Cálculo de Presión en Bombas Sumergidas
Pregunta: Si tenemos una bomba sumergida 20 m bajo el agua y a nivel del mar, ¿cuántos m.c.a. (metros de columna de agua) tenemos en la bomba?
Respuesta: La presión total en la bomba se calcula sumando la presión atmosférica (aproximadamente 10.33 m.c.a. a nivel del mar) y la columna de agua sobre la bomba.
1 atm (10.33 m.c.a.) + 20 m = 30.33 m.c.a.
Ingeniería Hidráulica en la Época Árabe
Durante la época árabe, se realizaron importantes avances y obras en el ámbito de la ingeniería hidráulica, destacando:
- Obras de almacenamiento o acumulación de aguas:
- Aljibes (del árabe al-yubb)
- Albercas
- Azudes
- Obras de canalización o conducción:
- Acequias
- Norias
- Ganats (galerías subterráneas de drenaje)
Análisis de Presiones en Presas de Fábrica
Las presas de fábrica están sometidas a diversas presiones y fuerzas que deben ser consideradas en su diseño y estabilidad. Estas se clasifican en:
Fuerzas Principales:
- Empuje hidrostático horizontal
- Empuje hidrostático vertical
- Subpresión
- Peso propio de la estructura
Fuerzas Secundarias:
- Efecto térmico (dilatación/contracción)
- Efecto sísmico
- Presión de sedimentos
- Presión del oleaje
- Presión del hielo
- Otras cargas específicas
Diseño y Características de las Redes Ramificadas
Las redes ramificadas son un tipo de sistema de distribución de fluidos con características específicas:
- Una avería en un tramo interrumpe el suministro de caudal a los puntos subsiguientes.
- Cualquier fuga o modificación en la red puede alterar significativamente el sistema de presiones posterior.
Tipos de Distribución en Redes Hidráulicas:
- Distribución en Alta: Conduce el agua desde el pozo o punto de abastecimiento principal hasta el núcleo de población. Estas redes suelen ser ramificadas.
- Distribución en Baja: Realiza la distribución del agua dentro del núcleo de población. Estas redes suelen ser malladas para garantizar mayor fiabilidad.
Las presiones de servicio en estas redes deben mantenerse por debajo de 5 atmósferas (aproximadamente 50 m.c.a.).
Puntos Singulares a Considerar:
- Altura del Edificio: Es crucial para determinar las presiones residuales necesarias en los puntos más altos.
- Bocas de Riego: Requieren un caudal específico, generalmente entre 2 y 3 L/s.
- Hidrantes: Diseñados para caudales mayores, entre 8 y 10 L/s, y pueden ser de columna seca o húmeda.
Determinación de la Sección Tipo de un Canal Rectangular
Para el diseño y cálculo de canales rectangulares, es fundamental conocer las siguientes propiedades geométricas:
Área Mojada (A):
Donde: h = altura del nivel del líquido dentro de la sección rectangular.
Perímetro Mojado (P):
Donde: L = ancho de la base del canal (en metros).
El Número de Froude en Hidráulica
Pregunta: ¿Qué fuerzas relaciona el número de Froude y cómo se expresa esta relación?
Respuesta: El número de Froude (Fr) es un número adimensional que relaciona la fuerza de inercia con la fuerza de gravedad en un flujo de fluido.
Su expresión matemática es:
Proceso Constructivo de Sondeos para Captación de Aguas Subterráneas
El proceso de construcción de un sondeo para la captación eficiente de aguas subterráneas implica varias etapas clave:
- Perforación: Creación del pozo mediante técnicas de perforación adecuadas al terreno.
- Entubado: Instalación de tuberías de revestimiento para estabilizar las paredes del sondeo.
- Cementación: Sellado del espacio anular entre la tubería de revestimiento y la perforación para evitar la contaminación y asegurar la estanqueidad.
- Filtros y Rejillas: Colocación de elementos filtrantes para permitir la entrada de agua y retener partículas del acuífero.
- Filtros de Grava (Empaque de Grava): Inserción de grava seleccionada alrededor de los filtros para mejorar la eficiencia de captación y proteger la bomba.
- Desarrollo del Sondeo: Limpieza y estimulación del acuífero para maximizar la producción de agua y eliminar finos.
