagüe m/s >2 6.3 Fuente: RAS 2010. [a] QMD: Caudal máximo diario al horizonte de diseño. [b] Valores obtenidos con la mínima pendiente requerida y pendiente del terreno, para el diámetro mínimo. [c] No se prevén inconvenientes relacionados con la formación de biopelicula en la tubería puesto que en la fuente no existen niveles altos de carbono orgánico soluble, Hierro y Manganeso. 3.1. VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN Y RÉGIMEN DE FLUJO Con base en el tamaño de la partícula crítica se procede a calcular la velocidad de sedimentación por medio de la fórmula de Stokes y numero de Reynolds, presentadas en la Ecuación 3.1 y Ecuación 3.2. V S = (ρ S ρ) d 1 2 g 18 µ Ecuación 3.1. x V S: Velocidad de sedimentación, en cm/s. ρ S: Densidad de la partícula critica correspondiente a 2.65, en gr/cm 3. ρ: Densidad del agua correspondiente a 0.998, en gr/cm 3. d: Diámetro de la partícula critica correspondiente a 0.015, en cm. µ: Viscosidad cinemática del agua a 20ºC correspondiente a 0.01003, en cm 2 /s 7

R e = V S d µ Ecuación 3.2. x R e: Numero de Reynolds, adimensional. d: Diámetro de la partícula critica correspondiente a 0.015, en cm. V S: Velocidad de sedimentación, en cm/s. µ: Viscosidad cinemática del agua a 20ºC correspondiente a 0.01003, en cm 2 /s. Los resultados obtenidos para la velocidad de sedimentación y número de Reynolds corresponden a 2.02 cm/s y 3.02, cabe indicar que la fórmula de Stokes para el cálculo de la velocidad de sedimentación únicamente aplica para el régimen de flujo lámina, numero de Reynolds menores a 1. Con base en lo anterior se procede a calcular la velocidad de sedimentación con laley de Allen válida para régimen de flujo laminar con numero de Reynolds entre 1 y 10 4, por medio de la Ecuación 3.3 y Ecuación 3.4. V S = 4 g (ρ S 1) d 3 C D Ecuación 3.3. x V S: Velocidad de sedimentación, en cm/s g: Aceleración de la gravedad correspondiente a 981, cm/s 2. ρ S: Peso específico de la partícula critica correspondiente a 2.65, en gr/cm 3. d: Diámetro de la partícula critica correspondiente a 0.015, en cm. C D: Coeficiente de arrastre, adimensional. C D = 24 R e + 3 R e + 0.34 Ecuación 3.4. x C D: R e: Coeficiente de arrastre, adimensional. Numero de Reynolds, adimensional. Con las ecuaciones anteriores se determina que la velocidad de sedimentación de la partícula crítica y número de Reynolds corresponde a 1.6 cm/s y 2.5 respectivamente, encontrándose en el régimen de flujo de transición donde es válida la ley de Allen. 3.2. ZONA DE SEDIMENTACIÓN Adoptando una profundidad para la zona de sedimentación de 1.5 m y con base en la velocidad de sedimentación de la partícula critica se determina que el tiempo de sedimentación corresponde a 91.4 s. Tomando en cuenta que la unidad contara con buenos deflectores se aplica un factor de seguridad de 2.75 para el tiempo de sedimentación con el cual se obtiene un valor de 251 s. 8

Para el tiempo de sedimentación adoptado y el caudal de diseño de la unidad se obtendría un volumen de 0.60 m 3, correspondiente a un área superficial de 0.15 m 2. Previendo el proceso constructivo para la zona de sedimentación se adoptan como dimensiones 4.0 m x 1.0 m x 1.5 m (Longitud x Ancho x Altura). Para las dimensiones adoptadas para la zona de sedimentación y caudal de diseño de la unidad se obtiene un tiempo de retención en el desarenador de 2469 s (41 minutos) superior al mínimo recomendado de 20 minutos y al tiempo de sedimentación calculado para la partícula critica, según recomendaciones del literal B.4.6.3 del RAS 2010. Lavelocidad vertical o carga superficial en la zona de sedimentación de la unidad es de 52.49 m 3 /m 2 /d (0.061 cm/s) inferior a la velocidad de sedimentación de la partícula critica calculada en el numeral 3.1 e inferior al máximo recomendado de 1000 m 3 /m 2 /día en el literal B.4.6.4 del RAS 2010. 3.3. CHEQUEO VELOCIDAD DE ARRASTRE Y HORIZONTAL La velocidad de arrastre y horizontal en la zona de sedimentación se calcularon por medio de laecuación 3.5 y Ecuación 3.6 obtiendose valores de 16.1 y 0.16 cm/s respectivamente. A partir de los resultados se establece que la velocidad horizontal es inferior a 20 veces la velocidad de sedimentación de la partícula critica calculada en el numeral 3.1, inferior a 0.25 m/s e inferior a la velocidad de arrastre. V A = 8 k g (ρ f S ρ) d Ecuación 3.5. X V H = V V L H Ecuación 3.6. V A: Velocidad de arrastre, en cm/s k y f: Coeficientes con valores de 0.04 y 0.03 respectivamente g: Aceleración de la gravedad correspondiente a 981, cm/s 2. ρ S: Densidad de la partícula critica correspondiente a 2.65, en gr/cm 3. ρ: Densidad del agua correspondiente a 0.998, en gr/cm 3. d: Diámetro de la partícula critica correspondiente a 0.015, en cm. V H: Velocidad horizontal, en cm/s V V: Velocidad vertical o carga hidráulica superficial zona de sedimentación corresponde un valor de 0.061, en cm/s L: Longitud zona de sedimentación, en cm. H: Altura zona de sedimentación, en cm 3.4. PANTALLA PERFORADA Esta estructura se ubicara a una distancia de 20 cm de la zona de entrada y del fondo, tendrá un total de 22 perforaciones de 1.1/2 pulgada con el objetivo de garantizar una velocidad de entrada correspondiente a 0.10 m/s. X 9

