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.
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2025 por
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trminos y condiciones de la licencia Creative Commons
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