Análisis de la Demanda de Agua Potable y Aguas Residuales en México, Guías, Proyectos, Investigaciones de Instalaciones de Fluidos

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Comisión Nacional del Agua

MANUAL DE AGUA POTABLE,

ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO

DATOS BÁSICOS

Diciembre de 2007

www.cna.gob.mx

ADVERTENCIA

Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la fuente.

Esta publicación forma parte de los productos generados por la Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la Comisión Nacional del Agua.

Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento.

Edición 2007 ISBN: 978-968-817-880-

Autor: Comisión Nacional del Agua Insurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El Bajo C.P. 04340, Coyoacán, México, D.F. Tel. (55) 5174- www.cna.gob.mx

Editor: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaña, C.P 14210, Tlalpan, México, D.F.

Impreso en México Distribución gratuita. Prohibida su venta.

ELABORACIÓN

1ª Edición

Leonel Ochoa Alejo (1), Joel Rangel Moreno (1), José Manuel Rodríguez Varela (1), Antonio Delgado Bocanegra (1), Armando Vázquez Luján (1)

2ª Edición

COMISIÓN NACIONAL DEL AGUA

3ª Edición

Dr. Velitchko G. Tzatchkov (1)

REVISIÓN 3ª Edición

Ing. Eduardo Martínez Oliver (2)

Ing. Héctor E. Álvarez Novoa (2)

(1) (^) Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA)

(2) (^) Comisión Nacional del Agua (CNA)

i

CONTENIDO

GLOSARIO

Alcantarillado: conjunto de tuberías que conducen las aguas residuales hasta el sitio de disposición final de las mismas.

Aportación: volumen de agua residual desechada por el usuario después de su uso.

Atarjea: tubería por la cual son transportadas las aguas residuales provenientes de los albañales y conducciones hacia los subcolectores y/o colectores.

Coeficiente de fricción: parámetro de diseño hidráulico que permite determinar las pérdidas de energía en un acueducto.

Consumo de agua: volumen de agua utilizado para cubrir las necesidades de los usuarios. Hay diferentes tipos de consumos: doméstico, no-doméstico (dividido en comercial e industrial) y público.

Demanda: cantidad de agua requerida por una localidad completa, una parte de ella, sector industrial, o industria específica, para facilitar las actividades (domésticas, comerciales, industriales, turísticas, etc.) que ahí tienen lugar.

Descarga domiciliaria: conjunto de elementos que sirven para conectar el sistema interno de desagüe de una vivienda con el sistema de atarjeas.

Distrito hidrométrico: sección de la red de agua potable en la que se controlan las entradas y salidas, para realizar mediciones de consumo y hacer el balance de volúmenes de agua.

Dotación: cantidad de agua asignada a cada habitante para satisfacer sus necesidades personales en un día medio anual. (Es el cociente de la demanda entre la población de proyecto). Consumo diario promedio per cápita.

Estación de bombeo: sitio en donde se instalan equipos mecánicos para elevar el agua de un lugar bajo a otro elevado.

Fuente de abastecimiento: sitio del cual se toma el agua para suministro al sistema de distribución.

Gasto: volumen de agua medido en una unidad de tiempo, generalmente se expresa en litros por segundo.

Línea de conducción: elemento que sirve para transportar el agua de un lugar a otro de manera continua (generalmente tubos) y puede trabajar a presión en el caso de tuberías o a superficie libre, en caso de canales y tuberías.

Pérdida física: volumen de agua que entra al sistema de distribución de agua, que no es consumido.

Período de diseño: lapso para el cual se diseña el sistema. Es el período en que se estima que la obra o elemento del proyecto alcanza su máxima eficiencia.

Planta de potabilización: sitio en el cual se eliminan del agua los elementos nocivos para la salud humana.

Población de proyecto: número de habitantes de una, localidad al final del período de diseño.

Red de distribución: sistema de tuberías que conduce el agua potable a lo largo de las calles de una localidad para consumo de los usuarios.

Toma domiciliaria: conjunto de elementos conectados a la red de distribución que sirven para entregar el agua a los usuarios dentro del predio.

Vida útil: es el lapso en el cual se estima que la obra o elemento del proyecto funciona adecuadamente.