- Instalación del Grupo de Bombeo: Montaje de la bomba y sus componentes asociados.
- Aforo: Realización de pruebas de bombeo para determinar el caudal máximo sostenible y las características hidráulicas del pozo y el acuífero.
Elementos Clave en Instalaciones de Saneamiento: Bajantes
Dentro de una instalación de saneamiento, los bajantes son conductos verticales esenciales. Su función principal es recoger y conducir las aguas residuales (grises y negras) o las aguas pluviales desde las diversas plantas o niveles de un edificio hacia la red de saneamiento horizontal o el sistema de drenaje.
Control y Reducción de la Subpresión en Presas
La subpresión es una fuerza ascendente generada por el agua que se filtra bajo la cimentación de una presa, y su control es vital para la estabilidad de la estructura. Los principales medios para controlarla y reducirla incluyen:
- Pozos de Drenaje Verticales: Se instalan pozos verticales cerca del paramento de aguas arriba de la presa. Estos pozos actúan atrayendo las líneas de corriente del flujo de agua subterránea, desviándolas y reduciendo la presión intersticial bajo la cimentación.
- Optimización de la Separación de Drenes: Al disminuir la distancia entre los pozos (o drenes), se logra una mayor eficiencia en la intercepción de las líneas de corriente, dejando la zona posterior de la cimentación de la presa exenta de presiones intersticiales significativas.
- Galerías de Drenaje: Es fundamental construir una serie de galerías subterráneas donde desemboquen los drenes. Estas galerías no solo recogen el agua drenada, sino que también facilitan el acceso para inspección y mantenimiento.
- Monitoreo de la Subpresión: Los drenes también cumplen una función crucial en la medición de la subpresión. Para ello, se coloca un manómetro en la boca superior de cada dren, provisto de un tapón roscado. Las lecturas obtenidas permiten evaluar el estado de la presa y verificar la efectividad del sistema de drenaje.
Ingeniería Hidráulica en la Época Romana
La civilización romana realizó contribuciones fundamentales al desarrollo de las obras hidráulicas (OOHH), destacando en diversas áreas:
- Transporte de Aguas:
- Construcción de impresionantes acueductos para abastecer ciudades.
- Desarrollo de obras de saneamiento y drenaje en núcleos de población.
- Almacenamiento:
- Edificación de presas de poca altura y embalses para regulación y suministro.
- Ocio y Bienestar:
- Creación de las famosas Termas Romanas, que requerían complejos sistemas de suministro y evacuación de agua.
- Avances en Conducciones:
- Uso innovador de tuberías de plomo y terracota.
- Diseño y construcción de canales cubiertos para proteger el agua.
- Uso Industrial:
- Aplicación de la hidráulica en explotaciones mineras, como la «Rueda Romana» para la extracción de agua.
Factores Concurrentes en los Procesos de Erosión
La erosión es un proceso natural influenciado por múltiples factores. Los principales elementos concurrentes que contribuyen a la erosión del suelo y del terreno incluyen:
- Precipitación: Intensidad, duración y tipo de lluvia.
- Tipo de Suelo: Composición, estructura y permeabilidad del suelo.
- Topografía: Pendiente y longitud de la ladera.
- Cobertura Vegetal: Presencia y densidad de la vegetación, que protege el suelo.
- Actividad Humana: Prácticas agrícolas, deforestación, urbanización, etc.
- Viento: Especialmente en zonas áridas o con suelos sueltos.
Tipología General de las Obras Hidráulicas
Las obras hidráulicas se clasifican en diversas categorías según su función principal en la gestión y aprovechamiento del agua:
- Obras de Captación: Destinadas a recoger el agua de sus fuentes.
- Superficiales: Tomaderos, azudes, presas, pequeños aprovechamientos.
- Subterráneas: Pozos, galerías, sondeos, catas, nacientes, pequeños aprovechamientos.
- Obras de Conducción: Diseñadas para transportar el agua.
- Canales y Tuberías (para abastecimiento y saneamiento).
- Obras de Almacenamiento: Utilizadas para retener y regular el volumen de agua.
- Azudes, presas, balsas, depósitos.
- Aprovechamiento y Producción Industrial de Agua: Orientadas a la transformación y uso del agua.
