Design of
rainwater collection systems, a commitment to conservation[1]
Diseño
de sistemas de recolección de agua lluvia, una apuesta por la conservación
César
Arturo Pérez Rodríguez[2]
Recibido en diciembre 2018, aceptado en marzo 2019
RESUMEN
Introducción.
Los sistemas de recolección de agua
lluvia son una alternativa para enfrentar el desabastecimiento del recurso en
zonas veredales o con deficiente acceso al mismo Objetivo. Diseñar sistemas de recolección de agua lluvia para
municipios de Cundinamarca evaluando su funcionalidad y capacidad hidráulica Materiales y métodos. La investigación
es de tipo cuantitativa enfocado a definir variables climatológicas, caudales y
funcionamiento del sistema Resultados. Se presentaron en el año 2018 2 trabajos
de grado de 4 estudiantes del programa de ingeniería civil pertenecientes al
grupo de investigación Conclusión.
Los sistemas prefabricados que se comercializan a nivel nacional tienen la
capacidad de manejar el caudal captado en los sitios analizados Discusión. Dentro del ejercicio se
destaca la propuesta de diseño de sistemas de captación de agua empleando
material reciclado, proceso en desarrollo dentro del semillero y se viabiliza
un proyecto enfocado a la mejora en la calidad del agua.
Palabras clave agua, conservación,
precipitación, sostenibilidad.
ABSTRACT
Introduction. The rainwater collection systems are an alternative to face the shortage of the resource in rural areas or with poor access to the same Objective. Design rainwater collection systems for municipalities of Cundinamarca evaluating their functionality and hydraulic capacity Materials and methods. The research is of a quantitative type focused on defining climatological variables, flow rates and system performance. Results. In the year 2018, 2 undergraduate projects of 4 students of the civil engineering program belonging to the investigation Group were presented Conclusion. The prefabricated systems that are commercialized at the national level have the capacity to manage the flow captured in the analyzed sites. Discussion. Within the exercise, the proposal for the design of water catchment systems using recycled material, a process under development in the seedbed, and a project focused on the improvement of water quality, is highlighted)
Key words: Conservation,
precipitation, sustainability, water
1. Introducción
Con el transcurrir del tiempo y las dinámicas crecientes de población, según UNESCO (2005) se ha evidenciado que la escasez de agua es un fenómeno natural, pero también un fenómeno inducido por los seres humanos, esto indica que el proceso de manejo de agua dulce ha sido deficiente a lo largo del tiempo y se hace necesario implementar alternativas de recuperación y manejo de agua enfocado en poblaciones que presenten deficiencias del recurso natural.
Uno de las formas de aprovechamiento del recurso hídrico es el uso adecuado de la precipitación y para el caso local según (Correa Avendaño, n.d.) Colombia es el país con mayor índice de precipitación en el mundo por m2, según el Banco Mundial, con una precipitación promedio de 3 240 mm al año es por esto que el agua lluvia es un recurso aprovechable a nivel nacional y que puede suplir algunas de las necesidades de su uso dentro de una vivienda.
Teniendo
en cuenta lo anteriormente expresado se analizan las variables de uso del agua
dentro de una vivienda: la
ducha / baño supone, por sí sola un tercio del consumo 34%. Siguen el uso del
inodoro (21%) y el gasto del agua en el lavabo 18%. De hecho, de acuerdo
con este estudio, en el baño consumimos casi las tres cuartas partes del
agua. (F. Aquae, 2015), es a partir de esto que se debe tener
en cuenta que el agua que se usa dentro de la vivienda no toda debe ser
necesariamente potable dependiendo de su fin y que puede emplearse agua lluvia
para el caso de limpieza o descarga de inodoros.
Entonces de estas premisas se define la idea
de cuantificar el agua lluvia dentro de una zona de trabajo para poder hacer la
captación y aprovechamiento de la misma, entonces se implementa el método
racional que es un modelo empírico simple que puede
utilizarse para el diseño de sistemas de recolección y evacuación de aguas
lluvias que tengan áreas relativamente pequeñas. El diseñador podrá utilizar
este método racional siempre y cuando el área de la cuenca de drenaje sea menor
que 80 ha. (Ministerio de Vivienda Ciudad y Territorio, 2016,
p92),
es entonces viable el realizar la cuantificación de agua lluvia dependiendo de
las variables climatológicas y aplicando la metodología de (Vargas & Diaz, 1998) para las
curvas sintéticas de precipitación de una zona específica y lograr definir la
lluvia de diseño.
