Diseo de la captacin lateral mediante el mtodo secciones de velocidad en la comunidad de Pilacoto, Latacunga Cotopaxi

 

Design of lateral intake using the velocity section method in the community of Pilacoto, Latacunga Cotopaxi

 

Dimensionamento de captao lateral pelo mtodo de sees de velocidade na comunidade de Pilacoto, Latacunga Cotopaxi

 

Jonathan Javier Guanoluisa Aguirre III

Jonathan.guanoluisa1022@utc.edu.ec

https://orcid.org/0009-0006-5385-2006

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Correspondencia: rudys.cusme0891@utc.edu.ec

 

 

Ciencias de la Ingeniera

Artculo de Investigacin

* Recibido: 31 de enero de 2025 *Aceptado: 17 de febrero de 2025 * Publicado: 01 de abril de 2025

 

       I.          Universidad Tcnica de Cotopaxi

     II.          Universidad Tcnica de Cotopaxi

   III.          Universidad Tcnica de Cotopaxi

   IV.          Universidad Tcnica de Cotopaxi

 

 


Resumen

El agua, esencial para la vida, enfrenta desafos en cuanto a su disponibilidad y calidad, especialmente en zonas rurales, como en Amrica Latina y el Caribe, donde el acceso al agua potable y al saneamiento, particularmente en pases como Hait, Bolivia y Nicaragua. En este contexto, el estudio en el sector de Pilacoto, Ecuador, se centra en disear una obra de captacin (Bocatoma lateral) para optimizar la recoleccin de agua. La metodologa combina un anlisis hidrolgico con el mtodo racional y tcnicas de aforo mediante secciones de velocidad, dando como resultados un caudal actual de 0.038 m/s y proyecciones de hasta 7.86 m/s para un tiempo de retorno de 5 aos. El diseo realizado es un canal de derivacin con una cmara de sedimentacin adaptados a las necesidades locales, asegurando un suministro hdrico eficiente y sostenible para la comunidad de Pilacoto.

Palabras claves: anlisis, caudal, canal, bocatoma

 

Abstract

Water, essential for life, faces challenges regarding its availability and quality, especially in rural areas such as those in Latin America and the Caribbean, where access to potable water and sanitation is limited, particularly in countries like Haiti, Bolivia, and Nicaragua. In this context, a study in the Pilacoto sector, Ecuador, focuses on designing an intake structure (lateral intake) to optimize water collection. The methodology combines a hydrological analysis using the rational method and flow gauging techniques through velocity sections, yielding a current flow rate of 0.038 m/s and projections of up to 7.86 m/s for a 5-year return period. The proposed design includes a diversion channel with a sedimentation chamber tailored to local needs, ensuring an efficient and sustainable water supply for the Pilacoto community.

Keywords: analysis, flow rate, channel, intake structure

 

Resumo

A gua, essencial vida, enfrenta desafios em termos de sua disponibilidade e qualidade, especialmente em reas rurais, como na Amrica Latina e no Caribe, onde o acesso gua potvel e ao saneamento, particularmente em pases como Haiti, Bolvia e Nicargua. Neste contexto, o estudo no setor Pilacoto, Equador, centra-se na concepo de uma obra de captao (captao lateral) para otimizar a captao de gua. A metodologia combina anlise hidrolgica com mtodo racional e tcnicas de medio por sees de velocidade, resultando em vazo de corrente de 0,038 m/s e projees de at 7,86 m/s para tempo de retorno de 5 anos. O projeto realizado um canal de desvio com cmara de sedimentao adaptada s necessidades locais, garantindo um abastecimento de gua eficiente e sustentvel para a comunidade de Pilacoto.

