Cálculo de caudales
Para el correcto diseño de una red de saneamiento, es imprescindible realizar una estimación de los caudales de aguas residuales que serán transportados por las conducciones , tanto los caudales actuales como los transportados en el futuro en el año horizonte de proyecto. Con estos caudales impondremos condiciones de velocidades máximas y mínimas en las tuberías, regímenes de funcionamiento en las estaciones de bombeo, etc., y diseñar nuestra red de saneamiento.
Los caudales recogidos por la red de saneamiento en el caso de una red unitaria serán:
- Los caudales de aguas negras urbanas
- Los caudales de aguas residuales industriales
- Los caudales de aguas de lluvia
- Los caudales de infiltración en la red
Caudales de aguas negras urbanas
Conocida la población para un año horizonte de 25 años y conocida la dotación en el futuro, podemos obtener los valores estimados de caudal de aguas negras que llegarán a la red. El caudal medio diario (m3/día) vendrá dado por la expresión:
Qd = C x P25 x D25 donde P25 / Población dentro de 25 años
D25 / dotación en 25 años
C / coeficiente de pérdidas en la red (0,8 – 0,85)
El caudal medio horario (m3/h) será : Qmed = Qd / 24
Para obtener el caudal máximo (m3/h) de aguas negras que circulará por la red en el año horizonte, multiplicaremos el caudal medio por los coeficientes de factor punta y estacional.
Qmax = Cp x Ce x Qmed
El caudal mínimo (m3/h), que tienen que obtenerse para la época actual, debería obtenerse con una compaña de muestreos. Su valor puede encontrarse entre 0,2 y 0,4 veces el caudal medio.
Para comprobar todos estos valores, lo más adecuado es asistir a una campaña de medición de caudales que nos ofrecerá datos reales sobre la dotación, las pérdidas en la red y los valores de los factores punta y valor mínimo de caudal.
Los caudales de aguas negras pueden tener varios orígenes , lo que puede afectar sobremanera al régimen de flujos diarios. Las principales fuentes son:
- Consumos domésticos
- Consumo en instalaciones turísticas
- Consumo en comercios y establecimientos de servicios
- Consumos industriales
- Consumos agrícolas
Esta variabilidad de la naturaleza de los consumos hace necesaria una encuesta de los distintos comercios e industrias existentes en una población para definir los caudales. También debe recabarse información en el Ayuntamiento sobre los futuros planes urbanísticos que conllevarán un incremento de población servida.
Caudales de escorrentía superficial
Se denomina caudal de escorrentía superficial o caudal de cálculo de lluvia, al máximo caudal de lluvia que se decide admitir en la red de saneamiento. La decisión de adoptar un mayor o menor caudal de cálculo viene determinada por los daños que pudieran crear las inundaciones. Por tanto entra en juego la teoría del riesgo, comparando los daños originados por las inundaciones en relación con el sobreprecio de los sistemas de evacuación.
Para la obtención del caudal máximo de lluvia, se deben tener datos sobre las precipitaciones acaecidas para estimar la intensidad máxima horaria para un periodo de retorno dado.
El método más usualmente utilizado es el método racional, en el que el máximo caudal evacuado en una zona para una determinada frecuencia de precipitación será:
Qmax = I x S x j donde
Qmax / Caudal de cálculo de la escorrentía
I / Intensidad media de lluvia correspondiente a la máxima precipitación para un periodo de retorno y un tiempo de aguacero determinado
S / Superficie de la cuenca
j / Coeficiente de escorrentía
Coeficiente de escorrentía ( j )
Es el cociente del caudal que discurre por la superficie y el caudal total precipitado. El coeficiente de escorrentía depende de la intensidad del aguacero y su tiempo de lluvia, pero principalmente es función del tipo de terreno. En función de si la superficie del terreno está más o menos urbanizada (el pavimento es impermeable), el coeficiente de escorrentía será mayor o menor. Por poner un ejemplo, una zona urbana residencial densamente poblada y urbanizada, puede tener un coeficiente de escorrentía entre 0,75 y 0,90. Por el contrario, una zona residencial unifamiliar de extrarradio puede tener un coeficiente de escorrentía menor, entre 0,20 – 0,50. Los caudales generados por una misma lluvia son mayores en el primer caso, la zona densamente poblada.
