Cooper y Jacob, en 1946, apreciaron que en la serie que expresa W(u), si u tiene un valor pequeño, la suma del tercer sumando y sucesivos es despreciable frente a los dos primeros. Sustituyendo W(u) por estos dos primeros sumandos (-0.5772 —ln u), y sustituyendo u por su
valor, se obtiene la expresión:
Suele adoptarse el valor de u<0,03 para que esta simplificación sea aceptable. Estos valores pequeños de u se dan con valores grandes de t y pequeños de r: en general, no es aplicable en los primeros momentos del bombeo.
Tanto con la fórmula de Thies como con la simplificación de Jacob podremos calcular el descenso s que se producirá a una distancia r de un sondeo que bombea un caudal Q, transcurrido un tiempo to, conociendo los parámetros hidráulicos del acuífero, T y S. Si repetimos el cálculo para varias distancias, podremos dibujar el cono de descensos.
La primera expresión matemática que refleja la forma del cono de descenso en régimen variable se debe a Theiss, que en 1935 la elaboró a partir de la similitud entre el flujo del agua y el flujo de calor, estudiando el flujo radial del calor en una placa metálica. La expresión es:
u no es una variable que tenga significado físico, sólo se trata de una abreviatura en la formulación.
W(u)es una función compleja de u bien conocida en Matemáticas, que en Hidráulica se denomina “función de pozo” (la W es porque pozo en inglés es Well):
La solución de esta integral para los distintos valores de u aparece tabulada en todos los textos
de Hidrogeología (por ejemplo, en Watson (1995), pág.351). Esta integral puede expresarse en forma de serie (suma de infinitos sumandos), así:
La napa freática es muy importante cuando de habla de aguas subterránea, la posición de la misma se da desde un nivel de referencia que podría ser el nivel del mar, o la boca del pozo en la mayoría de los casos, de todas maneras, este nivel de referencia se fija arbitrariamente.
Se mide la altura en un pozo estático, y esta se extrae de la altura del punto desde donde se efectúan las mediciones se tiene la altura de carga total. En realidad del curdo de hidráulica se
conoce que:
Pero como en aguas subterráneas la velocidad es muy baga, se puede ignorar el tercer término quedando:
El agua en un acuífero se mueve desde una altura de carga mayor a otra menor, en otras palabras, existen variaciones en el nivel freático entre pozos, o sea existe una pérdida de carga hL la cual divida entre el espaciamiento entre pozos, resulta en la expresión a dimensional llamada gradiente
Se define como Coeficiente de Almacenamiento (S) del acuífero al volumen desplazado por una columna del acuífero de superficie unitaria (1 cm ² ) cuando la superficie freática desciende un valor unitario (1 cm) en un acuífero libre, lo que equivale esencialmente al rendimiento específico (porosidad eficaz). El mismo concepto, aplicado a un acuífero confinado, implica el descenso en un valor unitario de la presión hidrostática en la columna del prisma acuífero considerado. Los valores promedio de S para acuíferos libres oscilan entre 0.3 a 0.05, mientras que para acuíferos cautivos, donde predomina el espesor (e) sobre el Coeficiente de Almacenamiento, están entre 0.001 a 0.00001.
También llamado Coeficiente de Conductividad Hidráulica, representa la velocidad promedio del flujo subterráneo a través del medio poroso saturado que compone el acuífero y sobre la cual influyen las propiedades del fluido, el tamaño de poros y granos del suelo, su textura y su estructura o empaquetamiento.
Métodos para determinar la conductividad hidráulica (K) en campo: el método del agujero de barreno (auger hole method), basado en la recuperación del nivel freático producido en una perforación registrando la evolución de los descensos (y) en el tiempo (t). Utiliza la fórmula de
Ernst generalizada según la siguiente expresión:
Donde:
y =Descensos medidos a partir del nivel estático m
H= Desnivel entre el fondo de la perforaciónyel nivel estático m r = Radio de la perforación m
La porosidad de un material es la relación existente entre el volumen de vacíos o espacios ocupados por el agua, y el volumen total del material, expresado en porcentaje:
POROSIDAD = (w/v)*100
Donde:
W = Volumen de agua
V = Volumen total de la muestra
Una alta porosidad (arcilla, p. ej.) no indica necesariamente un acuífero de buena productividad, ya que gran parte del agua puede ser retenida en pequeños intersticios bajo la tensión capilar a medida que se extrae el agua. El rendimiento específico de un acuífero es la relación entre la cantidad de agua que puede drenar libremente el material y el volumen total de la formación, resultando siempre menor que la porosidad total, y asociado al concepto de porosidad eficaz. La relación entre el rendimiento específico (Sy) y la porosidad total (P) depende del tamaño de las partículas en la formación. Un acuífero de textura fina tendrá un rendimiento específico pequeño, mientras que un acuífero de textura gruesa tendrá uno mayor, ya que es capaz de producir una mayor cantidad de su agua almacenada. La retención específica (Sr) es la parte de la porosidad total de un acuífero que no puede ser fácilmente extraída,
resultando la suma de ambos:
Porosidad = Sy+Sr
Algunos materiales típicos que conforman los acuíferos tienen las siguientes propiedades, como valores promedio (ver Tabla 3.4):
Los parámetros que se tienen que tener en cuenta en un acuífero son: la porosidad, la permeabilidad o conductividad hidráulica, la transitividad y el coeficiente de almacenamiento.
Los materiales que permiten la acumulación y el movimiento del agua por debajo del suelo se denominan acuíferos, y constituyen la zona saturada.