1. GENERALES

1.1 POBLACIÓN DE PROYECTO

La población de proyecto es la cantidad de personas que se espera tener en una localidad al final del período de diseño del sistema de agua potable y alcantarillado.

En ediciones anteriores de este manual de datos básicos se indicaban métodos de proyección de población por comparación o por ajuste de curvas por mínimos cuadrados. Estos métodos se basaban en una extrapolación de datos históricos de crecimiento de la población, que suponen que la población crecerá en el futuro con las mismas tendencias como en el pasado. La dinámica de la población sin embargo es mucho más compleja. En ella intervienen las tasas de fecundidad, mortalidad y la esperanza de vida, así como la migración internacional (entre los Estados Unidos de Norteamérica y México en primer lugar) y la migración nacional entre los estados y dentro de los municipios en un estado. Para entender los cambios en esas tasas, la Figura 1.1 muestra la variación histórica en México desde el año 1960, y proyectada hasta el año 2050, de la fecundad expresada en hijos por mujer. Mientras en los años 60 las mujeres mexicanas tenían un promedio de más de 7 hijos por mujer, a partir del año 2010 tendrán menos de 2. La Figura 1.2 a su vez muestra la evolución de la esperanza de vida en México, que está en franco aumento. En resultado, la tasa de crecimiento de la población en el país va disminuyendo, como se muestra en la Figura 1.3. Las Figuras 1.1 a 1.3 son tomadas de documentos oficiales del Consejo Nacional de Población (CONAPO), disponibles de su página Internet www.conapo.gob.mx. Se refieren al país México completo, no obstante del CONAPO se pueden conseguir por estados también.

Figura 1.

Figura 1.

Figura 1.

Por lo anterior, la proyección de la población debe de realizarse con un estudio que considere esos factores, con base en los datos disponibles o factibles de obtener para la localidad en cuestión. La Comisión Nacional del Agua ha editado la Norma Técnica NT-011-CNA-2001 “Métodos de Proyección de Población” que explica los procedimientos a seguir para ese fin, en diferentes situaciones en cuanto a los datos disponibles. La población que habrá n años después del año i se calcula por la siguiente ecuación:

1.2.1 Vida útil

Es el tiempo que se espera que la obra sirva a los propósitos de diseño, sin tener gastos de operación y mantenimiento elevados, que hagan antieconómico su uso o que requiera ser eliminada por insuficiente.

Este período está determinado por la duración misma de los materiales de los que estén hechos los componentes, por lo que es de esperar que este lapso sea mayor que el período de diseño. Otros factores que determinan la vida útil de las obras de agua potable y alcantarillado son la calidad del agua a manejar y la operación y mantenimiento del sistema.

Se deben tomar en cuenta todos los factores, características y posibles riesgos de cada proyecto en particular, para establecer adecuadamente el período de vida útil de cada una de las partes del sistema de agua potable, alcantarillado y saneamiento.

2. PROYECTOS DE AGUA POTABLE

2.1 CONSUMO

El consumo es la parte del suministro de agua potable que generalmente utilizan los usuarios, sin considerar las pérdidas en el sistema. Se expresa en unidades de m3/día o l/día, o bien cuando se trata de consumo per cápita se utiliza I/hab/día.

El consumo de agua se determina de acuerdo con el tipo de usuarios, se divide según su uso en: doméstico y no-doméstico; el consumo doméstico, se subdivide según la clase socioeconómica de la población en residencial, medio y popular (tabla 2.1). El consumo no doméstico incluye el comercial, el industrial y de servicios públicos; a su vez, el consumo industrial se clasifica en industrial de servicio e industrial de producción (fábricas), esta clasificación se resume en el siguiente diagrama:

Residencial

Doméstico Medio

Popular

Consumo Comercial De servicios No doméstico Industrial De producción

Servicios públicos

2.1.1 Consumo doméstico

Se refiere al agua usada en las viviendas. Este consumo depende principalmente del clima y la clase socioeconómica de los usuarios. El consumo domésticos medio de una clase socioeconómica puede presentar diferencias, por diversas causas, entre las que sobresalen: la presión en la red, la intermitencia en el servicio, la suficiencia del abastecimiento de agua, la existencia de alcantarillado sanitario y el precio del agua.

