CRITERIOS DE DISEÑO PARA SISTEMAS DE AGUA PLUVIAL Y DE DRENAJE

Esta Norma tiene como objetivo fundamental, regir el diseño y consecuentemente la construcción de los
sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales y pluviales, para mejorar las condiciones de vida
del ciudadano.

SISTEMAS DE ALCANTARILLADO SANITARIO

OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN

En el presente tema se establecen las condiciones para la definición y estimación de los parámetros de
diseño que deben considerarse en el proceso de diseño de sistemas de recolección y evacuación de aguas
residuales.

COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO SANITARIO

Los componentes de un sistema de alcantarillado sanitario son los siguientes:

a) Redes públicas

b) Colectores troncales

c) Interceptores

d) Bombeo

e) Emisarios

f) Tratamiento, incluyendo bombeo, estaciones de tratamiento y disposición final

PARÁMETROS DE DISEÑO

Los parámetros de diseño constituyen los elementos básicos para el desarrollo del diseño de un sistema de
recolección y evacuación de aguas residuales.

Período de diseño

El período de diseño es el tiempo durante el cual servirán eficientemente las obras del sistema.
Los factores que intervienen en la selección del período de diseño son:

a) Vida útil de las estructuras y equipos tomando en cuenta la obsolescencia, desgaste y daños

b) Ampliaciones futuras y planeación de las etapas de construcción del proyecto

c) Cambios en el desarrollo social y económico de la población

d) Comportamiento hidráulico de las obras cuando éstas no estén funcionando a su plena

Capacidad

El período de diseño debe adoptarse en función de los componentes del sistema y las características de la
población, según lo indicado en la tabla 2.1

El período de diseño podrá ser mayor o menor a los valores especificados en la tabla 2.1, siempre que el
proyectista lo justifique.

Con el fin de evitar inversiones mayores al inicio del proyecto y/o el sobre-dimensionamiento de los distintos
componentes del sistema, referido a los requerimientos del período inicial del proyecto, se deben definir
etapas de construcción para los componentes susceptibles de crecimiento.

Población del proyecto

Es el número de habitantes servidos por el proyecto para el período de diseño, el cual debe ser establecido
con base en la población inicial.
Para la estimación de la población de proyecto se deben considerar los siguientes aspectos:

a) Población inicial, referida al número de habitantes dentro el área de proyecto que debe determinarse
mediante un censo de población y/o estudio socioeconómico.
Se deben aplicar los datos estadísticos del Instituto Nacional de Estadística para determinar la población de
referencia o actual y los índices de crecimiento demográfico respectivos.
Para poblaciones menores, en caso de no contar con índice de crecimiento poblacional, se debe adoptar el
índice de crecimiento de la población de la capital o del municipio.
Si el índice de crecimiento fuera negativo se debe adoptar como mínimo un índice de crecimiento de 1 %.

b) Población futura, referida al número de habitantes dentro el área del proyecto que debe estimarse con
base a la población inicial, el índice de crecimiento poblacional y el período de diseño.

Métodos de cálculo

Para determinar la población futura para el proyecto, es necesario conocer cuál es la posible distribución de
la población. Se deben tomar en cuenta los métodos tradicionales como se muestra en la tabla 2.2.

Aplicación
Los métodos a emplearse deben ser aplicados en función del tamaño de la población, de acuerdo a lo
especificado en la tabla 2.3.
Correcciones a la población calculada
La población calculada según los métodos descritos, debe ser determinada y ajustada de acuerdo a las
siguientes consideraciones:

a) Población estable
b) Población flotante, se refiere a la población ocasional que signifique un aumento notable y distinto a la
población estable
c) Población migratoria, que depende de las condiciones de planificación sectorial en relación con los
recursos naturales, humanos y/o económicos de cada localidad.

Área del proyecto

Se considera área de proyecto, a aquella que contará con el servicio de alcantarillado sanitario, para el
período de diseño del proyecto.

La delimitación del área de proyecto debe seguir los lineamientos del plan de desarrollo de la población o
planes maestros, o ser establecido de acuerdo a un estudio de áreas de expansión futura.

Dotación media diaria

La contribución de las aguas residuales depende principalmente del abastecimiento de agua. Para el
dimensionamiento del sistema de alcantarillado sanitario debe ser utilizado el consumo de agua efectivo per
cápita, sin tomar en cuenta las pérdidas de agua.