- Aprovechamientos hidroeléctricos, plantas desaladoras, plantas depuradoras, aplicación de nuevas tecnologías.
- Obras de Protección y Defensa: Enfocadas en la mitigación de riesgos y la conservación.
- Obras fluviales (encauzamientos, defensas de riberas).
- Protección y recarga de acuíferos.
- Control de vertidos (emisarios submarinos, pozos filtrantes).
- Actuaciones medioambientales (restauración de ecosistemas acuáticos).
Definición de Coeficiente de Almacenamiento
El coeficiente de almacenamiento (S) es un parámetro hidrogeológico fundamental que describe la capacidad de un acuífero para liberar o almacenar agua.
- En un acuífero confinado (cautivo), se define como el volumen de agua que libera el acuífero por unidad de superficie del mismo y por unidad de descenso de la superficie piezométrica.
- En el caso de los acuíferos libres, el coeficiente de almacenamiento coincide con la porosidad eficaz de la zona saturada, representando el volumen de agua que se drena por gravedad de una columna de acuífero de sección unitaria cuando el nivel freático desciende una unidad.
Infracciones y Sanciones según la Ley de Aguas 12/90, de 26 de Julio
La Ley de Aguas establece un marco legal para la gestión y protección de los recursos hídricos, definiendo diferentes tipos de infracciones y sus correspondientes sanciones:
- Responsabilidad Administrativa:
- Se origina por el incumplimiento de una ley o norma específica en materia de aguas.
- Las multas y sanciones son establecidas por la ley y resueltas por la administración competente.
- Puede implicar sanciones económicas y la obligación de restituir el bien o el entorno dañado a su estado original.
- Responsabilidad Civil:
- Se aplica cuando se causa un daño material a bienes o propiedades de terceros.
- Se resuelve en los tribunales de justicia.
- Conlleva la obligación de reparar el daño causado y, en su caso, el pago de una indemnización.
- Responsabilidad Penal:
- Se incurre cuando el daño causado afecta a las personas (salud, seguridad, etc.) o constituye un delito tipificado.
- Se resuelve en los tribunales de justicia, con la posibilidad de recurso ante la jurisdicción Contencioso-Administrativa en ciertos casos.
- Puede conllevar la reparación del daño y penas de prisión. El responsable directo, como el Jefe de Obra, sería quien cumpliría la pena.
- Responsabilidad Medioambiental:
- Esta categoría de infracción puede derivar en cualquiera de las tres responsabilidades anteriores, dependiendo de la naturaleza y el alcance del daño ecológico causado.
Definición de Álveo o Cauce Natural
El álveo, también conocido como cauce natural, de una corriente de agua (ya sea continua o discontinua) se define como el terreno que es cubierto por las aguas durante las máximas crecidas ordinarias. Es decir, es el lecho por donde discurre el agua de forma habitual, incluyendo las zonas que se inundan en eventos de crecida normales.
Evapotranspiración: Conceptos, Medición y Estimación
La evapotranspiración es un proceso hidrológico fundamental que combina la pérdida de agua por evaporación desde la superficie del suelo y cuerpos de agua, y por transpiración de la vegetación. En la práctica, es difícil analizar estos dos componentes de forma individualizada.
Evapotranspiración Potencial (ETP):
Siempre debemos referirnos a la evapotranspiración potencial (ETP), que representa la cantidad máxima de agua que podría ser evapotranspirada por una superficie vegetal si la humedad del suelo fuera ilimitada y las condiciones atmosféricas lo permitieran. Es el valor que se alcanzaría si la evapotranspiración real (ETR) no estuviera limitada por la disponibilidad de agua.
Medición y Estimación:
La medición o determinación del valor de la evapotranspiración se realiza mediante diversas metodologías:
- Balance de Energía: Métodos que calculan la energía disponible para la evapotranspiración.
- Evapotranspirómetros: Instrumentos que miden directamente la evapotranspiración de una superficie.
- Lisímetros: Dispositivos que permiten medir el balance hídrico de una porción de suelo con vegetación.
- Control de Parcelas: Observación y medición en áreas experimentales.
Relaciones Clave:
La relación fundamental es:
ETP = E + T (donde E = Evaporación, T = Transpiración)
Como regla general, la Evapotranspiración Real (ETR) siempre es menor o igual a la Evapotranspiración Potencial (ETP), es decir: ETR ≤ ETP.
