Kitabı oku: «Replanteo de redes de distribución de agua y saneamiento. ENAT0108»

Capítulo 1

El agua. Propiedades y comportamiento en la red

1. Introducción

En este capítulo se describe el ciclo integral del agua, pasando por los modelos de eficiencia y técnicas de gestión para realizar un buen uso de los recursos.

Posteriormente, se tratarán temas de la física de fluidos en redes de abastecimiento y saneamiento, presentando los conceptos más importantes y ecuaciones de interés que modelan el comportamiento del agua.

Por último, se hará referencia a las distintas normativas que se deben tener en cuenta en este campo, como son las normativas básicas, ordenanzas municipales y normativa de seguridad.

2. El ciclo integral del agua

Se entiende por ciclo integral del agua el recorrido realizado por el agua desde su captación de la naturaleza, pasando por los procesos de potabilización y tratamiento, hasta su disponibilidad en los hogares. El ciclo se cierra cuando el agua se reintegra nuevamente en la naturaleza, previo paso por tratamientos de depuración posteriores a su uso, en condiciones óptimas para que no perjudique al medio ambiente.

Sabía que...

La gestión del ciclo del agua tiene una gran importancia, debido a que ha de realizarse de manera que todos los tipos de consumidores finales como hogares, industria o agricultura, vean cubiertas sus necesidades sin dañar el medio ambiente.

De forma esquemática, las fases más representativas del ciclo del agua son las siguientes:

1 Captación: el proceso de captación se refiere a la toma de agua de fuentes naturales, como pantanos, ríos o recursos subterráneos (pozos).

2 Transporte: esta parte del ciclo consiste en llevar el agua hasta las instalaciones de tratamiento.

3 Tratamiento: consiste en someter el agua recogida de la captación a distintos tipos de procesos, como decantación y cloración, para eliminar los patógenos perjudiciales para el consumidor final, consiguiendo así las garantías y requisitos establecidos por sanidad.

4 Distribución: se refiere a llevar el agua tratada desde las estaciones del tratamiento al punto de consumo final, como hogares y negocios.

5 Evacuación de las aguas residuales: mediante redes de alcantarillado, las aguas residuales son conducidas a estaciones de tratamiento para poder devolverse a los ríos o al mar sin producir impacto ambiental.

3. Modelos de gestión eficiente y técnicas para el uso racional del agua

Los modelos de gestión de los recursos hídricos toman como base el ciclo natural del agua, considerando su preservación en óptimo estado como el mejor legado y garantía para las generaciones futuras.

En principio, se podría pensar que la gestión de los sistemas puede ser solo privada o pública, pero existe un gran abanico de posibilidades entre estas dos soluciones como:

1 Cooperativa.

2 Contrato de servicios.

3 Contrato de gestión.

4 Contrato de arrendamiento.

5 BOT, BOOT.

6 Concesión.

7 Transferencia.

El siguiente gráfico muestra los distintos modelos de gestión existentes y las relaciones entre la gestión del servicio y el organismo propietario de la infraestructura. Asimismo, aparecen las posibilidades de propiedad y gestión pública-privada de los sistemas de agua.

Adaptación de Webster & Sansom (1999) y UNDP-Bureau for Development Policy en base a la legislación nacional vigente en mayo de 2004.

La delegación en el sector privado de modelos de gestión del agua consiste en transferir los derechos sobre un bien, como es el agua, de una empresa pública al sector privado.

Los términos que se encuentran dentro de la elipse, están ordenados según el grado de transferibilidad de responsabilidad en la prestación del servicio de abastecimiento de agua.

Así, el contrato de servicios delega la responsabilidad de la prestación al 100% en la administración pública, aunque la administración adquiera los servicios necesarios del sector privado.

Por otra parte, la administración pública puede prescindir de la prestación del servicio en cuestión, pasando este a pertenecer íntegramente al sector privado.

En la construcción, renovación y operación de la red de aguas, se puede optar por un modelo de Construcción, Operación y Transferencia –BOT por sus siglas en inglés– y sus variaciones Construcción, Operación, Propiedad y Transferencia –BOOT, por sus siglas en inglés–.