Palavras-chave: anlise, vazo, canal, captao

 

Introduccin

El agua, que cubre dos terceras partes de la superficie terrestre y constituye el 75 % del cuerpo humano, es esencial para la vida. Histricamente, las ciudades se han establecido cerca de fuentes de agua, no solo para abastecerse, sino tambin como destino para el vertido de desechos, lo que ha generado contaminacin y un creciente riesgo de enfermedades a nivel global (Pedro Rodriguez Ruiz, 2001). Debido a su relevancia tanto para el consumo humano como para otras actividades, los sistemas de agua potable son fundamentales para mejorar la calidad de vida, especialmente en las zonas rurales, donde el acceso a este servicio es limitado en comparacin con las reas urbanas, que tradicionalmente reciben mayor atencin de las autoridades (Morales, 2015).

Las regiones del mundo con menos avance en coberturas de abastecimiento de agua rural son en su orden: Oceana con un 37%; frica subsahariana con el 47%; Asia occidental con un 78% y Amrica Latina y el Caribe con un 80%, enfocndonos en la situacin de Amrica Latina y el Caribe sus ndices de cobertura de abastecimiento de agua en zonas rurales permanecen bajos en pases como Per (61%), Bolivia (67%), Paraguay (66%), Nicaragua (68%) y Hait (55%). En cuanto al acceso a servicios de saneamiento, las cifras son an menores, destacando Bolivia (9%), Brasil (37%), Hait (10%), Nicaragua (37%), Paraguay (40%) y Per (36%) como los pases con mayores deficiencias (Mantilla, 2011).

Entre 1990 y 2008, algunos pases lograron avances significativos en la cobertura de abastecimiento de agua en reas rurales. Paraguay lider con un aumento del 41%, seguido de Belice (37%), Cuba (36%), Chile (27%), Ecuador (26%), Bolivia (25%), Mxico (23%) y Uruguay (21%). Respecto al saneamiento rural, los mayores progresos se registraron en Mxico (38%), Ecuador (36%), Chile (35%), Honduras (34%), Paraguay (25%), Guatemala (22%), El Salvador (21%) y Per (20%) (Mantilla, 2011).

Para alcanzar un mayor porcentaje en la coberturas de abastecimientos en el Ecuador, se realiza un estudio para el sector de Pilacoto pertenecientes al cantn de Guaytacama de la provincia de Cotopaxi en cual se tiene un aproximado de 3000 habitantes, siguiendo los modelos de estudios cercanos como sucede en la parroquia rural de Toacasa respecto a los estudios de evaluacin y diseo del abastecimiento de agua potable de este mismo (Luis Orlando Pallasco Yugsi, 2018), para la siguiente investigacin se realizara el diseo de una obra de captacin (bocatoma lateral), siendo una obra para cauce de rio, cao, entre otros, y teniendo en cuenta el aumento de caudales, erosiones con la finalidad que no afecte a la obra y logre una optimizacin y mejora del sistema de agua potable (Edixon Chingate, Helmer lvarez, 2020). Logrando una mejora en el sector de Pilacoto contando con el apoyo de la Junta Administradora de agua potable y la Universidad Tcnica de Cotopaxi.

 

Estrategias Metodolgicas / Materiales y Mtodos

En la comunidad de Pilacoto se encuentran un aproximado de habitantes en el 2024 de 3315, siendo esta la poblacin actual del sector, por lo que sector se abastece del cauce natural Tanicuchi, siendo un trabajo en conjunto con la Junta administradora de agua Pilacoto mediante su presidente el ingeniero Edwin Casa y la Universidad tcnica de Cotopaxi con los integrantes ingeniero Rudys Cusme, ingeniera Yadira Herrera en calidad de docentes tutores, y en calidad de estudiantes los jvenes Oscar Altamirano, Jean Mina y Javier Guanoluisa, siendo el cauce natural donde se har el diseo de la obra hidrulica (bocatoma lateral) utilizando una metodologa combinada entre el mtodo de secciones con el que se determinara la seccin del canal y el caudal aportante del mencionado cauce y complementando con el diseo de la bocatoma lateral mediante la metodologa de las obras de captacin.