Un acuífero es entonces aquella Formación Geológica que contiene agua y permite que cantidades significativas de la misma se muevan en su interior en condiciones naturales.
Los Acuíferos pueden dividirse en:
Los acuíferos porosos son sedimentos granulares como las arenas o areniscas, en los cuales el agua ocupa poros existentes entre los granos de arena.
Los acuíferos fisurados están compuestos por rocas “duras” que desarrollan porosidad por la presencia de rajaduras (fracturas, fallas, diaclasas) por lo cual se denominan de porosidad secundaria.
Los acuíferos químicos o por disolución son los constituidos por rocas fundamentalmente carbonáticas, en las cuales la porosidad (huecos) se desarrolla en forma secundaria por disolución de la roca, (Kartz o similares).
Los acuíferos pueden ser clasificados también en función de la capacidad de transmisión de agua de la capa que constituye su límite superior o techo (camada confinante superior) y su piso o límite inferior (camada confinante inferior), además de la presión de las aguas en relación a la presión atmosférica. De esta manera se tienen:
Los acuíferos libres están compuestos por un piso (roca) impermeable y el techo se encuentra en la superficie del terreno (ver Figura 3.11).
También son llamados freáticos o no confinados. Son acuíferos cuyo límite superior se corresponde con la superficie freática, en la cual todos los puntos se encuentran a presión atmosférica.
Figura 3.11: Acuíferos libres
Los acuíferos confinados se encuentran cubierto por un techo y apoyado sobre un piso, ambos impermeables (ver Figura 3.12).
También son denominados acuíferos “bajo presión”, dado que el agua se encuentra en ellos a mayor presión que la atmosférica. En un pozo que penetra en un acuífero de este tipo, el nivel del agua subterránea queda encima del techo del acuífero.
Figura 3.12: Acuíferos confinados
Los acuíferos semiconfinados son acuíferos en el cual por lo menos una de las capas confinantes (techo o piso) es semipermeable (limos, limos arcillosos), permitiendo la entrada o salida de agua por drenaje ascendente o descendente (ver Figura 3.13).
El agua que se encuentra por debajo de la superficie del suelo, en los distintos estados y relaciones de composición con la parte sólida y gaseosa, se conoce como agua subterránea. Representa una fase muy importante del ciclo hidrológico ya que la mayor parte del flujo en corrientes permanentes de agua proviene del agua subterránea. A su vez una parte del flujo en corrientes intermitentes puede filtrarse bajo la superficie, por lo que ningún examen sobre agua superficial que tenga características de evaluación integral del recurso puede ignorar las relaciones con los procesos subsuperficiales.
La Hidrogeología sería la ciencia que se ocupa del estudio de las aguas subterráneas. Aunque el objeto de la ciencia queda así perfectamente definido, parece conveniente añadir más detalles que establezcan al menos las grandes líneas de actuación y, sobre todo, que realcen el carácter multidisciplinar que hoy en día tiene la Hidrogeología (ver Figura 3.10).
Los estudios hidrogeológicos son de especial interés no solo para la provisión de agua a la población sino también para entender el ciclo vital de ciertos elementos químicos, como así también para evaluar el ciclo de las sustancias contaminantes, su movilidad, dispersión y la manera en que afectan al medio ambiente, por lo que esta especialidad se ha convertido en una ciencia básica para la evaluación de sistemas ambientales complejos. El abordaje de las cuestiones hidrogeológicas abarca:
La evaluación de las condiciones climáticas de una región, su régimen pluviométrico, la composición química del agua, las características de las rocas como permeabilidad, porosidad, fisuración, su composición química, los rasgos geológicos y geotectónicos, es así que la investigación hidrogeológica implica, entre otras, tres temáticas principales:
1. El estudio de las relaciones entre la geología y las aguas subterráneas.
2. El estudio de los procesos que rigen los movimientos de las aguas subterráneas en el interior de las rocas y de los sedimentos.
3. El estudio de la química de las aguas subterráneas (hidroquímica e hidrogeoquímica).
Grandes cantidades de agua son almacenadas en el suelo. El agua se sigue moviendo, aunque de manera muy lenta, y sigue siendo parte del ciclo del agua. La mayor parte del agua del suelo proviene del agua de lluvia que se infiltra a través de la superficie del suelo.
Figura 3.10: Ciclo hidrogeológico
La capa superior del suelo, es la zona no-saturada, donde las cantidades de agua varían con el tiempo, pero no alcanzan a saturar el suelo. Por debajo de esta capa, se encuentra la zona de saturación, dónde todos los poros, grietas y espacios entre las partículas de roca se encuentran llenos de agua. El término agua subterránea es utilizado para describir esta zona.
La curva de duración de caudales resulta del análisis de frecuencias de la serie histórica de caudales medios diarios en el sitio de captación de un proyecto de suministro de agua. Se estima que si la serie histórica es suficientemente buena, la curva de duración es representativa del régimen de caudales medios de la corriente y por lo tanto puede utilizarse para pronosticar el comportamiento del régimen futuro de caudales, o sea el régimen que se presentará durante la vida útil de la captación.
Como se observa en la Figura 3.8 la escala vertical de la curva de duración representa caudales medios (diarios, mensuales o anuales) y la escala horizontal las probabilidades de que dichos caudales puedan ser igualados o excedidos.