3.5. ZONA DE ENTRADA AGUA Y SANEAMIENTO INTEGRAL RURAL ASIR SABA Se recomienda que el ancho corresponda a 1/2 y 1/3 del ancho de la zona de sedimentación, por lo tanto se adopta un valor de 0.5 m. Se recomienda que la altura corresponda a 1/3 de la altura de la zona de sedimentación, por lo tanto se adopta una profundidad del agua de 0.5 m. 3.6. VERTEDERO DE EXCESOS Tomando en cuenta la diferencia entre la capacidad de la tubería de aducción bocatoma - desarenador y el caudal de diseño del desarenador, 3.01 l/s, se diseñara un vertedero rectangular para separar el excedente que se retornara al rio, para esto se emplea la fórmula de Francis presentada en la Ecuación 3.7. Q = C W L H 3 2 Ecuación 3.7. x Q: Caudal, en m 3 /s. C W: Coeficiente adimensional, 1.84. L: Longitud del vertedero, en m. H: Altura lámina de agua sobre el vertedero, en m. Adoptando una longitud para el vertedero de 50 cm se obtiene una lámina de agua de 3 y 6 cm respectivamente, para determinar la longitud de la cámara de excesos ubicada posterior al vertedero se emplean las formulas de la vena vertiente indicadas en la Ecuación 3.8 y Ecuación 3.9. X S = 0.36 V 2 3 + 0.60 H 4 7 Ecuación 3.8. n 1.1 X S: Alcance horizontal de chorro superior, en m. V: Velocidad del fluido, en m/s. H: Altura lámina de agua en el dique, en m. X I = 0.18 V 4 7 + 0.74 H 3 4 Ecuación 3.9. n 1.1 X I: Alcance horizontal de chorro inferior, en m. V: Velocidad del fluido, en m/s. H: Altura lámina de agua en el dique, en m. Los valores obtenidos corresponden a 9 y 17 cm, con base en los cuales se determina que las dimensiones de la cámara de excesos serán 50 cm x 50 cm. 10

3.7. ZONA DE SALIDA AGUA Y SANEAMIENTO INTEGRAL RURAL ASIR SABA En la zona de salida se ubicara un vertedero rectangular con longitud igual al ancho de la zona de sedimentación, 1 m, para esto se emplea la fórmula de Francis presentada en la Ecuación 3.10. Q = C W L H 3 2 Ecuación 3.10. x Q: Caudal corresponde a 0.00246, en m 3 /s. C W: Coeficiente adimensional, 1.84. L: Longitud del vertedero correspondiente en 1, en m. H: Altura lámina de agua sobre el vertedero, en m. Se obtiene una lámina de agua de 1 cm, para determinar la longitud de la cámara de salida ubicada posterior al vertedero se emplean las formulas de la vena vertiente indicadas en la Ecuación 3.11 y Ecuación 3.12. X S = 0.36 V 2 3 + 0.60 H 4 7 Ecuación 3.11. n 1.1 X S: Alcance horizontal de chorro superior, en m. V: Velocidad del fluido, en m/s. H: Altura lámina de agua en el dique, en m. X I = 0.18 V 4 7 + 0.74 H 3 4 Ecuación 3.12. n 1.1 X I: Alcance horizontal de chorro inferior, en m. V: Velocidad del fluido, en m/s. H: Altura lámina de agua en el dique, en m. Los valores obtenidos corresponden a 17 y 19 cm, con base en los cuales se determina que la distancia del vertedero a la cámara de salida será de 50 cm. Posterior al vertedero de salida se proyecta un orificio de salida de 3 pulgadas conectada a la aducción desarenador planta de potabilización. 3.8. ZONA ALMACENAMIENTO DE ARENA Tomando en cuenta que la limpieza del desarenador será de tipo manual, se proyecta una zona de para almacenamiento de la arena con área superficial igual a la zona de sedimentación, 1.0 m x 4.0 m, y una altura adicional de 50 cm. La pendiente de fondo para esta zona será del 5%, con el objeto de garantizar condiciones de seguridad para el operario que realice mantenimiento de la unidad. 11