La CNA a través del IMTA, desarrolló un estudio de actualización de dotaciones en el país (ref. 3), del que se obtuvo como resultado una serie de valores de consumo doméstico por clase socioeconómica y clima, que se dan: en la tabla 5.3 (segunda

pequeñas localidades, salvo casos especiales, se considera innecesario proyectar sistemas de abastecimiento de agua potable que incluyan protección contra incendios. En localidades medianas o grandes, el problema debe ser estudiado y justificado en cada caso, de acuerdo con las características particulares, en coordinación con el H. Cuerpo de Bomberos, y en su caso considerar los valores que se dan en la tabla 5.9.

La Comisión Nacional del Agua ha editado la Norma Técnica NT-008-CNA- “Determinación de Consumos Unitarios de Agua Potable” que explica los procedimientos a seguir para este fin.

2.2 DEMANDA

2.2.1 Demanda actual

La demanda actual es la suma de los consumos para cada tipo de usuario más las pérdidas físicas.

Los consumos por tipo de usuarios se obtienen:

Consumo doméstico.- Multiplicando el consumo, per cápita de cada sector socioeconómico por la población correspondiente.

Consumo comercial.- Producto del consumo de cada local por el total de locales, de los comercios existentes en el sistema.

Consumo industrial de servicios.- Se obtiene de multiplicar los consumos de cada trabajador por el total de trabajadores de cada una de las industria de la localidad. En el caso de hoteles, será el consumo de cada cuarto, por el número total de cuartos.

Consumo industrial de producción.- Se obtiene en forma particular de cada industria de acuerdo con sus necesidades, o bien multiplicando el consumo por unidad de producción por su volumen de producción de cada fábrica.

Consumos públicos.- Producto del consumo, en hospitales y escuelas, de cada paciente o estudiante por el total de enfermos o alumnos, respectivamente; también, habrá que considerar el consumo de parques y servicios contra incendio, cuando sea el caso.

Pérdidas de agua.- Volumen que se pierde en el sistema de distribución, obtenido como se indica en el inciso 2.2.2.

La demanda es función de factores como: clase socioeconómica, porcentaje de población de cada estrato socioeconómico, tamaño de la población, clima, existencia de alcantarillado sanitario, tipo de abastecimiento, calidad del agua y costo del agua.

Clase socioeconómica: la demanda crece conforme se incrementa el nivel económico de la población, debido a que cambian los hábitos de uso del agua.

Porcentaje de cada clase socioeconómica: En general a mayor proporción de niveles residenciales la demanda se incrementa.

Tamaño de la población: la demanda aumenta a medida que la población de una ciudad o región se incrementa, debido a que crecen sus requerimientos de agua para uso público e industrial.

Características de la población: el consumo per cápita dependerá de la actividad principal y costumbres de la población.

Clima: la demanda de agua aumenta en poblaciones donde la temperatura es más elevada que en las zonas templadas.

Existencia de alcantarillado: Cuando la comunidad cuenta con sistemas de saneamiento que utilizan, alcantarillado para la disposición de sus desechos, se incrementa la demanda de agua potable.

Tipo de abastecimiento: la demanda en poblaciones que cuentan con un sistema formal de abastecimiento, es mayor que en aquellas que cuentan con un sistema más rudimentario.

Calidad del agua: la demanda de agua es mayor cuando su calidad es buena ya que se diversifican sus usos.

Precio del agua: al aumentar el precio del agua, disminuye la demanda.

2.2.2 Pérdidas físicas

Las pérdidas físicas se refieren al agua que se escapa por fugas en líneas de conducción, tanques, red de distribución, y tomas domiciliarias.

En estudios de campo (ref. 6), se ha definido que estas pérdidas se determinan a partir de muestreos de inspección y aforo (fugas en tomas domiciliarias); de medición en sectores controlados, llamados distritos hidrométricos (fugas en tuberías principales y secundarías y pérdidas en tomas clandestinas); y de verificación de un grupo de micromedidores domiciliarios (pérdidas por mala medición).

El volumen diario de pérdidas físicas, Vp, que se considera para el cálculo de las demandas y dotaciones será el obtenido con la ecuación 2.1.

V (^) p = Vfr + V ft (2.1)

actividad comercial, industrial, la demanda actual, el pronóstico de crecimiento de la población y su actividad económica.