Las curvas de duración tienen formas típicas que dependen de las características de las cuencas vertientes. En cuencas de montaña, por ejemplo, la pendiente pronunciada en el tramo inicial de la curva indica que los caudales altos se presentan durante períodos cortos, mientras que en los ríos de llanura no existen diferencias muy notables en las pendientes de los diferentes tramos de la curva. Este hecho es útil para ajustar la forma de la curva de duración según las características de la cuenca cuando la serie de caudales medios es deficiente, o para transponer una curva de duración de una cuenca bien instrumentada de la misma región a la cuenca que tiene información escasa.
Figura 3.8:Curvade duración decaudales:a)Río dealta pendienteb) Río dellanura
El caudal mínimo probable de la curva es el caudal que la corriente puede suministrar durante todo el año con una probabilidad de excedencia próxima al 100 %. Si este caudal es mayor que la demanda del proyecto, entonces la fuente tiene capacidad para abastecer la demanda sin necesidad de almacenamiento.
En los estudios que se realizan en cuencas pequeñas las variaciones diarias del caudal son importantes. Por esta razón los análisis se hacen con base en la curva de duración de caudales diarios. Cuando la información hidrológica es escasa la serie histórica de los caudales medios diarios no existe, o si existe no es suficientemente confiable. En tal caso la curva de duración de caudales diarios no puede determinarse por métodos matemáticos, pero pueden hacerse estimativos utilizando relaciones empíricas entre lluvias y caudales. Estos estimativos pueden ocasionar sobre diseño de las obras.
La experiencia ha demostrado que las regresiones lluvia - caudal son aceptables para valores anuales, pero resultan deficientes cuando se utilizan con valores mensuales o diarios.
Por esta razón, lo recomendable es generar una serie de caudales medios anuales a partir de las lluvias anuales y luego, a partir de los caudales anuales estimar la serie de caudales medios mensuales; en este caso no se pueden estimar los caudales diarios. Sin embargo, se pueden dibujar las curvas de duración de los caudales medios anuales y medios mensuales y con base en ellas deducir aproximadamente una curva estimada de caudales medios diarios, como se observa en la Figura 3.9
La curva de duración es muy útil para determinar si una fuente es suficiente para suministrar la demanda o si hay necesidad de construir embalses de almacenamiento para suplir las deficiencias en el suministro normal de agua durante los períodos secos.
El principio de este tipo de obra de toma radica en lograr la captación en la zona inferior de escurrimiento. Las condiciones naturales de flujo serán modificadas por medio de una cámara transversal de captación (ver Figura 3.5).
Esta obra puede ser emplazada al mismo nivel de la solera a manera de un travesaño de fondo. Sobre la cámara de captación se emplazará una rejilla la misma que habilitará el ingreso de los caudales de captación y limitará el ingreso de sedimento. El material que logre ingresar a la cámara será posteriormente evacuado a través de una estructura de purga.
La obra de toma en solera se denomina también azud de solera u obra de toma tipo Tirolésa y puede ser empleada en cursos de agua con fuerte pendiente y sedimento compuesto por material grueso.
Figura 3.5: Toma Tirolesavista deplanta ycorte
Este tipo de obra de toma ofrece como ventajas, la menor magnitud de las obras civiles y ofrece menor obstáculo al escurrimiento. Por otro lado, no juega un papel fundamental la ubicación de la obra, tal como sucede en las obras de toma con azud derivador.
En le diseño de una toma tirolesa es necesario considerar los siguientes criterios:
Esta obra principal mente se adecua a ríos de montaña, donde las pendientes longitudinales son pronunciadas q pueden llegar la 10 % o a veces mas.
Funcionan para cauces que traen avenidas de corta duración y que llevan gran cantidad de piedras.
En causes tienen pequeños contenidos de sedimentos finos y agua relativamente limpia en época de espiaje.
La rejilla es la parte mas baja del coronamiento de la presa que cierra el rió, cualquiera que sea el caudal, el agua debe pasar forzosamente sobre ella. Debido a esto la rejilla puede ubicarse a cualquier altura sobre el fondo de manera que la altura de la azud puede llegar a hacerse cero, aunque normalmente oscila entre 20 a 50 cm. Esto permite que las piedras pasen fácilmente por encima del azud con lo cual se suprime la costosa compuerta de purga o esclusa de limpieza.
La crecida de diseño se recomienda a un periodo de retorno de 50 años, dependiendo de la importancia aguas abajo.
La hidráulica del sistema diferencia dos estados de flujo a saber:
- Flujo a través de las rejillas
- Flujo en lacámara de captación
Boca de toma, cuya sección efectiva se determina en función del caudal medio diario, el diseño de la reja de protección y las posibles obstrucciones por material de arrastre del curso de agua. El dimensionamiento de la boca de toma se realizará de la misma forma que la señalada para canales de derivación.
Figura 3.6: Esquema y dimensionamientode la boca detoma
Figura 3.7: Sección rejilla
Del esquema con energía constante, el caudal que pasa por las rejillas se tiene:
El coeficiente μ depende de la forma de las barras de la rejilla y del tirante. Para rejillas de perfil rectangular, las investigaciones de Noseda dan como resultado la siguiente relación empírica:
El coeficiente C depende de la relación de espaciamiento entre barras y el ángulo β de la rejillacon la siguiente formula:
Al inicio de la rejilla, a pesar de ser la sección con energía mínima, en la práctica el tirante resulta algo inferior al tirante crítico, a saber:
El factor de reducción K es dependiente de la pendiente de las condiciones geométricas de la rejilla que para una distribución hidrostática de la presión, se tiene la ecuación:
La construcción de la cámara de captación, debe seguir las siguientes recomendaciones de acuerdo a la experiencia:
El largo de construcción de la rejilla debe ser 1.20*L de diseño.