Teniendo en cuenta que la población de trabajo
es la comunidad de Pacho, Cundinamarca se tienen los diseños de viviendas de
interés social y de salones comunales desarrollados por el programa de
ingeniería civil de Uniminuto, se trabaja enfocado en
(Ministerio de Vivienda Ciudad y Territorio, 2016,
p93)
la cuantificación del área y del coeficiente de escorrentía los cuales se
tienen definidos a partir de estas viviendas nuevas y se conocen sus
dimensiones y los materiales a trabajar.
Este proyecto además tiene un potencial
importante y busca fortalecer (CEPAL, 2018) la agenda
2030 y enfocado en el (PNUD - Programa de Naciones Unidas para el
Desarrollo, 2016) con el
objetivo 6 Agua limpia y saneamiento
básico y el objetivo 11 ciudades y
comunidades sostenibles, es así que el trabajo del semillero Gestión del
Recurso Hídrico está enfocado en el aprovechamiento de recursos naturales como
en este caso el agua y la verificación
del uso adecuado del sistema de recolección de agua lluvia cumpliendo los
parámetros de diseño y funcionamiento hidráulico del mismo.
Como resultado del trabajo se ha definido las
variables climatológicas propias de la zona basados en información entregada
por el IDEAM de las estaciones climatológicas Ubaté y Pantano Redondo ubicada
en jurisdicción del municipio de Ubaté y de Zipaquirá respectivamente y
aplicando la metodología de (Vargas & Diaz, 1998) para el
desarrollo de curvas i.d.f. sintéticas se procede a
la cuantificación de caudal para áreas de captación de 118,51 a 140,7
obteniendo un caudal de diseño con el cual se
dimensionan los sistemas.
Como resultado del proyecto es definir que las condiciones de los sistemas prefabricados de recolección de agua lluvia como lo son los sistemas de (PAVCO, n.d.) las cuales son las canaletas amazona o raingo, son funcionales para la condición de caudal definido y que me permite mover el agua en forma adecuada sin tener inconvenientes en la capacidad de los elementos que lo componen.
2.
Materiales y métodos
El diseño metodológico aplicado en este artículo es de
enfoque cuantitativo fundamentado en el aprendizaje basado en problemas, cuyo
fin es la generación de alternativas de aprovechamiento del agua en diferentes zonas
de municipios de Ubaté y Zipaquirá ya que la comunidad ha manifestado la
necesidad apoyo del programa de ingeniería civil en el diseño de sistemas de
aprovechamiento de agua lluvia con fines de reducir los consumos de agua
potable y por ende los cobros por el servicio público.
La población a trabajar es los habitantes de las 2
viviendas rurales objeto de los proyectos de grado de los estudiantes del
programa de ingeniería civil, una vivienda ubicada en la vereda Chipaquín del
municipio de Ubaté y la segunda vivienda está ubicada en el municipio de
Zipaquirá.
Fase 1: Determinación de variables climatológicas y
espaciales de diseño.
Para el proceso de diseño y cuantificación de agua
lluvia buscamos aplicar el método racional (Ministerio de Vivienda
Ciudad y Territorio, 2016) trabajando como base para la curva i.d.f.
sintéticas según la metodología de (Vargas & Diaz,
1998), la definición de zonas duras o elementos de
recolección se definen a partir de los levantamientos topográficos realizados
en los puntos de interés tanto en la finca la carolina del municipio de Ubaté
como la finca el bosque de san Juanito del municipio de Zipaquirá.
Fase 2: determinación de las secciones hidráulicas y
geométricas de las secciones predeterminadas por los fabricantes.
Como proceso de verificación de la funcionalidad del
sistema se hace el procesamiento de la información mediante software de diseño
de canales para verificar que las capacidades y condiciones de flujo dentro de
las canales y bajantes sean las adecuadas para el caudal determinado y su
proceso de instalación esté acorde a los cálculos y directrices determinadas.
3.