3.9. TUBERÍA DE DESAGÜE AGUA Y SANEAMIENTO INTEGRAL RURAL ASIR SABA Para el desagüe de la unidad se proyecta una compuerta deslizante con rueda de manejo y un orificio de 4 pulgadas, se chequea el caudal y velocidad de evacuación por medio de la Ecuación 3.13obteniéndose valores de 50.79 l/s y 6.2 m/s. Q S = A ORI 2 g H ORI Ecuación 3.13. n 1.1 Q S: Caudal de salida por el orificio, en m 3 /s. A ORI: Área del orificio corresponde un valor de 0.0081, en m 2. g: Aceleración de la gravedad corresponde un valor 9.81, en m/s 2. H ORI: Altura sobre el orificio corresponde un valor de 2, en m. 12

5. ADUCCIÓN DESARENADOR PLANTA DE POTABILIZACIÓN La línea de tubería que transportara el agua desde el desarenador hasta la planta de potabilización tendrá una extensión de 238 m, diferencia vertical entre láminas de agua a la salida del desarenador y al ingreso del filtro grueso dinámico correspondiente a 1.19 m, se proyectara en tubería PVC enterrada y su recorrido será por predio privado. A continuación en la Tabla 4.1 se presentan los valores y parámetro de diseño empleados para su dimensionamiento. Tabla 4.1. Valores y recomendación de diseño Variable Unidades Rango o valor recomendado Valor adoptado Periodo de diseño años 25 25 Capacidad de diseño l/s QMD [a] 2.43 Material tubería - - PVC Diámetro nominal mm 75 75 Velocidad mínima m/s 1.0 Velocidad máxima m/s 6.0 0.54 [b] Fuente: RAS 2010. [a] QMD: Caudal máximo diario al horizonte de diseño. [b] No se prevén inconvenientes relacionados con la formación de biopelicula en la tubería puesto que en la fuente no existen niveles altos de carbono orgánico soluble, Hierro y Manganeso. Las pérdidas por fricción en el tramo (perdidas mayores) y por accesorios (menores) se calculan con base en la Ecuación 4.1 y Ecuación 4.2 respectivamente, los accesorios existentes en la línea son los presentados en la Tabla 4.2. Con base en esto, para una tubería de 3 pulgadas y caudal de diseño, se obtuvieron valores de 85 y 26 cm para las perdidas por fricción y accesorios respectivamente, las cuales son inferiores en 7 cm a la energía disponible. H f = 10.643 4.87 (Q C ) 1.852 Ecuación 4.1. x H f: Perdidas por friccióno mayores en la tubería, en m. Ø: Diámetro de la tubería, en m. Q: Caudal de diseño de latubería, en m 3 /s. C: Coeficiente de fricción para PVC corresponde a 150, adimensional. V2 H m = K m 2 g Ecuación 4.2. x H m: Perdidas por accesorios o menores en la tubería, en m. K m: Coeficiente de perdidas según tipo de accesorio, adimensional. V: Velocidad del fluido en la tubería, en m/s. g: Aceleración de la gravedad, en m/s 2. 13

Tabla 4.2. AGUA Y SANEAMIENTO INTEGRAL RURAL ASIR SABA Relación de accesorios y valores de Km empleados para la línea de aducción desarenador planta de potabilización Accesorio Cantidad Km Entrada 1 1 Codo 90º 9 0.9 Codo 45º 9 0.4 Codo 22.1/2º 1 0.4 Codo 11.1/4º 10 0.4 Salida 1 1 Debido a que la pendiente disponible del terreno es superior a la pendiente de la línea de energía y con el objeto de evitar rellenos o mayores excavaciones durante la instalación de este tramo, se proyecta la tubería con una pendiente similar a la del terreno, es decir 0.5%, para la cual el caudal que podría transportar y la velocidad corresponden a 2.52 l/s y 0.55 m/s respectivamente, obteniéndose un caudal de excesos de 0.10 l/s. 14