El canal debe tener un ancho: B = L · cos β.
t ≅ B para tener una relación.
La sección de la cámara es más o menos cuadrada.
La pendiente del canal de la cámara esta dada de acuerdo a:
La toma lateral es una obra de captación superficial y es la más empleada cuando se trata de captar el agua de un río. La forma más simple de concebir una captación lateral es como una bifurcación.
En primer lugar conviene presentar una breve descripción de los elementos constituyentes más frecuentes de una bocatoma de captación lateral, los que podrían clasificarse de la siguiente manera:
Elementos de encauzamiento y cierre. Su objeto es elevar el nivel del agua para permitir su ingreso a la toma y al canal de derivación e impedir el desborde del río.
Elementos de descarga de avenidas. Permiten el paso de las crecidas. Son órganos de seguridad.
Elementos de control de sedimentos. Tienen por objeto el manejo de los sólidos.
Elementos de control del ingreso de agua. Permiten regular la cantidad de agua que ingresa a la derivación.
Elementos de control de la erosión. Permiten disminuir la erosión y la abrasión
Elementos estructurales. Son los que dan estabilidad a la obra.
La toma lateral, es la estructura de captación de un sistema de estructuras que acompañan a la toma, como se muestra en la Figura 3.3, el diseño del vertedero lateral consiste en calcular la longitud del vertedero para un caudal de diseño que se pretende tomar de un canal o un río.
Los componentes principales para el diseño de una toma lateral son:
Boca de toma: cuya sección efectiva se determina en función del caudal medio diario, el diseño de la reja de protección y a los niveles de fluctuación del curso de agua. El dimensionamiento de la boca de toma se realizará de la misma forma que la señalada para canales de derivación.
Canales/tuberías de conducción: debe ser calculada en función al caudal máximo diario, para el diseño refiérase al capítulo de aducciones.
Obras de encause y protección: dependiendo de las características morfológicas del lugar de toma, deberán construirse ataguías y muros de protección y/o encause. Estos aspectos deben ser determinados por el responsable del proyecto con conocimiento pleno del sector de captación.
Boca de toma, cuya sección efectiva se determina en función del caudal máximo diario, el diseño de la reja de protección y a los niveles de fluctuación del curso de agua.
El área total de la reja debe ser calculada considerando el área de flujo efectiva mínima de paso y el área total de las barras, como se muestra a continuación:
El agua superficial es aquella que se encuentra circulando o en reposo sobre la superficie de la tierra. Estas masas de agua sobre la superficie de la tierra, forma ríos, lagos, lagunas, pantanos, charcas, humedales, y otros similares, sean naturales o artificiales. El agua superficial es la proveniente de las precipitaciones, que no se infiltra ni regresa a la atmósfera por evaporación o la que proviene de manantiales o nacimientos que se originan de las aguas subterráneas.
Las aguas superficiales pueden estar fluyendo constantemente como los ríos o estar en reposo como los lagos y lagunas. El escurrimiento se da sobre la tierra debido a la gravedad y a la inclinación del terreno. Así cuando el agua cae del cielo (o se precipita, por ejemplo en forma de lluvia) la que no se infiltra, escurre en la dirección de la pendiente (hacia abajo) hasta que llega a los ríos y lagos.
Un río es una corriente natural de agua que fluye con continuidad y siempre por gravedad discurre de las partes altas hacia las bajas. Posee un caudal determinado y finalmente desemboca en el mar, en un lago o en otro río, en este último caso se le denomina afluente.
Algunas veces terminan en zonas desérticas donde sus aguas se pierden por infiltración y evaporación. Cuando el río es corto y estrecho recibe el nombre de riachuelo o arroyo.
Un lago es un cuerpo de agua dulce o salada sin conexión con el mar. Es un componente más del agua superficial del planeta. Un lago es un lugar en donde el agua superficial que procede de los escurrimientos de la lluvia (y posiblemente de filtraciones del agua subterránea) se ha acumulado debido a una depresión del terreno, creada normalmente por fallas geológicas. Algunos se forman por la obstrucción de valles debido a desplomes en sus laderas. Otros lagos son de origen volcánico. En un lago las velocidades del río disminuyen, y por consiguiente se produce sedimentación, evaporación e infiltración. Dependiendo de las dimensiones del lago, su forma y profundidad especialmente, se producirán corrientes, tanto horizontales como verticales que le darán sus características especiales como ecosistemas. La mayoría de los lagos generalmente tiene un río de entrada y otro de salida. También se pueden formar lagos artificialmente por la construcción de una presa.
En ingeniería se denomina presa o represa a un muro grueso de piedra, cemento u otro material, que se construye a través de un río, arroyo o canal para almacenar el agua y elevar su nivel, con el fin de regular el caudal para:
Controlar inundaciones
Aprovechamientos de riego,
Agua potable
Generación hidroeléctrica
Turismo
O idealmente para una combinación de dos o más usos (Multiusos).
Los estudios de suelos y geotécnicos son trabajos de inspección y caracterización del subsuelo afectado por una obra de ingeniería, motivados por la necesidad de conocer el comportamiento del terreno ante la influencia de la misma, y que además de comprender los aspectos descriptivos formales del terreno, acostumbra a incluir ciertas recomendaciones para el proyecto de la obra, en aquellas facetas en la que la misma “interacciona” con el terreno.