El consumo de agua per cápita es un parámetro extremadamente variable entre diferentes poblaciones y
depende de diversos factores, entre los cuales se destacan:

a) Los hábitos higiénicos y culturales de la comunidad

b) La cantidad de micro medición de los sistemas de abastecimiento de agua
c) Las instalaciones y equipamientos hidráulico - sanitario de los inmuebles
d) Los controles ejercidos sobre el consumo
e) El valor de la tarifa y la existencia o no de subsidios sociales o políticos
f) La abundancia o escasez de los puntos de captación de agua
g) La intermitencia o regularidad del abastecimiento de agua
h) La temperatura media de la región
i) La renta familiar
j) La disponibilidad de equipamientos domésticos que utilizan agua en cantidad apreciable
k) La intensidad de la actividad comercial
Para el caso de sistemas nuevos de alcantarillado sanitario, la dotación media diaria de agua debe ser
obtenida sobre la base de la población y zona geográfica dada, según lo especificado en la tabla 2.4.
Dotación futura de agua

La dotación media diaria puede incrementarse de acuerdo a los factores que afectan el consumo y se
justifica por el mayor hábito en el uso de agua y por la disponibilidad de la misma. Por lo que, se debe
considerar en el proyecto una dotación futura para el período de diseño, la misma que debe ser utilizada
para la estimación de los caudales de diseño.

La dotación futura se debe estimar con un incremento anual entre el 0,5 % y el 2,0 % de la dotación media
diaria, aplicando la fórmula del método geométrico:

Donde:

Df Dotación futura, en L/hab/d

D0 Dotación inicial, en L/hab/d
d Variación anual de la dotación, en porcentaje
t Número de años de estudio, en años

Coeficiente de retorno

El coeficiente de retorno (C) es la relación que existe entre el caudal medio de aguas residuales domésticas y
el caudal medio de agua que consume la población. Del total de agua consumida, solo una parte contribuye
al alcantarillado, pues el saldo es utilizado para lavado de vehículos, lavado de aceras y calles, riego de
jardines y huertas, irrigación de parques públicos, terrazas de residencias y otros. De esta manera, el
coeficiente de retorno depende de factores locales como la localización y tipo de vivienda, condición de las
calles (pavimentadas o no), tipo de clima u otros factores.

Se deben utilizar valores entre el 60 % al 80 % de la dotación de agua potable. Valores menores y mayores a
este rango deben ser justificados por el proyectista.

Contribuciones de aguas residuales

El volumen de aguas residuales aportadas a un sistema de recolección y evacuación, está integrado por las
aguas residuales domésticas, industriales, comerciales e institucionales. Su estimación debe basarse, en lo
posible, en información histórica de consumos, mediciones periódicas y evaluaciones regulares. Para su
estimación deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:

1. Domésticas (QMD)

El caudal medio diario doméstico (QMD), debe ser calculado utilizando una de las siguientes expresiones:

Donde:

QMD Caudal medio diario doméstico, en L/s

C Coeficiente de retorno, adimensional
P Población, en hab
Dot Consumo de agua per cápita, en L/hab/d
N Número de lotes, adimensional
Tasa de ocupación poblacional, en hab/lote
a Área de contribución, en ha
d Densidad poblacional, en hab/ha
El caudal de contribución doméstico (QMD) debe ser estimado para las condiciones iniciales
y finales de operación del sistema.
El caudal de contribución doméstico, debe ser calculado en función del número de lotes
N (Nº lotes) y la tasa de ocupación poblacional, to (hab/lote), o considerando el área de
contribución (ha) y la densidad poblacional (hab/ha), además del consumo de agua per
Cápita, D (L/hab/d) y el coeficiente de retorno (C).
2. Industriales (QI)

El caudal de contribución industrial es la cantidad de agua residual que proviene de una determinada
industria.
Los consumos industriales deben ser establecidos en base a lo especificado en el
Reglamento Nacional de Instalaciones Sanitarias Domiciliarias.
El caudal de contribución industrial (QI) se debe evaluar en forma puntual y como descarga concentrada, de
acuerdo al consumo y pérdidas de cada industria en sus diferentes operaciones de producción y debe
estimarse para las condiciones iniciales y finales de operación del sistema.

3. Comerciales (QC)

El caudal de contribución comercial es la cantidad de agua residual que proviene de sectores comerciales.
Los consumos comerciales deben ser establecidos en base a lo especificado en el reglamento Nacional de
Instalaciones Sanitarias Domiciliarias.
El caudal de contribución comercial (QC) se debe evaluar en forma puntual y como descarga concentrada,
de acuerdo a las características de cada zona comercial y debe estimarse para las condiciones iniciales y
finales de operación del sistema.

4. Instituciones públicas (QIP)

Es la cantidad de agua residual que proviene de instituciones públicas.