Resultados
Como resultados del diseño se tienen enfocado en las 2 fases
previamente mencionadas: Fase 1: en la cuantificación de caudal buscamos el
aprovechamiento del agua precipitada usando la información suministrada por el
IDEAM para generar la curva de intensidad – duración – frecuencia (i.d.f) de la zona de estudio, con la limitante que puede
existir condiciones micro climáticas en algunas de las viviendas que se
encuentren en zonas alejadas del perímetro urbano del municipio, con esto
previamente dicho se tiene la ecuación según (Vargas &
Diaz, 1998,p193) para determinar la precipitación de diseño
es:
Donde:
I= intensidad de la lluvia o precipitación de diseño
a, b, c y d son los coeficientes determinados para cada región en
Colombia
T= período de retorno de las lluvias bajo recomendación de diseño
M = valor máximo anual de precipitación diaria
t= duración de la lluvia en tiempo de concentración
Una vez definidas las variables de precipitación para los casos de
Ubaté y de Zipaquirá se definen que las intensidades de precipitación son 41.93
mm/h y 70 mm/h respectivamente para cada uno de los diseños, empleando este
dato entonces en el método racional (Ministerio de
Vivienda Ciudad y Territorio, 2016) que se muestra a continuación:
Donde:
Q= caudal determinado por método racional.
C= coeficiente de escorrentía, para superficies duras o impermeables
es 0.9
I= intensidad de diseño
A= área de captación de los techos de las viviendas analizadas, techos
a 2 aguas.
Una vez aplicado este método se tiene que los valores de caudal para
cada caso de estudio es 1.24 l/s para el caso de la finca de Ubaté y 2.46 l/s
para el caso de la finca de Zipaquirá, teniendo en cuenta que este es el caudal
aportado por toda la superficie de las viviendas pero que se hace énfasis en
que cada vivienda tiene unas geometrías a 2 o 4 aguas en las cubiertas, lo que
indica que los caudales de diseño son menores para las canales dependiendo del
área de cada parte de la cubierta.
Una vez determinados estos caudales se determinan las variables
hidráulicas que permitan modelar los sistemas prefabricados bajo las
condiciones de caudal determinadas, para poder lograrlo se emplea el software Hcanales como se muestra:
Resultados de modelación empleando software Hcanales
para el caso de la finca La Carolina Municipio de Ubaté.
Ilustración 1: modelación del sistema de canales para la vivienda 1 de
la finca La Carolina municipio de Ubaté.
Elaborado por: elaboración propia
Fuente: (Castillo
& Pantoja, 2018)
Ilustración 2: modelación de la canal amazona para el caso de la
vivienda 2 de la finca La Carolina de Ubaté.
Elaborado por: elaboración propia
Fuente: (Castillo
& Pantoja, 2018)
Ilustración
1: modelación del software con
caudal aportado por área parcial
Elaborado por: elaboración propia
Fuente: (Rios &
Rios, 2018)
Ilustración 2: modelación del software con
caudal máximo calculado por sección parcial
Elaborado por: elaboración propia
Fuente: (Rios &
Rios, 2018)
Una vez analizados estos resultados mediante el software se determina
que para las condiciones de caudales captados de agua lluvia es adecuado el uso
del sistema de canaletas amazonas de (PAVCO, n.d.) ya que tienen la capacidad del manejo del
agua bajo las condiciones mínimas de instalación requeridas, es decir, los
sistemas se pueden instalar a una pendiente del 0,7% de inclinación y va a
conducir el agua sin inconvenientes a lo largo de la zona de aporte de caudal
de cada uno de los techos. Con estos procesos matemáticos se determina que los
sistemas de recolección de agua lluvia permiten el aprovechamiento de dicha
agua, esta agua se debe almacenar en un tanque con capacidad de 10.000 L ya que
permite darle uso en diferentes horas y va a reservar el agua precipitada bajo
las condiciones de intensidad previstas por al menos 1 hora, esto ayuda a
economizar el uso de agua potable en actividades que no necesitan de esa
calidad para realizarse.
4.