Periodo de retorno de una lluvia
Se define como el número de años en que se supera, una vez como promedio, la intensidad media de dicha precipitación en lluvias de análoga duración. A mayor periodo de retorno, el caudal de lluvia asociado a ese periodo de retorno será mayor.
El criterio más importante para elegir el periodo de retorno es el riesgo de daños humanos o materiales que pueda producir una inundación, de manera que cuando los daños producidos sean solamente molestias, se pueden adoptar periodos de retorno bajos (T = 2 años) que dan como resultado tuberías de menos diámetro.
Como periodo de retorno tipo, se toma el valor de 10 años; pero como valores orientativos en función de las obras se adopta:
- Emisarios y colectores generales 25 años
- Zonas de alto valor del suelo 10 – 20 años
- Zonas de riqueza media del suelo 5 – 10 años
- Zonas aisladas o rurales 2 años
Tiempo de concentración de un aguacero
Es el tiempo empleado por una gota de agua caída en el lugar más alejado de la cuenca en llegar a un punto llamado de control. El tiempo de concentración es la suma del tiempo de escorrentía y el tiempo de recorrido. Para una lluvia dada es el tiempo en que tarda en aportar caudales toda la cuenca al interceptor y, por tanto, su valor nos dará el caudal máximo de la cuenca para dicha lluvia.
El tiempo de escorrentía es el tiempo necesario para que una gota de lluvia caída en el punto más alejado entre en la red de alcantarillado. Este tiempo depende de la distancia que tiene que recorrer la gota, la pendiente y la impermeabilidad del terreno. Un valor normal en zonas urbanizadas está entre 5 y 10 minutos.
El tiempo de recorrido es el tiempo que tarda en llegar la gota de agua desde que entra en la red de alcantarillado hasta el punto de control.
La intensidad de una lluvia varía con su duración. Las lluvias más cortas son en general más intensas. En los ramales cortos, son los aguaceros breves y violentos los que proporcionan un mayor caudal. En los de gran longitud, son las lluvias persistentes las que los determinan.
CURVAS I.D.F . Para estudiar la intensidad de la precipitación en un punto, debemos tener dos factores en cuenta, la frecuencia o periodo de retorno, que es función de los riesgos admitidos, y la duración de la lluvia.
Para cada zona, podemos establecer los datos pluviométricos mediante las curvas I.D.F. (Intensidad-duración-frecuencia). En un gráfico I.D.F. entrando con el tiempo de concentración como duración de la lluvia y con un periodo de retorno elegido, podremos obtener la lluvia de cálculo.
PLANO DE PRECIPITACIONES MÁXIMAS EN UNA HORA . Existen planos de España que no ofrecen líneas isopluviométricas de la precipitación de máxima intensidad media para periodos de retorno de 5, 10 y 25 años. Para pasar el valor obtenido a la intensidad de aguacero es necesario utilizar las curvas de intensidad-duración.
Un concepto importante para la obtención de la lluvia que aportará el máximo caudal, es el concepto de tiempo de concentración, pues para una lluvia dada es el tiempo en que tarda en aportar caudales toda la cuenca al interceptor y, por tanto, su valor nos dará el caudal máximo de la cuenca para una lluvia dada.
Otro concepto importante en grandes redes de alcantarillado es el coeficiente de retraso. Puede darse el caso en una gran cuenca de que, cuando cesa el aguacero, la última gota de lluvia no haya llegado al punto de control. En este caso, la zona inferior del alcantarillado deja de enviar agua al punto de control mientras la proveniente del punto más alejado se encuentra en el recorrido. Por tanto, se denomina coeficiente de retraso a la relación entre el caudal real y el máximo teórico.