Nota

Esta evolución de la prestación del servicio se conoce como transferencia.

También existen modelos de prestación de servicios para la operación de los sistemas de agua y saneamiento: los contratos de gestión, –en los que una gerencia dirige el sistema de agua–, contratos de operación y mantenimiento y el arrendamiento.

Las etapas para establecer un programa de uso eficiente y racional del agua son las siguientes:

1 Determinación de los objetivos.

2 Identificación de medidas de reducción del consumo.

3 Identificación de los impactos de las medidas de reducción.

4 Evaluación preliminar de medidas factibles para eliminar las indeseables.

5 Análisis de costos y beneficios del programa.

6 Determinación del presupuesto necesario para ejecutar el programa.

7 Desarrollo, evaluación y seguimiento del programa.

El éxito de las medidas de reducción de consumo no solo reside en los cambios físicos; estas normas son de gran importancia para conseguir los objetivos del cambio en los hábitos del uso del agua.

Algunas de las técnicas con las que se consigue un ahorro en el uso del agua son:

1 Detección y reparación de fugas.

2 Dispositivos ahorradores de agua.

3 Sistemas de reciclaje.

4 Cambios de procesos.

5 Fuentes alternativas de agua.

6 Cambio en los hábitos de consumo.

7 Mediciones.

Sabía que...

Los recursos de agua dulce no son inagotables, por lo que es preciso preservarlos, administrarlos y, a ser posible, acrecentarlos; por tanto, los modelos de gestión eficiente son de gran importancia.

Aplicación práctica

Imagínese que es usted un empresario de la construcción que tiene pensado construir una serie de viviendas. El emplazamiento de la urbanización se encuentra en un sitio aislado donde no llegan las redes de distribución de agua. A grandes rasgos, describa qué debería tener en consideración antes de acometer el proyecto en lo que se refiere al abastecimiento de agua.

SOLUCIÓN

Una posible solución a esta aplicación podría ser la siguiente:

1 En primer lugar debería plantearse de dónde captar el agua, para ello habría que realizar un estudio del terreno por si hubiera fuentes naturales: pozos, ríos, pantanos... Si no existieran dichas fuentes, habría que estudiar la posibilidad de tomar el suministro de la población más cercana.

2 En segundo lugar, se debería estudiar cómo realizar el transporte, habría que desarrollar el tipo de red de distribución adecuada y materiales de tuberías. Sin olvidarse de realizar un estudio del terreno.

3 Por último, habría que tener en cuenta la necesidad de instalar una estación de tratamiento para las aguas usadas.

4. Física de fluidos en redes de abastecimiento y saneamiento

La física de fluidos estudia el comportamiento de estos en distintos medios. Los fluidos se dividen en gases y líquidos. La característica principal de un fluido es la de no poseer un volumen definido, por lo que se adapta a los recipientes o conductos que lo contienen.

Existe una diferencia fundamental entre líquidos y gases, ya que los líquidos se consideran incompresibles y los gases compresibles.

4.1. Hidrostática e hidrodinámica

Hidrostática

La hidrostática hace referencia al estudio de los fluidos en condiciones de reposo.

Los conceptos básicos de la hidrostática son:

1 Definición de presión: es el cociente o la relación entre una fuerza y una superficie –a la cual se aplica–.

2 Definición de presión hidrostática: es debida al peso de un fluido en reposo. Es la única presión existente que posee un fluido en reposo.Siendo:P: la presión hidrostática (en pascales).p: la densidad del líquido (en kilogramos sobre metro cúbico).g: la aceleración de la gravedad (en metros sobre segundo al cuadrado).h: la altura del fluido (en metros). Un líquido en equilibrio ejerce fuerzas perpendiculares sobre cualquier superficie sumergida en su interior.P0: la presión atmosférica.

3 Principio de Arquímedes: todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje de abajo arriba que equivale al peso del fluido desalojado. Sabía que: Arquímedes (287 - 212 a. C.) nació en Grecia, se dedicó a las matemáticas, física, ingeniería, astronomía, etc. Por sus numerosos descubrimientos es considerado uno de los mayores científicos de la antigüedad.