En el inicio de la metodologa se deben aplicar condiciones para el mtodo de secciones, detallando que entre ellos se debe ubicar en un rea donde prcticamente se encuentre de forma recta sin perturbaciones o remolinos, fijando dos secciones tanto aguas arriba como aguas abajo con una distancia equis, para ello se realizara una delimitacin del rea de estudio o delimitacin de la cuenca aportante del cauce natural en el cual se emplean utilizando el software QGis, con la metodologas de recorte de archivos rster obtenido del Servicio Geolgico de los Estados Unidos (USGS) (USGS & USDI, 2017), para luego ser procesado por las varias sub herramientas del apartado GRASS Fill, Flow Direction, Flow Accumulation y Watershed (Congedo Luca, 2022; Da Cunha & Martins, 2017).

Mtodos de secciones de velocidad

Este mtodo es utilizado en el aforo de los ros cuando se desea conocer el caudal de la corriente de forma aproximada sin tener que recurrir a las estaciones hidrolgicas o meteorolgicas, el aforo se realiza mediante flotadores por ello se realiza el siguiente procedimiento.

Es importante que el flotador quede sumergido una gran parte de ellos y emergente lo necesario, pero procurando siempre que no sea muy grande, cumpliendo con la condicin de que puede ser influenciada por el viento y producir perturbaciones en el rgimen del cauce. Una vez seleccionado el flotador se arrojan a lo ancho de la seccin a equidistancias similares entre s, con la finalidad que el flotador pueda alcanzar una velocidad constante antes de llegar a la seccin transversal (Jorge Yerrn, 2000).

Siendo esto que la velocidad de cada flotador ser igual a la longitud entre el tiempo que se demora en recorrer las equidistancias (Jorge Yerrn, 2000).

Vs1 = L/t1; Vs2 = L/t2; Vs3 = L/t3 . Vsn = L/tsn

Donde:

Vs = Velocidad del flotador (m/s)

L = Longitud (m)

T = Tiempo (seg)

Al tener varias mediciones de velocidad se realiza el promedio para obtener una velocidad promedio (Jorge Yerrn, 2000).

Vs = (Vs1 + Vs2 + Vs3 + Vs4 + Vs5 + + Vsn)/ n

Obteniendo una parte, se procede a obtener la seccin del ro mediante el levantamiento topogrfico y elaborar el grafico de la seccin principal, correspondiente al punto donde se encuentra la mira limnimtrica, es fundamental asegurarse de representar con precisin tanto la ubicacin de la cota de referencia como la de la mira limnimtrica (Jorge Yerrn, 2000).

Obteniendo el rea de la seccin principal y empleando un plano planimtrico, se construye una curva que relaciona el nivel del agua con el rea, durante el aforo se registra el nivel del agua al inicio y al final (Jorge Yerrn, 2000).

Una vez calculado los dos parmetros importantes como lo es la velocidad y el rea se procede a calcular el caudal respectivo del canal, con la siguiente formula (Jorge Yerrn, 2000):

Q = Vs * A

Donde

Q = Caudal (m/s)

Vs = Velocidad media del flotador (m/s)

A = rea de la seccin

Diseo hidrulico de la bocatoma lateral

Para el diseo hidrulico de la captacin se necesita conocer el caudal actual del cauce natural, el caudal con periodos de retorno, dimetro de las partculas, entre otros factores de diseo.

       Estudio hidrolgico

En el estudio hidrolgico se mantienen diferentes mtodos, como el mtodo de Kirpich para el tiempo de concentracin, mtodo de relacin de intensidad duracin frecuencia para obtener las intensidades con periodos de retorno con 25, 50 hasta 100 aos, con ello se finaliza con el mtodo racional para obtener caudales con dichos periodos de retorno, en lo que utilizaremos las intensidades y con la delimitacin del rea mediante la delimitacin de la cuenca procedemos a utilizar las formas indicadas (Javier Sanchez, 2022; Nstor vila, Jose Crdenas, 2015).