6. FILTRO GRUESO DINÁMICO La primera unidad de tratamiento en la planta de potabilización serán los filtros gruesos dinámicos, se proyectan dos unidades operando en paralelo con capacidad conjunta para tratar el caudal máximo diario, en la Tabla 5.1 se pueden apreciar los principales valores y recomendaciones de diseño empleados para el dimensionamiento. Tabla 5.1. Valores y recomendación de diseño Variable Unidades Rango o valor recomendado Valor adoptado Periodo de diseño años 25 25 Capacidad de diseño l/s QMD [a] 2.43 Velocidad de filtración m/h 2 a 3 2 Velocidad de lavado m/h 10 a 15 15 Área de filtración por unidad m 2 <10 2.2 Numero de módulos Und 2 2 Fuente: RAS 2010. Los filtros gruesos dinámicos son estructuras en concreto y con capas de grava de diámetros que oscilan entre 1 y ¼ de pulgada, distribuidas en tres capas de 0.20 m cada una. El agua que entra a la unidad pasa sobre la grava de manera descendente y parte de ella es filtrada a través del lecho y conducida a la siguiente barrera de tratamiento por medio de un múltiple recolector; cuando el filtro se tapa, se incrementa la pérdida de carga en el filtro y comienza a rebosar hacia el canal de excesos, indicando que el filtro debe lavarse. Es decir que la unidad se diseña para que opere filtrando todo el caudal de diseño con un nivel mínimo de 3 cm para pérdida de carga. Bajo condiciones normales de operación la capa fina retiene entre el 70% y el 80% del material suspendido, obstruyendo gradualmente el lecho filtrante superficial. Ante picos de sólidos suspendidos en el agua cruda, el proceso de obstrucción se acelera, disminuyendo o eliminando el flujo a través del lecho, protegiendo por lo tanto las otras etapas del sistema de tratamiento. (Galvis, 1999). 5.1. VERTEDERO DE EXCESOS En la zona de entrada se ubicara un vertedero de excesos con el objeto de desviar los mayores caudales que puedan ingresar a la unidad provenientes de la línea de aducción desarenador planta de potabilización, para esto se emplea la fórmula de Francis presentada en la Ecuación 5.1. Q = C W L H 3 2 Ecuación 5.1. x Q: Caudal de excesos, en m 3 /s. C W: Coeficiente adimensional, 1.84. L: Longitud del vertedero correspondiente en 0.5, en m. H: Altura lámina de agua sobre el vertedero, en m. 15

Se obtiene una lámina de agua de 5 mm, para determinar la longitud de la cámara de salida ubicada posterior al vertedero se emplean las formulas de la vena vertiente indicadas en la Ecuación 5.2 y Ecuación 5.3. X S = 0.36 V 2 3 + 0.60 H 4 7 Ecuación 5.2. n 1.1 X S: Alcance horizontal de chorro superior, en m. V: Velocidad del fluido, en m/s. H: Altura lámina de agua en el dique, en m. X I = 0.18 V 4 7 + 0.74 H 3 4 Ecuación 5.3. n 1.1 X I: Alcance horizontal de chorro inferior, en m. V: Velocidad del fluido, en m/s. H: Altura lámina de agua en el dique, en m. Los valores obtenidos corresponden a 4 y 8 cm, con base en los cuales se determina que la distancia del vertedero a la cámara de salida será de 50 cm. Posterior al vertedero de salida se proyecta un orificio de salida de 4 pulgadas conectada al desagüe interno de la planta de potabilización. 5.2. ZONA DE FILTRACIÓN Con base en la velocidad de filtración adoptada y el caudal de diseño para cada módulo se calculó el área de filtración requerida por medio de la Ecuación 5.1, obteniéndose un valor de 2.19 m 2 a partir de la cual se determina que la zona de filtración tendrá de 2.2 m x 1.0 m de longitud y ancho respectivamente. A F = Q D V F Ecuación 5.4. x A F: Área de filtración, en m 2. Q D: Caudal de diseño de uno de los módulos, m 3 /s. V F: Velocidad de filtración, en m/s. 5.3. VERTEDERO DE ENTRADA En la zona de entrada de cada módulo se ubicara un vertedero rectangular con longitud igual al ancho de la zona de filtración de la unidad, para esto se emplea la fórmula de Francis presentada en la Ecuación 5.5, obtenidose una lámina de agua de 8 mm. Además del vertedero en la zona de entrada de cada módulo se proyecta una compuerta que será empleada exclusivamente durante 16