Los consumos de instituciones públicas deben ser establecidos en base a lo especificado en el Reglamento
Nacional de Instalaciones Sanitarias Domiciliarias.
El caudal de contribución de instituciones públicas (QIP) se debe evaluar en forma puntual y como descarga
concentrada, de acuerdo a las características de instituciones públicas como: Hospitales, hoteles, colegios,
cuarteles y otros y debe estimarse para las condiciones iniciales y finales de operación del sistema.

5. Infiltración lineal (QINF)

Las contribuciones indebidas en las redes de sistemas de alcantarillado sanitario, pueden ser originarias del
subsuelo - genéricamente designadas como infiltraciones - o pueden provenir del encauce accidental o
clandestino de las aguas pluviales.

Las aguas del suelo penetran a través de los siguientes puntos:

● Por las juntas de las tuberías
● Por las paredes de las tuberías
● En las estructuras de las cámaras de inspección o pozos de visita, cajas de inspección, cajas de paso, tubos
de inspección y limpieza y terminales de limpieza.

El aporte del caudal por infiltración se debe establecer con base a los valores de la tabla 2.5.
El caudal de infiltración lineal es igual a (qinf) por la longitud (L) del tramo del colector (m).

6. Conexiones erradas (QCE)

Se deben considerar los aportes de aguas pluviales al sistema de alcantarillado sanitario, provenientes de
malas conexiones (QCE) (de bajantes de tejados y patios). Estos aportes son función de la efectividad de las
medidas de control sobre la calidad de las conexiones domiciliarias y de la disponibilidad de sistemas de
recolección y evacuación de aguas pluviales.

El caudal por conexiones erradas debe ser del 5 % al 10 % del caudal máximo horario de aguas residuales
domésticas. Valores mayores a este rango deben ser justificados por el proyectista.
QCE debe ser estimado para las condiciones iniciales y finales de operación del sistema.

7. Coeficientes de punta (M)

El coeficiente de punta “M” es la relación entre el caudal máximo horario y el caudal medio diario.
El coeficiente de punta sirve para estimar el caudal máximo horario con base en el caudal medio diario, tiene
en cuenta las variaciones del consumo de agua.
La variación del coeficiente de punta “M” debe ser estimada con base a relaciones de Harmon y Babbit,
válidas para poblaciones de 1 000 hab a 1000 000 hab; en las cuales se estima “M” en función del número de
habitantes; la relación de Pöpel para poblaciones que varían de 5 000 a 250 000 hab. Y también se debe
tomar en cuenta los coeficientes de variación de caudal k1 y k2.

El coeficiente de punta debe ser obtenido mediante las siguientes ecuaciones:

 Coeficiente de Harmon

Donde:
M Coeficiente de Harmon adimensional
P Población, en miles de habitantes
Su alcance está recomendado en el rango: 2 ≤ M ≤ 3,8

 Coeficiente de Babbit

Donde:
P población en miles de habitantes

 Coeficiente de Pöpel

En la tabla 2.6, se presentan los coeficientes de Pöpel, en función al tamaño de la población.

 Coeficientes de variación de caudal k1 y k2

Donde:
k1 Coeficiente de máximo caudal diario, es la relación entre el mayor caudal diario verificado al año y el
caudal medio diario anual. El coeficiente de máximo caudal diario k1, varía entre 1,2 a 1,5, según las
características de la población. Los valores mayores de k1, corresponden a poblaciones menores, donde los
hábitos y costumbres de la población son menores.

k2 Coeficiente de máximo caudal horario, es la relación entre el mayor caudal observado en una hora del día
de mayor consumo y el caudal medio del mismo día. El coeficiente de máximo caudal horario k2, varía según
el número de habitantes, como se muestra en la tabla 2.7.

8. Caudal máximo horario doméstico (QMH)

El caudal máximo horario es la base para establecer el caudal de diseño de una red de colectores de un
sistema de recolección y evacuación de aguas residuales. El caudal máximo horario del día máximo, se debe
estimar a partir del caudal medio diario, mediante el uso del coeficiente de punta “M” y para las condiciones
inicial y final del proyecto. El caudal máximo horario está dado por:

Donde:
QMH Caudal máximo horario doméstico, en L/s
M Coeficiente de punta adimensional
QMD Caudal medio diario doméstico, en L/s

9. Caudal de diseño (QDT)

El caudal de diseño (QDT) de cada tramo de la red de colectores se obtiene sumando al caudal máximo
horario doméstico del día máximo, QMH, los aportes por infiltraciones lineales y conexiones erradas y de los
caudales de descarga concentrada. El caudal de diseño está dado por:

QDT = QMH + QINF + QCE + ∑ QDC

Donde:

QDT Caudal de diseño, en L/s

QMH Caudal máximo horario doméstico, en L/s QINF Caudal por infiltración, en L/s

QCE Caudal por conexiones erradas, en L/s QDC Caudal de descarga concentrada, en L/s

Ecuaciones para el diseño

 Ecuaciones de Colebrook – White

 Donde:

V Velocidad, en m/s
D Diámetro de la tubería, en m
S Pendiente, en m/m
K/D Rugosidad relativa de la pared de la tubería, en m/m
Viscosidad cinemática, en m2/s (varía con la temperatura del líquido). Por ejemplo
1,31 × 10-6 (m2/s) para 10°C
g Aceleración de la gravedad, en m/s2

En la tabla 2.8, se presentan los valores de las rugosidades de las tuberías (K).