Mtodo de Kirpich

Tc = 0.0078 * L^0.77 * S^-0.385

Donde:

Tc = Tiempo de concentracin (min)

L = Longitud del cauce principal (pie)

S = Pendiente promedio de la cuenca (pie/pie)

Mtodo racional

Q = (C*I*A)/3.6

Donde:

Q = Caudal (m/s)

C = Coeficiente de escorrenta (adimensional)

I = Intensidad (mm/hr)

A = rea de aportacin (Km)

La bocatoma lateral tiene varios aspectos de construccin para este caso en particular nos enfocamos en dos de ellos, las rejillas de la entrada y el canal de derivacin el cual cumplir su funcin hasta el desarenador. Por ello aplicaremos la metodologa expresada por (Carmona, 2013), donde expresa los dimetros de las misma y su funcin para las captaciones, complementado el diseo se utilizara la metodologa expresada por (Ven Te Chow, 1994), en cual definimos al canal de derivacin como un canal abierto para el transporte de fluido, esto influye en su frmulas de la eficiencia mxima hidrulica en el diseo para un canal rectangular. Y por la cantidad de sedimentos el desarenador es fundamental para complementar la obra, para ello se utilizara la metodologa expresada por (Organizacin Panamericana de la Salud, 2005), obteniendo las dimensiones hidrulicas del desarenador.

Resultados

En la cuenca se ha determinado que el cauce natural nace de un ojo de agua, el cual es el alimentador principal subdividindose en dos pequeos ramales que formaran al cauce principal, con esto lo podemos visualizar en la delimitacin del rea de estudio o cuenca, con lo que los parmetros principales para los mtodos son:

rea total de la cuenca: 0.854 Km

Longitud del cauce principal: 1110 m

Cota mayor: 3216 msnm

Cota menor: 3091 msnm

Pendiente: 0.113 m/m

Ilustracin 1. Delimitacin del rea de estudio del cauce Tanicuchi

Una vez obteniendo los datos de la cuenca, el mtodo racional funciona en base a las intensidades y coeficiente de escorrenta para aquello;

El coeficiente de escorrenta de la cuenca lo evaluamos de la tabla de la metodologa (Javier Sanchez, 2022), expresando los diferentes tipos de suelos y sus valores de coeficientes, por ello nos da un coeficiente de escorrenta ubicado en el uso de Mosaico de prados o praderas con espacios significativos de vegetacin natural y seminatural con grado de suelo B con un porcentaje de 55%, para lo cual los ubicamos en un periodo de retorno de 100 aos obteniendo un umbral de 1.46 en la zona 42, y as eliminando el porcentaje nos queda un valor de coeficiente de 0.80.

Complementando el mtodo racional obtenemos las intensidades con periodos de retornos, para lo cual lo principal calculado es el tiempo de concentracin, utilizando la metodologa propuesta.

Mtodo de Kirpich

Tiempo de concentracin = 9.972 min

Basados en el tiempo de concentracin se eligi la ecuacin de la intensidad, otorgada por los anuarios meteorolgicos de la estacin seleccionada que es la M0120 con nombre Cotopaxi ubicada en la zona 42.

Formula de intensidad

I = 131.025*IdTr^0.2373*tc^-0.5426 (6)

Donde:

I = Intensidad (mm/hr)

IdTr = Factor con tiempo de retorno (adimensional)

Tc = Tiempo de concentracin (min)

Al igual que el coeficiente de escorrenta por la zona se encuentra los factores de tiempo de retorno para 5, 10, 25, 50, 100 aos. Con lo que se calcul las intensidades y caudales respectivamente con la formula mencionada en la metodologa.

Tabla 1. Clculo de intensidades de lluvia con sus periodos de retorno.

Periodo de retorno (ao)

Factores

Intensidades (mm/hr)

5

1.50

41.42

10

1.66

42.43

25

1.84

43.48

50

1.97

44.19

100

2.08

44.76

 

Y finalizando con el clculo del caudal con periodos de retorno.