las operaciones de mantenimiento o lavado para sacar de funcionamiento cada uno de los módulos cuando se considere necesario. Q = C W L H 3 2 Ecuación 5.5. x Q: Caudal de excesos, en m 3 /s. C W: Coeficiente adimensional, 1.84. L: Longitud del vertedero, en m. H: Altura lámina de agua sobre el vertedero, en m. 5.4. CARACTERÍSTICAS DEL LECHO FILTRANTE Se adopta una altura de lecho filtrante de 60 cm, distribuido en 3 capas de grava con las especificaciones indicadas en la Tabla 5.2. Tabla 5.2. Características del lecho filtrante de los filtros gruesos dinámicos FGDi. Tamaño de gravas Espesor de la capa (pulgadas) (mm) (cm) Ubicación en el lecho- 1 ½ 25 13 20 Inferior ½ - ¼ 13 6 20 Intermedia ¼ - 1/8 6 3 20 Superior 5.5. MÚLTIPLE RECOLECTOR El agua filtrada es recogida a través de tuberías perforadas (múltiple recolector) que a su vez recogen el agua de lavado del filtro. Debido a que la condición de lavado es más crítica que la operación normal de la unidad, dada la mayor cantidad de agua producida, los diámetros de las tuberías recolectoras se determinan con base en el caudal de lavado. Sin embargo, también se chequearán los múltiples definidos para la condición de operación normal de filtrado del agua cruda. Para la velocidad de lavado adoptada se obtiene un caudal de 9.17 l/s para cada módulo, para su recolección se instalará un sistema de tuberías laterales perforadas en forma de peineta, con una tubería principal como recolectora, las características de esta se presentan a continuación: Tubería principal: 4 pulgadas Tubería lateral: 3 pulgadas Distancia entre tuberías laterales: 55 cm. Cantidad de tuberías laterales: 3 unidades Diámetro de orificios en la tuviera lateral: ½ pulgada Distancia entre orificios en la tubería lateral: 12 cm Cantidad de orificios por lateral: 12 unidades distribuidas en dos hileras de 6 unidades cada una. 17

Con el objetivo de garantizar una diferencia de recolección del 25% entre el recolector más alejado y el más cercano al punto de descarga; de acuerdo a las ecuaciones de diseño de múltiples recolectores en sistemas de filtración rápida se verifica la relación entre el área de los orificios y el área de filtración, 0.0015, relación entre el área de los orificios en la tubería lateral y área de la tubería lateral, 1.7. 5.6. VERTEDERO DE EXCESOS Se proyectaun vertedero de cresta delgada al final de la estructura, el cual tendrá una longitud igual al ancho del filtro dinámico (1.0 m), y la cresta se ubicará 0.03 m sobre el nivel de la grava. 5.7. CÁMARA DE LAVADO DE GRAVAS Como cámara de lavado de gravas se puede aprovechar el canal superficial recolector de agua de lavado superficial de la grava de los FGDi o en la cámara de lavado de arena, cuando ésta no se esté usando. Es importante señalar que este lavado de grava es una actividad periódica que se realiza en promedio una vez cada dos años. 5.8. PERDIDAS DE CARGA Las pérdidas de carga totales en el filtro Dinámico, permiten ubicar el nivel de agua a la entrada de la siguiente unidad de tratamiento y la cota de descarga de las aguas de lavado respectivamente. Son estimadas por medio de laecuación 5.6: H = H MF + H O + H LAT + H LP + H PPAL + H m Ecuación 5.6. x H: Total perdidas de carga, en m. H MF: Perdidas de carga por paso en los medios filtrantes, en m. H O: Perdidas de carga por descarga del orificio al lateral, en m. H LAT: Perdidas de carga en el lateral, en m. H LP: Perdidas por descarga del lateral al principal, en m. H PPAL: Perdidas de carga en el principal, en m. H m: Perdidas de carga por accesorios o menores, en m. 5.7.1. Perdidas de carga por paso en los medios filtrantes Las pérdidas de carga por paso de los medios filtrantes se calculan por medio de la Ecuación 5.7, obteniéndose valores de 7.2 y 1 cm para las condiciones de lavado y operación normal respectivamente. H MF = 0.0608 V L Ø 2 Ecuación 5.7. x H MF: Perdidas de carga por paso en los medios filtrantes, en m. v: Velocidad de paso por el medio filtrante, en m/s 18