Tabla 2.8 - Valores de las rugosidades de las tuberías

 Ecuación de Manning

Donde:
V Velocidad, en m/s
n Coeficiente de rugosidad de Manning adimensional
RH Radio hidráulico, en m
S Pendiente, en m/m
  Ecuación de continuidad

Donde:
Q Caudal, en m3/s
A Área de la sección, en m2
V Velocidad, en m/s

Los cálculos de las figuras de los sectores y segmentos circulares y relaciones trigonométricas, deben ser
obtenidos según la figura 2.1.

Donde:
D Diámetro, en m (mm) (plg)
h Tirante de agua, en m (%)

 Sección llena
 Sección parcialmente llena
  Relaciones de tirantes, velocidades y caudales

 Coeficiente “n” de rugosidad

El coeficiente de rugosidad de Manning (n) debe tomar un valor de 0,013 en alcantarillados sanitarios, para
cualquier tipo de material de tubería. Es decir la película biológica formada hace que este coeficiente sea
uniforme independiente del material.

 Diámetro mínimo

En las redes de recolección y evacuación de aguas residuales, la sección circular es la más usual para los
colectores, principalmente en los tramos iniciales. El diámetro mínimo permitido en redes de sistemas de
recolección y evacuación de aguas residuales tipo alcantarillado sanitario convencional y/o no convencional
(alcantarillados condominial, simplificado y modular 100 % plástico) es 100 mm (4 plg) con el fin de evitar
obstrucciones de los conductos por objetos relativamente grandes introducidos al sistema. Para el
alcantarillado de pequeño diámetro sin arrastre de sólidos el diámetro mínimo es de 50 mm (2 plg).

 Criterio de la tensión tractiva

Cada tramo debe ser verificado por el criterio de la tensión tractiva media de valor mínimo τmín = 1 Pa. En
los tramos iniciales la verificación de la tensión tractiva mínima no debe ser inferior a 0,60 Pa.
La ecuación de la tensión tractiva está definida por:

Donde:
τ Tensión tractiva media, en Pa
ρ Densidad del agua, 1 000 kg/m3
g Aceleración de la gravedad, 9,81 m/s2
RH Radio hidráulico, en m
S Pendiente del tramo de tubería, en m/m

 Pendiente mínima

La pendiente de cada tramo de la red no debe ser inferior a la mínima admisible calculada, La pendiente del
colector debe ser calculada con el criterio de la tensión tractiva, según las siguientes ecuaciones:

La pendiente mínima debe ser determinada para garantizar la condición de auto limpieza de la tubería, para
la etapa inicial del proyecto, de acuerdo a la siguiente relación de caudales:

Donde:
QP Caudal de aporte medio diario en la etapa inicial de proyecto (sección parcialmente
Llena)
Qll Capacidad de la tubería para conducir el caudal de diseño futuro (sección llena)
Otras relaciones de caudal deben ser justificadas con información correspondiente a caudales de aporte
presente y sus proyecciones. Se recomienda utilizar:

 Pendiente mínima

Para la relación de caudales de 0,10 y 0,15 , sus ángulos θ , la relación de tirantes, el radio
hidráulico y la pendiente mínima, se deben obtener las pendientes mínimas admisibles para
diferentes diámetros y los valores de velocidad y caudal a sección llena (véanse las tablas 2.9 y
2.10).
  Pendiente máxima admisible

La máxima pendiente debe ser considerada para una velocidad final en la tubería de 5,0 m/s.

 Tirante máximo de agua

Los tirantes de agua deben ser siempre calculados admitiendo un escurrimiento en régimen uniforme y
permanente, siendo su valor máximo igual o inferior a 75 % del diámetro del colector.

 Velocidad crítica

Cuando la velocidad final (Vf) es superior a la velocidad crítica (Vc), el mayor tirante admisible debe ser 50 %
del diámetro del colector, asegurándose la ventilación del tramo.

La velocidad crítica está definida por:

Donde:
Vc Velocidad crítica, en m/s
g Aceleración de la gravedad, en m/s2
RH Radio hidráulico para el caudal final, en m