Tabla 2. Clculo de caudales con sus periodos de retorno.

Periodo de retorno (ao)

Intensidades (mm/hr)

Caudales (m/s)

5

41.42

7.86

10

42.43

8.05

25

43.48

8.25

50

44.19

8.39

100

44.76

8.49

 

Al no ver muchas variaciones con respectos a los caudales se podra efectuar con un periodo de retorno de 5 aos para disear la obra de captacin con un caudal de 7.86 m/s. Siendo este un parmetro a futuro, se plantea tambin un diseo de la obra de captacin con la actualidad y llegar a la toma de decisiones de un diseo ptimo para la comunidad de Pilacoto, por ello los resultados de la actualidad del ro se calcul por el mtodo de secciones velocidades, el cual se emple el flotador y la determinacin de secciones transversales del ro.

Para este caso en las desviaciones se subdividi en dos, para lo cual lo llamaremos zona A y B respectivamente. En lo que se realiz los clculos obteniendo los siguientes resultados.

Ilustracin 2. Perfiles de las zonas de estudios.

Tabla 3. Clculo de caudales por el mtodo de secciones de velocidad en la zona A.

ZONA A

Tramo

Separacin (m)

reas (m)

Longitud (m)

Tiempo (Seg)

Velocidad (m/s)

Caudal (m/s)

 

 

0.15

0.004

 

 

3

7.000

 

 

0.425

 

 

0.018

0.011

7.470

0.014

6.820

0.013

6.970

0.041

7.065

Tabla 4. Clculo de caudales por el mtodo de secciones de velocidad en la zona B.

ZONA B

Tramo

Separacin (m)

reas (m)

Longitud (m)

Tiempo (Seg)

Velocidad (m/s)

Caudal (m/s)

 

 

 

0.10

0.004

 

 

 

5

9.500

 

 

 

0.574

 

 

 

0.020

0.007

8.940

0.008

8.000

0.008

8.030

0.008

9.090

0.034

8.712

 

Con esto se determin un caudal actual de 0.038 m/s. Con el que se dise las obra captacin.

En los clculos de la obra se obtuvo que para el caudal de 38 L/s que es el caudal actual del cauce natural, se dimensiono una rejilla con una base 0.85 m y un alto de 0.30 m, y para el caudal con periodo de retorno de 25 aos, el caudal de 8250 L/s, dimensionando una rejilla de base 3.00 m con un alto de 23.00 m algo sobredimensionado, acordando con la comisin de la Junta administradora de agua potable Pilacoto, se realiz un diseo de captacin con una base de 0.85 m con un largo de 1.65 m y una altura de 1.50 m autorizando la entrada mediante una compuerta complementado con una canastilla, siendo una especie de filtro. Al ser un cauce con bastante sedimento se le realizo un apartado de sedimentacin en el cual se almacenar y desfogara, esta cmara de sedimentacin cumpliendo varios parmetros de la metodologa de desarenadores tiene las siguientes dimensiones, con una base de 3.00 m, un largo de 2.70 m y una altura de 1.50 m, siendo este el diseo ptimo para la captacin de agua en la comunidad.

Con los parmetros de diseo, llevando un pendiente promedio del 2%, la obra de captacin con las dimensiones de 0.85 m en la base y 1.50 m cumpliendo con la totalidad de la altura es decir que la compuerta trabaje al 100% de la capacidad es capaz de alcanzar hasta 6.64 m/s, estando por debajo de los caudales con periodos de retorno considerando una crecida fuerte en el cauce, pero bajo los registros de la Junta de agua este no suele sobrepasar el metro de altura en el ro, considerando esa informacin se tom como optimo el diseo mencionado.

Ilustracin 3. Vista en plata de la captacin y la cmara de sedimentacin

Discusin

La delimitacin de la cuenca es parte fundamental para este proyecto por medio de las medidas del cauce principal, el cual refleja un valor de 1110 m, sirviendo como base para el tiempo de concentracin que da respuestas rpidas a los sistemas ante eventos de lluvias intensas. La estacin de Cotopaxi representa a las lluvias intensas mediante sus frmulas de intensidad que esta para los rangos de 5 a 30 minutos de concentracin cumpliendo con el valor de 9.972 min del tiempo de concentracin.