L: Espesor de la capa del medio filtrante, en m. Ø: Diámetro de la partícula del medio filtrante, en m. 5.7.2. Perdidas de carga por descarga del orificio al lateral Las pérdidas de carga por descarga del orificio al lateral se calculan por medio de la Ecuación 5.8 y la velocidad del fluido en el orificio por medio de la Ecuación 5.9, obteniéndose valores de 25 y 0.5 cm, 1.81y 0.24 m/s para las condiciones de lavado y operación normal respectivamente. V2 H O = 1.5 2 g Ecuación 5.8. x H O: Perdidas de carga por descarga del orificio al lateral, en m. v: Velocidad del fluido en el orificio, en m/s g: Aceleración debida a la gravedad, en m/s 2. V = 0.9 Q A Ecuación 5.9. x V: Velocidad del fluido en el orificio, en m/s. Q: Caudal de la unidad, en m 3 /s A: Área total de los orificios en la unidad, en m 2. n: Numero de orificios en el lateral 5.7.3. Pérdidas de carga en el lateral Las pérdidas de carga en el lateral se calculan por medio de la Ecuación 5.10, obteniéndose valores de 0.15 y 0.1 cm para las condiciones de lavado y operación normal respectivamente. H LAT = 1 0.0175 L V2 3 2 g Ecuación 5.10. x L: longitud del lateral, en m. Ø: Diámetro de lateral, en m. V: Velocidad en el lateral, en m/s. g: Aceleración debida a la gravedad, en m/s 2. 5.7.4. Perdidas de carga por descarga del lateral al principal Las pérdidas de carga por descarga del lateral al principal se calculan por medio de la Ecuación 5.11 y la velocidad del fluido en el orificio por medio de la Ecuación 5.12, obteniéndose valores de 3 y 0.1 cm, 0.6 y 0.08 m/s para las condiciones de lavado y operación normal respectivamente. V2 H LP = 1.5 2 g Ecuación 5.11. x 19

H LP: Perdidas de carga por descarga del lateral al principal, en m. v: Velocidad del fluido en el lateral, en m/s g: Aceleración debida a la gravedad, en m/s 2. V = 0.9 Q A Ecuación 5.12. x V: Velocidad del fluido en el lateral, en m/s. Q: Caudal de la unidad, en m 3 /s A: Área total de los laterales en la unidad, en m 2. 5.7.5. Pérdidas de carga en el principal Las pérdidas de carga en el principal se calculan por medio de la Ecuación 5.13, obteniéndose valores de 2 y 0.1 cm para las condiciones de lavado y operación normal respectivamente. H PPAL = 1 3 0.0175 L V2 2 g Ecuación 5.13. x L: longitud del principal, en m. Ø: Diámetro del principal, en m. V: Velocidad en el principal, en m/s. g: Aceleración debida a la gravedad, en m/s 2. 5.7.6. Pérdidas de carga por accesorios o menores Las pérdidas de carga por accesorios o menores se calculan por medio de la Ecuación 5.14, obteniéndose valores de 28 y 0.5 cm para las condiciones de lavado y operación normal respectivamente, como se pueden apreciar en detalle en la Tabla 5.3 y Tabla 5.4. V2 H m = K 2 g Ecuación 5.14. x H m: Pérdidas de carga por accesorios o menores, en m. K: Coeficiente de pérdidas por accesorios o menores, adimensional. V: Velocidad en la tubería, en m/s. g: Aceleración debida a la gravedad, en m/s 2. 20

Tabla 5.3. Tabla 5.4. AGUA Y SANEAMIENTO INTEGRAL RURAL ASIR SABA Detalle perdidas por accesorios o menores para la condición de lavado del filtro grueso dinámico Accesorios Caudal Área Velocidad Cantidad Hm (l/s) (m 2 Km ) (m/s) (und) (cm) Reducción 3.06 0.0046 0.67 1 0.23 0.53 Te salida lateral 3.06 0.0081 0.38 1 1.80 1.30 Te sentido recto 1 3.06 0.0081 0.38 1 0.30 0.22 Te sentido recto 2 6.11 0.0081 0.75 1 0.30 0.86 Te sentido recto 3 9.17 0.0081 1.13 1 0.30 1.95 Válvula mariposa abierta 9.17 0.0081 1.13 1 0.25 1.63 Codo 90º 9.17 0.0081 1.13 1 0.40 2.63 Salida 9.17 0.0081 1.13 1 1.00 6.5 Total perdidas por accesorios 15.62 Detalle perdidas por accesorios o menores para la condición de operación normal del filtro grueso dinámico Accesorios Caudal Área Velocidad Cantidad Hm (l/s) (m 2 Km ) (m/s) (und) (cm) Reducción 0.41 0.0046 0.09 1 0.23 0.01 Te salida lateral 0.41 0.0081 0.05 1 1.80 0.02 Te sentido recto 1 0.82 0.0081 0.10 1 0.30 0.02 Te sentido recto 2 1.23 0.0081 0.15 1 0.30 0.04 Te sentido recto 3 1.64 0.0081 0.20 1 0.30 0.06 Válvula mariposa abierta 1.64 0.0081 0.20 1 0.25 0.05 Codo 90º 1.64 0.0081 0.20 1 0.40 0.08 Salida 1.64 0.0081 0.20 1 1.00 0.21 Total perdidas por accesorios 0.5 5.7.7. Resumen de pérdidas de carga Con base en los resultados obtenidos en los numerales 5.7.1 a 5.7.6correspondientes a las pérdidas de carga en el filtro grueso dinámico para las condiciones de lavado y operación normal se obtienen valores totales de 65y 2 cm respectivamente. 21

