Del consumo al colector: 7 problemas resueltos de agua potable y alcantarillado

¿Cómo pasa una localidad de necesitar agua a recibirla con presión suficiente y devolverla por una red que funcione? En un proyecto de saneamiento, población, caudales, almacenamiento, pérdidas de carga y alcantarillado son piezas de una misma cadena. Aquí la recorremos con siete problemas resueltos paso a paso, desde la proyección de habitantes hasta una comprobación inicial de un colector.

Nota de lectura: los datos de los casos son didácticos y los desarrollos se prepararon para esta guía; no reproducen literalmente ejercicios de las fuentes enlazadas. Los coeficientes se indican como datos del problema o supuestos de práctica. Para un proyecto real, verifica los criterios y la versión vigente del Reglamento Nacional de Edificaciones, estudios locales y condiciones de la empresa prestadora.

1. ¿Cuántos habitantes habrá al final del periodo de diseño?

Una localidad tiene 2 400 habitantes. Para una práctica preliminar se adopta crecimiento geométrico anual de 1,8 % y un periodo de 20 años. Estima la población futura:

P_f = P₀(1 + r)^t

P_f = 2 400(1 + 0,018)²⁰ = 3 429 habitantes (aprox.).

La proyección sirve como punto de partida para estimar la demanda; no reemplaza la revisión de censos, expansión urbana, migración ni los criterios de la Norma OS.100. Una tasa pequeña modifica de forma importante la población al acumularse durante dos décadas.

2. De habitantes a caudal de diseño

Con P_f = 3 429 habitantes y una dotación de práctica de 150 L/hab·día, calcula el caudal medio. Para comparar escenarios, el enunciado fija K₁ = 1,30 para día máximo y K₂ = 2,00 para hora máxima:

Q_medio = (3 429 × 150) / 86 400 = 5,95 L/s.

Q_{máx día} = 1,30 × 5,95 = 7,74 L/s; Q_{máx hora} = 2,00 × 5,95 = 11,91 L/s.

La dotación y los coeficientes aquí son datos explícitos del ejercicio, no una recomendación universal. En un expediente se justifican con consumos, clima, pérdidas y normativa aplicable. La OS.100 indica sustentar la dotación con estudios de consumo y establece criterios básicos para la población de diseño.

3. Estimación inicial del volumen de regulación

Usa el caudal máximo diario anterior y, solo para este ejercicio, considera un volumen de regulación igual al 25 % del consumo del día máximo. ¿Qué volumen resulta?

V_{día máx} = 7,74 L/s × 86 400 s/día ÷ 1 000 = 668,7 m³/día.

V_reg = 0,25 × 668,7 = 167,2 m³.

Es una estimación preliminar basada en una fracción supuesta. El dimensionamiento final debe usar la curva horaria de demanda y revisar volúmenes de reserva, incendio, operación y restricciones locales con la norma de almacenamiento correspondiente; no se debe presentar 25 % como una regla fija.

4. Pérdida de carga en una línea de conducción

Una conducción de PVC de 900 m lleva el caudal máximo diario de 7,74 L/s. Para una primera comprobación adopta diámetro interior D = 0,10 m y C = 150 en Hazen–Williams:

h_f = 10,67 L Q^1,852 / (C^1,852 D^4,87), usando Q en m³/s.

Con Q = 0,00774 m³/s se obtiene h_f ≈ 8,17 m. La velocidad media es V = Q/A = 0,00774 / (π·0,10²/4) ≈ 0,99 m/s.

La OS.050 incluye coeficientes de Hazen–Williams por material y recoge C = 150 para PVC. En el cálculo completo se incorporan pérdidas locales, cotas, presiones, transitorios y el diámetro realmente disponible; esta cuenta es solo el tramo distribuido.

5. ¿Llega presión suficiente al punto crítico?

En el punto de control, la línea piezométrica aguas arriba está a cota 38 m. El terreno del nodo está a cota 21 m y las pérdidas acumuladas hasta allí son 5 m. La presión dinámica estimada es:

H_din = 38 − 21 − 5 = 12 m de columna de agua.

Como referencia de comprobación, la OS.050 establece que bajo demanda máxima horaria la presión dinámica no debe ser menor de 10 m. El resultado de 12 m supera ese mínimo en esta hipótesis, pero la red debe revisarse en todos los nodos y escenarios, incluido el estado estático; un único punto no valida el sistema completo.

6. Del consumo al caudal que entra al alcantarillado

Para estimar un aporte doméstico, usa el caudal máximo horario del caso 2 y el coeficiente de retorno C = 0,80 indicado como valor guía en el anexo de la OS.070. El tramo además tiene 2 km de colector; para mostrar el efecto de aportes adicionales, el ejercicio supone infiltración de 0,10 L/s·km y conexiones erradas equivalentes al 5 % del aporte doméstico:

Q_doméstico = 0,80 × 11,91 = 9,52 L/s.

Q_{infiltración} = 0,10 × 2 = 0,20 L/s; Q_erradas = 0,05 × 9,52 = 0,48 L/s.

Q_diseño = 9,52 + 0,20 + 0,48 = 10,20 L/s. Los aportes por infiltración y conexiones erradas son supuestos didácticos; en obra deben estimarse y justificarse según las condiciones del terreno, juntas, nivel freático y norma.

7. Comprobación preliminar de un colector circular

Comprueba la capacidad de una tubería circular de D = 200 mm a media sección, con pendiente S = 0,005 y n de Manning = 0,013. Para media sección, A = πD²/8 = 0,01571 m² y R_h = D/4 = 0,050 m:

V = (1/n) R_h^2/3 S^1/2 = 0,74 m/s.

Q_½ = V × A = 0,738 × 0,01571 = 0,0116 m³/s = 11,6 L/s.

La capacidad calculada a media sección supera el Q_diseño del ejercicio (10,20 L/s), lo que permite una primera comparación; todavía falta resolver el tirante que corresponde al caudal real y verificar velocidad, tensión tractiva, pendiente, caudales inicial y final, diámetro mínimo y ventilación. La OS.070 exige revisar cada tramo y señala criterios mínimos de dimensionamiento hidráulico; no basta con que “pase” el caudal a tubo lleno.

Una ruta útil para estudiar y revisar proyectos

La secuencia ayuda a entender por qué un dato cambia el siguiente: más habitantes elevan la demanda; la demanda condiciona captación, conducción y almacenamiento; el perfil de la red define la presión disponible; y el aporte de retorno e infiltración fija el caudal que debe recoger el alcantarillado. Para estudiantes, es una práctica para enlazar hidráulica, saneamiento y diseño. Para profesionales, funciona como lista de comprobaciones antes de pasar a hojas de cálculo o modelación.

Revisa también los supuestos antes de reutilizar cualquier resultado: una fórmula bien aplicada no corrige una dotación sin sustento, un levantamiento topográfico incompleto ni una norma que no corresponde al proyecto. El diseño final debe ser validado por el profesional responsable.

Agradecemos al Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento por mantener disponible el RNE y a los autores y entidades citados por sus materiales técnicos y académicos. Los ejercicios numéricos de esta guía son didácticos y originales; los documentos enlazados conservan la autoría y condiciones de sus fuentes.