Regulaciones sobre los Márgenes de los Cauces Fluviales
Los márgenes de un cauce natural están sujetos a regulaciones específicas en toda su extensión longitudinal para garantizar su protección y el uso público. Estas regulaciones incluyen:
- Zona de Servidumbre: Una franja de 5 metros de anchura, destinada a uso público, que permite el paso, la pesca y el salvamento.
- Zona de Policía: Una franja de 100 metros de anchura, contigua a la zona de servidumbre, en la que el uso del suelo y las actividades que se desarrollen están condicionados y sujetos a autorización administrativa para proteger el dominio público hidráulico.
Descripción de los Lechos Bacterianos en Depuración de Aguas
Los lechos bacterianos (también conocidos como filtros percoladores o filtros biológicos) constituyen un sistema de depuración biológica de aguas residuales. En este proceso, la oxidación de la materia orgánica se produce al hacer circular el agua residual a través de un medio poroso (relleno) sobre el cual se adhiere una biopelícula de microorganismos.
La circulación del aire, esencial para el proceso aeróbico, puede realizarse de forma natural (por convección) o forzada (mediante ventiladores), y generalmente se introduce a contracorriente del flujo de agua residual para maximizar la eficiencia de transferencia de oxígeno.
Estudios Esenciales en Proyectos de Presas (Orden de 12-3-96)
Según la Orden de 12 de marzo de 1996, los proyectos de presas deben incluir una serie de estudios exhaustivos para garantizar su viabilidad, seguridad y sostenibilidad:
- Estudio Geológico: Determina el tipo de material presente en la zona de ejecución de la presa y en el área del embalse, incluyendo la identificación de formaciones rocosas, estratificación y posibles fallas.
- Estudio Geotécnico: Evalúa la capacidad de resistencia del terreno donde se asentará la presa, fundamental para el diseño de las cimentaciones y la estabilidad de la estructura.
- Estudio Hidrológico: Cuantifica las aportaciones de agua del medio, incluyendo el análisis de avenidas (ordinarias, excepcionales y accidentales) para el dimensionamiento de los órganos de desagüe.
- Estudio Hidrogeológico: Investiga las características de los acuíferos en la zona, como la permeabilidad, transmisividad y el coeficiente de almacenamiento, crucial para el control de filtraciones y la subpresión.
- Estudio Socioeconómico: Evalúa el impacto del embalse en el entorno social y económico de la zona, considerando posibles afecciones a actividades humanas, desplazamientos de población y beneficios esperados.
- Estudio Medioambiental: Analiza los impactos ecológicos del proyecto, incluyendo la determinación del caudal ecológico, la delimitación de la zona inundable y la evaluación de los efectos de las máximas avenidas sobre el ecosistema.
Instrumentos para la Medición de la Precipitación
La medición precisa de la precipitación es fundamental en hidrología. Los instrumentos utilizados se clasifican en dos categorías principales:
Instrumentos sin Registro Continuo (Pluviómetros):
Estos dispositivos miden la cantidad total de precipitación acumulada en un período determinado, pero no registran la intensidad a lo largo del tiempo.
- Pluviómetro Ordinario: Recipiente con un embudo que recoge el agua, la cual se mide manualmente con una probeta graduada.
- Pluviómetro Totalizador: Similar al ordinario, pero diseñado para acumular grandes volúmenes de agua durante periodos prolongados, a menudo con un aceite para evitar la evaporación.
Instrumentos con Registro Continuo (Pluviógrafos):
Estos instrumentos registran la precipitación de forma continua, permitiendo conocer la intensidad de la lluvia a lo largo del tiempo.
- Pluviógrafo de Balanza: El peso del agua recogida se registra mediante un sistema de balanza.
- Pluviógrafo de Oscilación (o de Cucharillas Basculantes): Consiste en dos pequeñas cubetas que se inclinan y vacían alternativamente al llenarse con una cantidad predeterminada de agua, registrando cada basculación.
- Pluviógrafo de Flotador con Sifón: El agua recogida eleva un flotador, cuyo movimiento se registra. Cuando el flotador alcanza un nivel máximo, un sifón vacía el recipiente.