7. FILTRO GRUESO ASCENDENTE EN CAPAS La segunda unidad de tratamiento en la planta de potabilización ubicada aguas abajo de los filtros gruesos dinámicos, serán los filtros gruesos ascendentes en capas, se proyectan dos unidades operando en paralelo con capacidad conjunta para tratar el caudal máximo diario, en la Tabla 6.1. Tabla 6.1. Valores y recomendación de diseño del filtro grueso ascendente en capas Variable Unidades Rango o valor recomendado Valor adoptado Periodo de diseño años 25 25 Capacidad de diseño l/s QMD [a] 2.43 Velocidad de filtración m/h 0.4 a 0.8 0.4 Velocidad de lavado m/h 15 a 20 16 Numero de módulos Und 2 2 Fuente: RAS 2010. 6.1. VERTEDERO DE EXCESOS En la zona de entrada se ubicara un vertedero de excesos con el objeto de desviar los mayores caudales que puedan ingresar a la unidad provenientes del filtro grueso dinámico, para esto se emplea la fórmula de Francis presentada en la Ecuación 6.1. Q = C W L H 3 2 Ecuación 6.1. x Q: Caudal de excesos, en m 3 /s. C W: Coeficiente adimensional, 1.84. L: Longitud del vertedero correspondiente en 1.0, en m. H: Altura lámina de agua sobre el vertedero, en m. Se obtiene una lámina de agua de 5 mm, para determinar la longitud de la cámara de salida ubicada posterior al vertedero se emplean las formulas de la vena vertiente indicadas en la Ecuación 6.2 y Ecuación 6.3. X S = 0.36 V 2 3 + 0.60 H 4 7 Ecuación 6.2. n 1.1 X S: Alcance horizontal de chorro superior, en m. V: Velocidad del fluido, en m/s. H: Altura lámina de agua en el dique, en m. X I = 0.18 V 4 7 + 0.74 H 3 4 Ecuación 6.3. n 1.1 X I: Alcance horizontal de chorro inferior, en m. 22

V: Velocidad del fluido, en m/s. H: Altura lámina de agua en el dique, en m. Los valores obtenidos corresponden a 4 y 8 cm, con base en los cuales se determina que la distancia del vertedero a la cámara de salida será de 50 cm. Posterior al vertedero de salida se proyecta un orificio de salida de 4 pulgadas conectada al desagüe interno de la planta de potabilización. 6.2. VERTEDERO DE ENTRADA En la zona de entrada de cada módulo se ubicara un vertedero triangular antes de cada unidad y una regla de aforo para la medición del caudal, para esto se empleó la fórmula de King que se puede apreciar en laecuación 6.4 y en la Tabla 6.2 los valores obtenidos. Q = 8 15 C D (tan β 2 ) H5 2 Ecuación 6.4. x Q: Caudal, en m 3 /s. C D: Coeficiente que depende el ángulo del vertedero, para 30º corresponde un valor de 0.59 a 0.72, adimensional. β: Angulo del vertedero, en grados. H: Altura lámina de agua sobre el vertedero, en m. Tabla 6.2. Valores para altura de la lámina de agua en el vertedero triangular de 30º Altura H (cm) 5 10 11 15 25 30 35 Caudal Q (l/s) 0.21 1.18 1.50 3.25 11.67 18.41 27.07 Para amortiguar la perdida de carga en el lecho del filtro se dejara un profundidad mínima de 20 cm desde el fondo de la cámara hasta el vértice del vertedero de control de flujo a la entrada. 6.3. ZONA DE FILTRACIÓN Con base en la velocidad de filtración adoptada y el caudal de diseño para cada módulo se calculó el área de filtración requerida por medio de la Ecuación 6.5, obteniéndose un valor de 7.29 m 2 a partir de la cual se determina que la zona de filtración tendrá de 2.7 m x 2.7 m de longitud y ancho respectivamente. A F = Q D V F Ecuación 6.5. x A F: Área de filtración, en m 2. Q D: Caudal de diseño de uno de los módulos, m 3 /s. V F: Velocidad de filtración, en m/s. 23