Para la predicción de la demanda se debe considerar lo siguiente:

La proyección del volumen doméstico total se realiza multiplicando los valores de las proyecciones de población de cada clase socioeconómica, por sus correspondientes consumos per cápita para cada año, dentro del horizonte de proyecto.

Cuando las demandas comercial, industrial y turística sean poco significativas con relación a la demanda doméstica, y no existan proyectos de desarrollo para estos sectores, las primeras quedan incluidas en la demanda doméstica.

Cuando las demandas de los sectores comercial, industrial y turístico sean importantes, deberán considerarse las tendencias de crecimiento histórico con los censos económicos o con proyectos de desarrollo, del sector público o de la iniciativa privada, y se aplicarán los consumos de cada sector a las proyecciones correspondientes.

Por lo que se refiere a las pérdidas físicas de agua, su valor se estima a partir de su comportamiento histórico tomando en cuenta los proyectos de mantenimiento y rehabilitación probables, así como el establecimiento de un programa de control de fugas.

2.3 DOTACIÓN

La dotación es la cantidad de agua asignada a cada habitante, considerando todos los consumos de los servicios y las pérdidas físicas en el sistema, en un día medio anual; sus unidades están dadas en l/hab/día.

La dotación media de la localidad se obtiene a partir de un estudio de demandas (secciones 2.4.2 y 2.4.3 de la segunda parte), dividiendo el consumo total, que incluye servicio doméstico, comercial, industrial y de servicios públicos, y las pérdidas físicas de agua, entre el número de habitantes de la localidad. Cabe hacer la aclaración que para el diseño de los elementos de un sistema de agua potable, se calculará la dotación particular que le corresponde a cada zona (habitacional: residencial, media o popular; comercial o industrial).

Para determinar la demanda de agua potable de una ciudad deben considerarse factores como: tamaño de la ciudad, distribución de la población por estrato socieconómico, clima y sus variaciones en el año, existencia de alcantarillado, y otros. Una especial importancia en este determinación reviste el concepto de elasticidad de la demanda que expresa la reacción de los usuarios cuando cambia algún parámetro de influencia (como precio unitario del producto, ingreso familiar, clima, etc.). La elasticidad de la demanda es un parámetro esencial en el estudio de

evaluación socioeconómica, que ahora es necesario para justificar la necesidad de cualquier proyecto de agua potable.

La Comisión Nacional del Agua ha editado la Norma Técnica NT-009-CNA- “Cálculo de la Demanda de Agua Potable” que explica los procedimientos a seguir para este fin, así como documentos para la evaluación socioeconómica de proyectos.

2.4 COEFICIENTES DE VARIACIÓN

Los coeficientes de variación se derivan de la fluctuación de la demanda debido a los días laborables y otras actividades.

Los requerimientos de agua para un sistema de distribución no son constantes durante el año, ni el día, sino que la demanda varía en forma diaria y horaria. Debido a la importancia de estas fluctuaciones para el abastecimiento de agua potable, es necesario obtener los gastos Máximo Diario y Máximo Horario, los cuales se determinan multiplicando el coeficiente de variación diaria por el gasto medio diario y el coeficiente de variación horaria por el gasto máximo diario respectivamente. La tabla 2.2 muestra los gastos utilizados para el diseño de las estructuras en los sistemas de abastecimiento de agua potable.

Tabla 2.2 Gasto de diseño para estructuras de agua potable

TIPO DE ESTRUCTURA DISEÑO CON GASTO MÁXIMO DIARIO

DISEÑO CON

GASTO MÁXIMO

HORARIO

Fuentes de abastecimiento X Obra de captación X Línea de conducción antes del tanque de regulación

X

Tanque de regulación X Línea de alimentación a la red X Red de distribución X

Para la obtención de los coeficientes de variación diaria y horaria lo adecuado es:

Hacer un estudio de demanda de la localidad, utilizando los criterios descritos en el estudio de "Actualización de dotaciones en el país" (ref. 3).

Si no se puede llevar a cabo lo anterior,

• Considerar los valores de los coeficientes de variación diaria y horaria medios que se obtuvieron del estudio de "Actualización de dotaciones en el país" llevado a cabo por el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (ref. 3); en