Es deseable, pues, que un estudio de suelo y geotécnico sea realizado por un técnico o un grupo de técnicos con formación y experiencia en todos aquellos campos de relevancia para el estudio que se lleva a cabo.
En la Tabla 2.4 se presentan los tipos de de estudios de suelo y geotécnicos, en función del componente del sistema y del tamaño de la población.
(*) Requiereensayo simplificado de suelo en sitio (Pozo de observación, determinación de fatiga insitu). (X)Requiere análisis de suelos (tipo de suelo,composición granulométrica,ensayo de penetración).
(O)Requiere análisis de suelos (tipo de suelo,composición granulométrica,ensayo de penetración,pruebas de compactación ydensidad insitu). (+)Requiere estudio geotécnico.
• Desechos de efluentes domésticos, industriales o agrícolas.
• Aplicación directa de herbicidas para controlar plantas acuáticas que interfieren con el uso humano de aguas frescas.
• Alicación directa de insecticidas a aguas frescas para destruir larvas de mosquitos, el vector de la malaria.
• Molusquicidas ampliamente usados en el trópico para controlar los moluscos vectores de la sistosomiasis (ver Figura 1.11).
Figura 1.11:Fuentesdecontaminación delagua[Ref. 3]
- Consecuencias Indirectas:
Insecticidas y Herbicidas lixiviados aplicados a la tierra
Desechos pesticidas descuidadamente vaciados y sus contenedores vacíos en piscinas o cañadas.
Rellenos de Tierra y vertederos de desechos tóxicos contaminan el agua de la tierra.
Contaminantes del Agua.-
Los contaminantes pueden ser :
Contaminantes orgánicos
Contaminantes Inorgánicos
Contaminantes termales
Materiales Radioactivos
- Contaminantes Orgánicos (Origen)
Desagües domésticos (fuente mayor)
Lavados Urbanos (de casas, factorías y caminos)
Efluentes industriales .
El Efecto mas importante de los contaminantes orgánicos es la: Disminución del oxigeno disuelto (el nivel recomendado de OD para el agua natural es de 4 a 6 ppm.)
- Patógenos (Origen)
La contaminación fecal del agua puede producir una variedad de patógenos a las vías de agua, incluyendo:
El agua es un regalo presente en la naturaleza. La cantidad total de agua en la tierra es finita, mientras que la capacidad de polución del hombre se acelera rápidamente con el crecimiento de la población, la agricultura y la industria a través del globo. Los cuerpos de agua locales pueden agotarse y contaminarse muy rápidamente debido al egoísmo e ignorancia; el agua se puede convertir en una fuente mas bien de muerte y enfermedad que de vida.
Hoy, al menos 1/5 de todas las personas a nivel mundial, carecen de acceso a agua potable segura. En los países desarrollados, la mayoría de las ciudades descargan de 80 a
90 % de su desagüe directamente a los ríos y caños, que son usados para tomar, aseo y lavar. Esta carencia de tratamiento de cloacas ha propiciado que microorganismos peligrosos diseminen enfermedades propagadas por el agua; particularmente las enfermedades transmitidas por vectores que viven en el ambiente acuático son responsables por alrededor de 1/3 de todas las muertes en el mundo.
La creciente polución de nuestros ríos constituye la mayor amenaza a la salud pública. Las aguas contaminadas conllevan a varios problemas gastrointestinales, infecciones del hígado, cáncer, etc. Los niños son a menudo los más afectados, muriendo en grandes cantidades por diarrea. Aun en los 90 más de 1 millón de niños murieron debido a diarrea
y otros trastornos gastrointestinales.
Agua para la vida.-
La vida se origino en el agua y es el agua lo que hace posible la vida. El agua conforma el 60 por ciento del peso corporal, el plasma celular contiene más de 90 por ciento de agua, el citoplasma celular contiene alrededor de 70 por ciento de agua. Hasta los huesos contienen un 20 por ciento de agua. El agua es necesaria para (ver Figura 1.10):
• Transportar nutrientes y oxigeno a todas partes del cuerpo vía la sangre
El servicio de abastecimiento de agua potable es la captación de agua bruta, potabilización, almacenamiento y distribución. Se considerarán instalaciones de abastecimiento, aquéllas que, respondiendo a alguno de los tipos que se relacionan a continuación, se encuentran en uso permanente en la prestación del servicio de abastecimiento:
Captaciones.
Estaciones de tratamiento de agua potable.
Depósitos de almacenamiento.
Estaciones de bombeo.
Red de distribución: es el conjunto de tuberías y sus elementos de maniobra y control, que conducen el agua a presión y de la que derivan las acometidas de abastecimiento a los usuarios.
Acometidas de abastecimiento: son las instalaciones que enlazan las instalaciones interiores del inmueble con la red de distribución. Su instalación será con cargo al propietario y sus características se fijarán de acuerdo con la presión del agua, caudal contratado, consumo previsible, situación del local y servicios que comprenda, de acuerdo con las normas básicas de aplicación para instalaciones interiores de suministro de agua. Se considerarán elementos de la acometida de abastecimiento: el dispositivo de toma, el ramal, la llave y la arqueta de registro.
Instalaciones interiores de los edificios.
La conservación y explotación de los elementos materiales del servicio público de abastecimiento (captaciones, estaciones de tratamiento de agua potable, depósitos de almacenamiento, estaciones de bombeo, red de distribución y acometidas) es competencia exclusiva del prestador del mismo.