4 Principio de Pascal: el principio de Pascal afirma que si se ejerce cualquier presión sobre la superficie de un líquido que está en equilibrio, dicha presión se transmitirá en todos los sentidos, repartiéndose por todas las moléculas del líquido.

5 Presión sobre una pared plana: la presión que los líquidos ejercen contra una pared plana es siempre perpendicular a ella.

6 Presión total o empuje: la fuerza total que soporta una superficie.

Hidrodinámica

Es la parte de la hidráulica que estudia los líquidos en movimiento.

Algunos de los conceptos necesarios para el estudio hidrodinámico de las partículas en el agua son:

1 Fluidos perfectos: se caracterizan por tener viscosidad nula. Importante: Debido a esta característica se considera que solo están sometidos a tensiones normales.

2 Fluidos reales: se caracterizan por tener tensiones normales y tangenciales, ya que su viscosidad no es nula.

3 Corriente: es el estado del movimiento característico del agua.

4 Línea de corriente: es la componente tangencial al vector velocidad en cada punto en el que el agua está en movimiento.

5 Superficie de corriente: es la superficie que se forma al unir varias líneas de corriente.

6 Tubo de corriente: se da cuando la superficie de corriente se cierra.

Además de estos términos, a continuación se van a detallar algunos más.

Ecuación de continuidad

Es considerada como la ecuación de conservación de la masa.

Se ilustrará mediante la siguiente experiencia:

1 Se consideran dos secciones s1 y s2 en conducto por las que circula un líquido.

2 Se tienen las siguientes velocidades v1 y v2, correspondientes a cada sección.

3 Suponiendo que en el tramo de la tubería comprendido entre s1 y s2 no existen aportes ni consumos (no hay aporte de líquido, ni sumidero).Se demuestra que el caudal másico que atraviesa la sección s1 ha de ser igual que el caudal másico que atraviesa s2.

Considerando como líquido de trabajo el agua, dado que su compresibilidad es despreciable, se tiene: p1 = p2

Entonces,

Debido a las consideraciones anteriores se demuestra que el caudal volumétrico en una tubería, sin aportes ni consumos intermedios, es constante.

De la ecuación anterior se deduce que las velocidades medias de un flujo líquido son inversamente proporcionales a sus respectivas secciones.

Ecuación de Bernuilli

Se corresponde con la ecuación de conservación de la energía.

La ecuación de Bernuilli se traduce de la siguiente manera: si se tiene un fluido en movimiento sometido a la acción de la gravedad, la suma de las alturas cinética, piezométrica y potencial permanece constante.

La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:

1 Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.

2 Potencial gravitacional: es la energía debida a la altitud que un fluido posea.

3 Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.

Donde:

1 V = velocidad del fluido en la sección considerada

2 g = aceleración gravitatoria

3 z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia

4 P = presión a lo largo de la línea de corriente

5 p = densidad del fluido

Número de Reynolds

Es un número adimensional que representa la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de viscosidad en una corriente de fluido:

Siendo:

1 L= longitud característica de la tubería

2 v = velocidad promedio del fluido

3 ρ = densidad del fluido

4 μ = viscosidad del fluido

El número de Reynolds es de gran importancia, ya que sirve para:

1 Poder determinar la velocidad crítica del régimen de una corriente de líquido.

2 Calcular las pérdidas de carga en conducciones.

Régimen laminar y turbulento

En el régimen laminar, las partículas del líquido se mueven siempre a lo largo de trayectorias uniformes, de forma estratificada y suave. En el flujo laminar, las partículas se mueven con el mismo sentido, dirección y magnitud.

En el régimen turbulento las partículas se mueven siguiendo trayectorias caóticas, desordenadas, con formación de remolinos aperiódicos. Si aumenta la velocidad del fluido, se da un aumento proporcional del número de Reynolds y, por tanto, crecen las turbulencias.

Importante

El paso de régimen laminar a turbulento no se produce de manera instantánea.

1 Re < 2000: Régimen laminar.

2 2000 < Re < 4000: Zona crítica o de transición.

3 Re > 4000: Régimen turbulento.