Discusión
Como se ha evidenciado en los trabajos desarrollados dentro del
semillero Gestión del Recurso Hídrico citados previamente se evidencia que el
sistema prefabricado (PAVCO, n.d.) soporta las condiciones de precipitación y
caudales captados de las zonas a analizar, la limitante del fabricante es el
área de captación de 100 lo que
se puede evidenciar desde la aplicación del método racional (INVIAS, 2009) ya que otra variable importante es la
precipitación misma de la zona y la duración de la lluvia en tiempo de
concentración.
Este sistema de recolección permite reducir el consumo de agua potable
permitiendo tener una fuente alternativa del recurso para los usos en los
cuales no es necesaria una calidad de agua apta para consumo como lo es la
limpieza del hogar o la descarga de sanitarios y como siguiente proceso en el
proyecto de investigación es la medición de esa calidad de agua para generar un
proceso básico de tratabilidad que permita el uso de
esa agua lluvia en nutrición vegetal o animal e incluso apta para consumo si la
calidad del agua lo permite en términos de la relación costo del tratamiento
contra el beneficio económico o reducción de la tarifa del acueducto.
5.
Conclusiones
Adicionalmente como temática interna del semillero ha sido la
sostenibilidad de las actividades humanas, un proceso preocupante es el
aprovechamiento de los residuos reciclables y los estudiantes han planteado
inquietudes sobre este tema y basados en esa necesidad de usar adecuadamente
esos elementos reciclables se ha generado un proyecto de investigación enfocado
al desarrollo de sistemas de recolección de agua lluvia empleando materiales
reciclados, empleando en su construcción botellas plásticas, papel e icopor lo que permita reducir (Lara Arzate,
Falfán Velazquez, & Villa Gutiérrez, 2012) la huella ecológica que nos permite conocer
el grado de impacto que ejerce cierta comunidad humana, persona, organización,
país, región o ciudad sobre el ambiente. Como elemento que permita complementar
la funcionalidad del sistema y el aprovechamiento del agua recolectada se tiene
proyectado otro enfoque y es a la calidad del agua y la cantidad recolectada
cuando los sistemas sean sometidos a condiciones de lluvia, procesos que se
siguen desarrollando como proyecto de investigación.
Referencias
bibliográficas
Aquae, F. (2015). ¿como
se reparte el agua en el hogar?, 4.
Castillo, J.,
& Pantoja, A. (2018). Propuesta de un sistema de recolección de agua lluvia
en la finca La Carolina en el municipio Ubaté-Cundinamarca.
CEPAL. (2018).
Agenda 2030 y los Objetivos de Desarrollo Sostenible Una oportunidad para
América Latina y el Caribe. https://doi.org/10.1017/CBO9781107415324.004
Correa Avendaño,
G. (n.d.). Ensayo académico especialización en construcción sostenible, 1–18.
INVIAS. (2009). Manual
de drenaje para Carreteras.
Lara Arzate, J.,
Falfán Velazquez, L., & Villa Gutiérrez, A. (2012). Huella ecológica, datos
y rostros.
Ministerio de
Vivienda Ciudad y Territorio. (2016). Título D: Sistemas de Recolección y
Evacuación de Aguas Residuales Domésticas y Aguas Lluvias. Reglamento
Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico.
PAVCO. (n.d.).
Manual técnico de canales y drenajes.
PNUD - Programa
de Naciones Unidas para el Desarrollo. (2016). Apoyo del PNUD a la
implementación del Objetivo de Desarrollo Sostenible 6 Gestión sostenible del
agua y el saneamiento, 1–16.
Rios, I., &
Rios, J. (2018). Diseño de un Sistema de Captación, Conducción y Almacenamiento
de Agua Lluvia Para Uso en Labores de Limpieza Doméstica en la Finca El Bosque
De San Juanito Municipio de Zipaquirá, Cundinamarca.
Vargas, R., &
Diaz, M. (1998). Curvas sintéticas regionalizadas de Intensidad-Duración-
Frecuencia para Colombia, 200. https://doi.org/10.1017/CBO9781107415324.004
[1] Artículo original
desarrollado del proyecto “Tratamiento de aguas lluvias” periodo 2017-2018
2Ingeniero Civil, Especialista en Ingeniería Ambiental,
Profesor Investigador programa de ingeniería civil, Corporación Universitaria Minuto de Dios, cesar.perezr@uniminuto.edu, ingcesarcivil@gmail.com,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5438-5327
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