Historia.-
Como hemos visto, desde los primeros asentamientos, el hombre ha intentado permanecer cerca del agua. Su existencia es condición indispensable para la vida y, por ello, no podía establecerse lejos de una fuente, un manantial, un lago, un arroyo o un río que satisfaciese sus necesidades en este sentido. Esta verdad cobra una especial importancia en una región como la nuestra, tan escasa siempre de precipitaciones.
A medida que se hicieron los establecimientos más estables y crecieron en número fue haciéndose necesario complementar lo aportado por la naturaleza con obras realizadas por el hombre. Surgieron así los primeros intentos de almacenar y conducir el agua a determinados
asentamientos a través de incipientes redes de suministro (ver Figura 1.1 y Figura 1.2).
Se trataba de acercar y asegurar al hombre lo que la naturaleza había dispuesto, pero también de
protegerlo. Probablemente las primeras obras de los primitivos habitantes de la región en relación con el agua fuesen de defensa, para protegerse de la propia energía de los canales fluviales o de las mismas fuentes. Y también de conservación: debían asegurar su carácter fluente liberándolas de partículas y obstáculos de todo tipo que impidiesen su normal discurrir. Por último, también debieron intentar almacenarla en distintos depósitos más o menos elaborados que permitiesen disponer de ella en períodos de carencia. Surgirían así los pozos y las cisternas .
Aproximadamente en el año 7000 a.C. en Jericó (Israel) el agua almacenada en los pozos se utilizaba como fuente de recursos de agua, además se empezó a desarrollar los sistemas de transporte y distribución del agua. Este transporte se realizaba mediante canales sencillos, excavados en la arena o las rocas y más tarde se comenzarían a utilizar tubos huecos. Por ejemplo en Egipto se utilizan árboles huecos de palmera mientras en China y Japón utilizaba troncos de bambú y mas tarde, se comenzó a utilizar cerámica, madera y metal.
En Persia la gente buscaba recursos subterráneos. El agua pasaba por los agujeros de las rocas a los pozos.
Alrededor del año 3000 a.C., la ciudad de Mohenjo-Daro (Pakistán) utilizaba instalaciones y necesitaba un suministro de agua muy grande. En esta ciudad existían servicios de baño público, instalaciones de agua caliente y baños.
En la antigua Grecia el agua de escorrentía, agua de pozos y agua de lluvia eran utilizadas en épocas muy tempranas. Debido al crecimiento de la población se vieron obligados al almacenamiento y distribución (mediante la construcción de una red de distribución) del agua.
Los acueductos un elemento que jugó un papel muy importante en la cultura Romana fue el agua, de hecho su uso en los diversos ámbitos culturales de la época del imperio romano, influyó en la salud de muchos pueblos conquistados. La palabra acueducto deriva del vocablo latino conducción de agua.
Los acueductos fueron una invención romana; éstos eran canales largos de piedras que permitían movilizar el agua de un lugar a otro. El suministro de agua era necesario para los desagües y los baños públicos en ciudades y pueblos. El agua se utilizaba también para la propulsión de ruedas hidráulicas que movían cadenas e impulsaban la maquinaria. Los romanos aprovecharon los manantiales de aguas térmicas para diversas terapias, porque fue una cultura que se ocupó también de la medicina, esto los hizo ser buenos doctores (ver Figura 1.5).
Los sistemas de distribución de agua en el imperio romano pertenecen a una época que va del año 300 antes de Cristo al siglo XVII. Muchos de los acueductos construidos para transportar el agua eran verdaderamente avanzados. Los Romanos eran maestros en el arte de la construcción y la administración, le daban tal importancia al agua que eran capaces de construir acueductos tan grandes que llevaban agua a una ciudad de un millón de habitantes, desde una distancia de hasta 90 Km. Pero lo más importante era que sus ingenieros estaban preparados para seleccionar el agua. Separaban el agua de alta calidad, usada para beber y cocinar, del agua que serviría para regar o limpiar.
El invento de la bomba moderna en Inglaterra a mediados del siglo XVI, impulsó las posibilidades de desarrollo de sistemas de suministro de agua. En Londres la primera obra de bombeo de aguas se finalizó en el año 1562. Se bombeaba agua de río a un embalse a unos 37 m por encima del nivel del Támesis, y desde el embalse se distribuía a los edificios vecinos a través de tuberías, aprovechando la fuerza de la gravedad.
A partir del siglo XIX el aumento de la población en las zonas urbanas obligó a realizar grandes obras de captación, conducción y de tratamiento de aguas, que fueron posibles gracias al desarrollo de la ingeniería, la geología y ciencias conexas.
A partir de 1896, las vertientes de Arocagua, proveían de agua a la ciudad de Cochabamba. Éstas, junto a las de Rigol, Quintanilla y Rivero constituían las más importantes fuentes de abastecimiento a los pobladores de la época. El agua de las vertientes se distribuía en cantaros a través de piletas publicas hasta que a fines de la década de los 20 se construyeron los pozos de hundimiento de Arocagua y la galería filtrante de Chungara. Las aguas de estas captaciones llegaban a través de dos líneas de aducción a un tanque de almacenamiento construido en las faldas del cerro San Pedro.
Los inicios de SEMAPA se remontan a la primera red de distribución tuberías de acero, que fue construida en 1928 y dotaba 165 litros por persona/día a una población de 80.000 habitantes en época de lluvias, y 20 litros por persona/día en época de estiaje. En tiempos de sequía, esta dotación disminuía a la octava parte. Desde entonces, se impuso la necesidad de restringir la distribución a unas cuantas horas diarias.