6.4. CARACTERÍSTICAS DEL LECHO FILTRANTE Se adopta una altura de lecho filtrante de 1.15 m, distribuido en 4 capas de grava con las especificaciones indicadas en la Tabla 6.3, cabe indicar que las capas se numeran de arriba abajo. Tabla 6.3. Características del lecho filtrante de los filtros gruesos ascendentes en capas. Tamaño de gravas Espesor de la capa (pulgadas) (mm) (cm) Ubicación en el lecho ¼ - 1/8 6 3 40 1 ½ - ¼ 13 6 25 2 ¾ - ½ 19 13 20 3 1 ¾ 25 19 30 4 6.5. MÚLTIPLE DIFUSOR RECOLECTOR El agua ingresa a la unidad a través de un difusor proyectado en tubería PVC compuesto por una tubería principal, ramales laterales con orificios. El dimensionamiento de este componente se realizó considerando la condición más desfavorable que se presenta cuando los múltiples funcionan como recolectores de agua durante el lavado de la unidad, dada la mayor cantidad de agua producida, los diámetros de las tuberías recolectoras se determinan con base en el caudal de lavado. Sin embargo, también se chequearán los múltiples definidos para la condición de operación normal de filtrado del agua cruda. Para la velocidad de lavado adoptada se obtiene un caudal de 32.4 l/s para cada módulo, para su recolección se instalará un sistema de tuberías laterales perforadas en forma de peineta, con una tubería principal como recolectora, las características de esta se presentan a continuación: Tubería principal: 6 pulgadas Tubería lateral: 3 pulgadas Cantidad de tuberías laterales: 4 unidades Distancia entre tuberías laterales: 68 cm. Diámetro de orificios en la tuberia lateral: ½ pulgada Distancia entre orificios en la tubería lateral: 10 cm Cantidad de orificios por lateral: 44 unidades distribuidas en dos hileras de 22 unidades cada una. Con el objetivo de garantizar una diferencia de recolección del 25% entre el recolector más alejado y el más cercano al punto de descarga; de acuerdo a las ecuaciones de diseño de múltiples recolectores en sistemas de filtración rápida se verifica la relación entre el área de los orificios y el área de filtración, 0.0031, relación entre el área de los orificios en la tubería lateral y área de la tubería lateral, 0.31. 6.6. DISPOSITIVO LAVADO SUPERFICIAL Y REBOSE Con el objeto de recolectar las aguas generadas durante el lavado superficial y excesos presentados en la unidad se proyectó para cada módulo un canal en tubería PVC de 8 pulgadas que estará conectado a la cámara de lavado de la unidad, es importante señalar que el borde de 24

este dispositivo deberá coincidir con el extremo de la capa de grava superior es decir que este dispositivo permanecerá ahogado durante la actividad normal de filtración. 6.7. PERDIDAS DE CARGA Las pérdidas de carga totales en el filtro grueso ascendente en capas, permiten ubicar el nivel de agua a la entrada de la siguiente unidad de tratamiento y la cota de descarga de las aguas de lavado respectivamente. Son estimadas por medio de la Ecuación 6.6: H = H MF + H O + H LAT + H LP + H PPAL + H m Ecuación 6.6. x H: Total perdidas de carga, en m. H MF: Perdidas de carga por paso en los medios filtrantes, en m. H O: Perdidas de carga por descarga del orificio al lateral, en m. H LAT: Perdidas de carga en el lateral, en m. H LP: Perdidas por descarga del lateral al principal, en m. H PPAL: Perdidas de carga en el principal, en m. H m: Perdidas de carga por accesorios o menores, en m. 6.7.1. Perdidas de carga por paso en los medios filtrantes Las pérdidas de carga por paso de los medios filtrantes se calculan por medio de la Ecuación 6.7, obteniéndose valores de 14.5 y 0.005 cm para las condiciones de lavado y operación normal respectivamente. H MF = 0.0608 V L Ø 2 Ecuación 6.7. x H MF: Perdidas de carga por paso en los medios filtrantes, en m. v: Velocidad de paso por el medio filtrante, en m/s L: Espesor de la capa del medio filtrante, en m. Ø: Diámetro de la partícula del medio filtrante, en m. 6.7.2. Perdidas de carga por descarga del orificio al lateral Las pérdidas de carga por descarga del orificio al lateral se calculan por medio de la Ecuación 6.8 y la velocidad del fluido en el orificio por medio de la Ecuación 6.9, obteniéndose valores de 13 y 0.02 cm, 1.31 y 0.05 m/s para las condiciones de lavado y operación normal respectivamente. V2 H O = 1.5 2 g Ecuación 6.8. x H O: Perdidas de carga por descarga del orificio al lateral, en m. v: Velocidad del fluido en el orificio, en m/s g: Aceleración debida a la gravedad, en m/s 2. 25