- Pluviógrafo de Flotador Totalizador: Similar al anterior, pero con un sistema que permite acumular el registro sin vaciado frecuente, ideal para eventos de larga duración.
Clasificación Práctica de Presas
Las presas se clasifican en diversas tipologías según su material constitutivo y su forma estructural, lo que influye directamente en su comportamiento y diseño:
1. Presas de Fábrica (de Hormigón o Mampostería):
- Presas de Gravedad: Resisten el empuje del agua principalmente por su propio peso.
- Macizas: Sección transversal compacta.
- Aligeradas: Con huecos internos o elementos que reducen el volumen de material.
- De Pantalla.
- De Contrafuertes.
- Presas de Arco-Gravedad: Combinan la resistencia por peso con la acción de arco.
- Presas de Arco: Transmiten la mayor parte del empuje del agua a las laderas del valle.
- De Radio Constante.
- De Ángulo Constante.
- De Arco Múltiple.
- De Arco Bóveda:
- De Radio Constante.
- De Ángulo Constante.
- Múltiple.
2. Presas de Materiales Sueltos:
Construidas con materiales granulares compactados.
- Presas de Tierra:
- Homogénea: Compuesta por un único tipo de material.
- Heterogénea: Con diferentes zonas de materiales para funciones específicas (núcleo impermeable, espaldones).
- Con Diafragma.
- Con Pantalla.
- Con Núcleo.
- Presas de Escollera: Construidas principalmente con roca fragmentada.
- Con Diafragma y Pantalla (elemento artificial).
- Con Núcleo (elemento natural).
3. Presas Mixtas:
Combinan características de las presas de fábrica y de materiales sueltos.
4. Presas Especiales:
Diseños innovadores o para usos muy específicos.
- De Aire (neumáticas).
- De Agua (llenas de agua).
5. Otras Tipologías:
Incluye diseños menos comunes o experimentales.
Aliviaderos de Superficie en Presas: Tipos y Funcionamiento
Los aliviaderos de superficie son estructuras esenciales en las presas, ubicadas en la parte superior, cuya función principal es evacuar de forma segura los caudales excedentes que no pueden ser almacenados en el embalse, protegiendo así la integridad de la presa.
1. Aliviaderos con Compuertas:
Se emplean cuando los caudales a evacuar son significativos y el riesgo de mal funcionamiento de las compuertas es bajo. El umbral de estos aliviaderos se sitúa a una cota inferior al nivel máximo normal del embalse, lo que permite disponer de una capacidad de evacuación importante desde el momento en que se abren las compuertas.
Tipos de Compuertas Comunes:
- Compuertas de Clapeta: Adecuadas para cargas hidráulicas relativamente pequeñas y vertederos de gran longitud, como los azudes en ríos.
- Compuertas Planas o Verticales: Consisten en tableros planos que se elevan o descienden, equipados con elementos de estanqueidad y mecanismos de elevación.
- Compuertas de Segmento (Taintor): Son las más utilizadas debido a su facilidad de construcción, instalación y la menor necesidad de ranuras laterales, lo que reduce problemas de fricción y estanqueidad.
2. Aliviaderos sin Compuerta o de Lámina Libre:
Se opta por este tipo de aliviadero cuando existen dudas sobre la fiabilidad del funcionamiento de las compuertas o cuando no se dispone de un servicio de operación y mantenimiento constante. En estos casos, el labio fijo del vertedero coincide con el nivel máximo de operación del embalse, y el agua comienza a verterse de forma automática una vez que se supera dicho nivel.
Balance Hídrico Global de una Cuenca
El balance hídrico global de una cuenca es una ecuación fundamental en hidrología que describe la conservación del agua dentro de un sistema. Se expresa como:
P = E + I + ETR
Donde:
- P: Volumen de precipitación total sobre la cuenca.
- E: Volumen de escorrentía superficial (agua que fluye por la superficie).
- I: Volumen de agua infiltrada (agua que penetra en el suelo y subsuelo).
- ETR: Volumen de evapotranspiración real (agua que regresa a la atmósfera por evaporación y transpiración).
Esta ecuación puede ajustarse para incluir cambios en el almacenamiento de agua en la cuenca (suelo, acuíferos, nieve, etc.) a lo largo del tiempo.