Las lagunas privadas de Escalerani y Toro que en un principio servían para el regadío de tierras de la zona de Tiquipaya, fueron adquiridas por el Estado para atender el marcado déficit existente. La construcción de una obra de toma con un desarenador en la zona de Tolapujro, un aductor de Tiquipaya a Cala Cala, una planta de tratamiento y un tanque de almacenamiento en Cala Cala, permitieron aprovechar estas aguas a partir de 1940.
Luego de la ampliación de las redes de distribución hasta 1942, se construyó la galería filtrante de Tirani en 1956 que recibe las aguas provenientes de San Juan y San Pablo
Cada bolsa de cemento al ser suministrada debe llevar impreso en sus caras el tipo y clase de cemento, así como la marca comercial y las restricciones de empleo.
Para un adecuado manejo, posterior buen rendimiento del cemento, se recomienda observar las siguientes reglas:
• El almacenamiento de las bolsas de cemento se debe realizar en ambientes secos y ventilados, preferentemente en un depósito cerrado e impermeable.
• Apilar en pilas de no más de 10 bolsas y sobre madera a unos 10 cm del piso y separar las pilas de las paredes, evitando el contacto de la bolsa con estos, para que el cemento no absorba humedad,
• Apilarlas de modo de minimizar la circulación de aire entre ellas y cubrirlas con láminas de plástico resistente, protegiéndolas de corrientes de aire húmedo.
• Almacenar las bolsas de modo de ir utilizándolas en el mismo orden en que se las fue recibiendo.
• Si las bolsas son guardadas en almacenes cerrados y sobre tablones de madera la pérdida de resistencia probable en 3 meses es del 15% y en 6 meses del 25% aumentando sucesivamente, así como un aumento del tiempo de fraguado;
• Si el período de almacenamiento ha sido superior a un mes, se comprobará que las características del cemento continúan siendo adecuadas. Para ello, se realizarán los oportunos y previos ensayos de fraguado y resistencias mecánicas a tres y siete días, sobre una muestra representativa del cemento almacenado, sin excluir los terrones que hayan podido formarse.
Una manera práctica de evaluar se ha habido hidratación parcial del cemento almacenado consiste en tamizar una muestra por el tamiz Nº100, calculando el porcentaje retenido. Este % retenido, sin haber sufrido hidratación, oscila entre 0 y 0.5%.
Si el almacenamiento se realiza a granel, la conservación del cemento se efectua facil y correctamente en silos metálicos, estos pueden ser fijos, como los que poseen las plantas
dosificadoras, o móviles (portatiles) (figura 1.14).
En el mundo existen una gran variedad de tipos de cementos, estos tipos se distinguen según los requisitos tanto químicos como físicos. La norma ASTM especifica:
- 8tiposdecementoPórtland,ASTMC150:I, IA, II, IIA, III, IIIA,IV, V.
Tipo IS.- Cemento Pórtland con escoria de alto horno
Tipo IP.- Cemento Pórtland con adicion Puzolanica.
Tipo P.- Cemento Pórtlandcon puzolana para usoscuando no se requiere alta resistencia inicial. Tipo I (PM).-Cemento Pórtland con Puzolana modificado.
Tipo I (SM).-Cemento portland con escoria, modificado.
Tipo S.- Cemento con escoria para lacombinacion con cementoPortland en la fabricaciónde concreto y en combinacioncon cal hidratada en la fabricación delmortero de albañilería.
- 3tiposdecementoparamampostería,ASTMC91:N,M,S.
En Bolivia solo se fabrican los cementos del Tipo I, y IP por lo cual solo se desarrollaran estos con mayor detalle, del resto solo se presentaran sus características principales.
TIPO I, cemento común, para usos generales, es el que más se emplea para fines estructurales cuando no se requieren de las propiedades especiales especificadas para los otros cuatro tipos de cemento.
En las tablas 1.5 y 1.6 se dan diferentes características para los cementos Tipo I.
TIPO II, cemento modificado para usos generales y se emplea cuando se prevé una exposición moderada al ataque por sulfatos o cuando se requiere un moderado calor de hidratación. Estas características se logran al imponer limitaciones en el contenido de C3A y C3S del cemento. El cemento tipo II adquiere resistencia con más lentitud que el tipo I; pero a final de cuentas, alcanza la misma resistencia. Este tipo de cemento se usa en el hormigón expuesto al agua de mar.
TIPO III, cemento de alta resistencia inicial, recomendable cuando se necesita una resistencia temprana en una situación particular de construcción. Este cemento se obtiene por un molido más fino y un porcentaje más elevado de C3A y C3S. El hormigón tiene una resistencia a la compresión a los 3 días aproximadamente igual a la resistencia a la compresión a los 7 días para los tipos I y II y una resistencia a la compresión a los 7 días casi igual a la resistencia a la compresión a los 28 días para los tipos I y II. Sin embargo, la resistencia última es más o menos la misma o menor que la de los tipos I y II.
Dado que el cemento tipo III tiene un gran desprendimiento de calor, no se debe usar en hormigones masivos. Con un 15% de C3A presenta una mala resistencia a los sulfatos. El contenido de C3A puede limitarse al 8% para obtener una resistencia moderada a los sulfatos o a 5% cuando se requiere alta resistencia.