Al tener toda esta informacin realizar el mtodo racional es mucho ms rpido para los caudales del cual cumple con 7.86 m/s con 5 aos de periodo de retorno hasta los 8.49 m/s con los 100 aos de retorno, siendo superior a los caudales actuales en el cauce principal de Tanicuchi, en el cual por el mtodo de seccin de velocidad, siendo un valor de 0.038 m/s representados en las dos zonas de estudio, dejando un diseo mediante un canal de derivacin ms prctico de 0.85*1.65*1.50 m y una cmara de sedimentacin de 3.00*2.70*1.50 m, garantizando la funcionalidad de la obra y satisfacer las demandas de la comunidad, cumpliendo aproximadamente a un 100% de la seguridad ya que su caudal de la obra es de 6.64 m/s estando cerca de las crecidas extraordinarias calculadas con periodos de retorno.

 

 

Conclusiones / Consideraciones Finales

El acceso al agua potable es un desafo crtico en las zonas rurales de Amrica Latina y el Caribe, donde los ndices de cobertura permanecen bajos en comparacin a las reas urbanas. La comunidad de Pilacoto, en Ecuador, enfrenta limitaciones en su sistema de abastecimiento hdrico, lo que motivo a un estudio para disear la obra de captacin eficiente. La metodologa delimit la cuenca perteneciente al ro Tanicuchi, con el anlisis de los caudales mediante diferentes mtodos, siendo los valores de 0.038 m/s y 7.86 m/s, dejando un diseo captacin lateral de 0.85*1.65*1.50 m para garantizar la funcionalidad y la seguridad de las crecidas extraordinarias. Este proyecto no solo mejora con una infraestructura hdrica, sino tambin sirve como modelo para otras comunidades rurales a realizar una integracin de mtodos cientficos y un diseo de trabajo en conjunto entre las universidades y su junta de agua, en este caso la Universidad Tcnica de Cotopaxi mediante la facultad de Ciencias de la Ingenieras y Aplicadas (CIYA) con su respectiva carrera de Ingeniera Hidrulica, han aportado y consolidado un trabajo con la respectiva Junta, lo cual fortalece y favorece al crecimiento profesional de ambas partes.

Bibliografa

Carmona, R. P. (2013). Diseo y construccion de alcantarillado sanitarios, pluvial y drenaje en carretera.

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Da Cunha, R. B., & Martins, C. A. A. (2017). Geografia eleitoral: Uma reviso e possveis caminhos. RAE GA - O Espaco Geografico Em Analise, 39(October), 4356. https://doi.org/10.5380/raega

Edixon Chingate, Helmer lvarez, N. L. (2020). Diseo y construccin de un prototipo de bocatoma lateral para el laboratorio de Hidrulica de la Universidad Cooperativa de Colombia sede Villaviciencio.

Javier Sanchez. (2022). Hidrologa Superficial ( III ): Relacin Precipitacin - Escorrenta. Iii, 123.

Jorge Yerrn, G. C. (2000). Instructivo para aforar por el mtodo de flotadores.

Luis Orlando Pallasco Yugsi. (2018). EVALUACIN Y DISEO DE LA RED DE AGUA POTABLE EN LA PARROQUIA RURAL TOACASO.

Mantilla, W. C. (2011). Polticas pblicas para la prestacin de los servicios de agua potable y saneamiento en las reas rurales.

Morales, F. A. (2015). Abastecimiento de Agua para comunidades rurales.

Nstor vila, Jose Crdenas, D. G. (2015). Comparacin de los mtodos racional e hidrograma unitario para el clculo de caudales en sectores hidrolgicos rurales en el departamento de Tolima.

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2025 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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