TIPO IV. Cemento de bajo calor de hidratación. Los porcentajes de C2S y C4AF son relativamente altos; El bajo calor de hidratación en el cemento tipo IV se logra limitando los compuestos que más influyen en la formación de calor por hidratación, o sea, C3A y C3S. Dado que estos compuestos también aportan la resistencia inicial de la mezcla de cemento, al limitarlos se tiene una mezcla que gana resistencia con lentitud. Este cemento se usa para estructuras de hormigón masivo, con bajas relaciones superficie/volumen. Requiere mucho más tiempo de curado que los otros tipos.
TIPO V. cemento resistente a los sulfatos. La resistencia al sulfato se logra minimizando el contenido de C3A (≤5%), pues este compuesto es el más susceptible al ataque por sulfatos.
Este tipo se usa en las estructuras expuestas a los sulfatos alcalinos del suelo o del agua, a los sulfatos de las aguas freáticas y para exposición al agua de mar.
Las resistencias relativas de los hormigones preparados con cada uno de los cinco tipos de cemento se comparan en la tabla 1.9, a cuatro edades diferentes; en cada edad, se han normalizado los valores de resistencia para comparación con el hormigón de cemento tipo I.
CON INCLUSIÓN DE AIRE, ASTM C150: TIPO IA, IIA Y IIIA,. Estos tipos tienen una composición semejante a las de los tipos I, II y III, excepto que durante la fabricación, se muele junto con estos últimos un agente inclusor de aire. Este constituye un mal método para obtener aire incluido, ya que no se puede hacer variar la dosis del agente para compensar otros factores que influyan en el contenido de aire en el hormigón.
Estos cementos se usan para la producción de hormigón expuesto a heladas severas.
CEMENTOS MEZCLADOS ASTM C595: TIPO IS, IP, P, I(PM), I(SM), S. Estos cementos consisten en mezclas, que se muelen juntas, de clinker y ceniza muy fina, puzolana natural o calcinada, o bien, escoria, dentro de los límites en porcentaje especificados de los componentes. También pueden consistir en mezclas de cal de escoria y cal de puzolana. En general, pero no necesariamente, estos cementos dan lugar a una resistencia mayor a la reacción álcali-agregado, al ataque por sulfato y al ataque del agua de mar, pero requieren un curado de mayor duración y tienden a ser menos resistentes a los daños por la sal para deshelar y descongelar. Dan lugar a una menor liberación de calor y es posible que ganen resistencia con mayor lentitud, en especial a bajas temperaturas.
Cementos Puzolánicos1.- Endurecen más lentamente, en especial en ambiente frío, y requieren en general más agua de amasado que el Pórtland normal; pero a largo plazo llegan a superar las resistencias de este, confiere al hormigón una elevada densidad, disminuyendo su porosidad y haciéndolo mas compacto, lo que aumenta su resistencia química. Todo ello lo hace recomendable para gran numero de obras (canales, pavimentos. obras en aguas muy puras o ambientes medianamente agresivos, hormigonados bajo agua, obras marítimas, etc.).
Cemento de Alto Horno.- Se obtiene por enfriamiento brusco en agua de la ganga fundida procedente de procesos siderúrgicos. Dado su contenido en cal combinada, la escoria no es una simple puzolana, sino que tiene de por si propiedades hidráulicas, es decir, que es un verdadero cemento, fragua y endurece muy lentamente, por lo que debe ser acelerada por la presencia de algo que libere cal, como el clinker de Pórtland.
Estos cementos presentan poca retracción y un débil calor de hidratación, por lo que pueden ser utilizados sin riesgo en grandes macizos. A cambio y por la misma razón, son muy sensibles a las bajas temperaturas, que retardan apreciablemente su endurecimiento, por lo que no deben utilizarse por debajo delos+5ºC.
PARA MAMPOSTERÍA, ASTM C91, TIPO N, S Y M. Son cementos de baja resistencia utilizados exclusivamente en albañilería. El tipo M tiene la resistencia más alta, alcanzando
20MPa. Una característica de este tipo de cemento es su mayor plasticidad. Este tipo se usa también para revoque; asimismo, suele contener una piedra caliza finamente molida junto con el clinker y un plastificante inclusor de aire. Una marca que se encuentra en el mercado es CALCEMIT.
CEMENTO BLANCO. Este tipo cumple con los requisitos del tipo I o del tipo III, o los de ambos. En él se utilizan materias primas de bajo hierro y bajo manganeso y un apagado especial para producir un color blanco puro.
API especial 10 para pozos petroleros. Este tipo consta de varias clases y está diseñado para satisfacer las condiciones de presión y temperatura elevadas que se encuentran en la inyección de grout en los pozos petroleros. Este tipo produce una pasta aguada de baja viscosidad y fraguado lento, tan líquida como es posible para facilitar el bombeo a presión en los pozos profundos. Es de bajo contenido de C3A, de molido grueso y no puede contener alguna sustancia para ayudar a la pulverización.
TIPOS EXPANSIVOS. Estos tipos se usan para inhibir la contracción del hormigón y minimizar el agrietamiento. Tienen baja resistencia al sulfato.
CEMENTOS DE ALTA ALÚMINA. Este tipo contiene aluminatos de calcio, en lugar de silicatos de calcio. Tiene una elevada resistencia temprana (a las 24hrs) y propiedades refractarias. Puede experimentar un 40% de regresión en la resistencia después de secar durante un periodo de 6 meses, si el hormigón no se mantiene frío durante las primeras 24 h después de mezclar y vaciar.