1.- ANTECEDENTES.
El agua, el líquido vital por naturaleza, ha sido un factor determinante para la evolución tanto de especies vegetales como animales. El hombre, en su transición de nómada a sedentario procuró siempre establecerse en las inmediaciones de los ríos, manantiales, lagos y otras fuentes donde pudiera proveerse del vital líquido. Es así que a lo largo de su historia, el hombre ha tenido que enfrentarse con el problema del agua, pues tanto resulta imperante la presencia del agua para el desarrollo de sus actividades cotidianas, como le es peligrosa en exceso, tal es el caso de las grandes inundaciones y catástrofes que han ocurrido a causa del agua y los fenómenos que suceden a raíz de esta. Durante mucho tiempo se pensó en el agua como un recurso inagotable por su fácil obtención de los ríos, lagos y manantiales. Con el avance de su evolución ya no era necesario que el hombre se estableciera cerca de estos sitios, pues ideo técnicas para excavar pozos hasta encontrar el agua del subsuelo y abastecerse de ésta.
1.1.- HISTORIA DE LA CAPTACIÓN DE AGUA PLUVIAL EN
GENERAL.
Muchas de las obras históricas de captación de agua pluvial para uso doméstico se originaron principalmente en Europa y Asia. En base a la distribución de los restos de estructuras de captación de agua de lluvia y el persistente uso de estas obras en la historia, se puede asumir que las técnicas de captación de agua pluvial desempeñaban un papel importante en la producción agrícola y la vida en general en las zonas áridas y semiáridas en diversas partes del mundo.
Parte de la agricultura en el Medio Oriente, estaba basada en técnicas como derivación de torrentes. En el Desierto de Negev, en Israel, han sido descubiertos sistemas de captación de agua de lluvia que datan de 4 000 años o más.
Estos sistemas consistieron en el desmonte de lomeríos para aumentar la escorrentía superficial, que era entonces dirigida a predios agrícolas en las partes bajas.
En el sureste de Túnez se utilizaron técnicas de micro captación para el crecimiento de árboles. Técnicas parecidas se practicaron por todo una vasta región del suroeste de los Estados Unidos, noreste de México y en el Altiplano de México Central y Sur.
Las técnicas antiguas descritas a menudo tratan de medidas simples de control del agua, eran técnicas utilizadas en diversas sistemas agrícolas especialmente los de producción marginal, y se caracterizaban por los siguientes factores: estaban vinculadas a diversos cultivos y otras prácticas, como las de conservación de suelos, eran flexibles, o sea que se integraban fácilmente con otras sistemas de uso de los recursos naturales, y eran resistentes, ya que tenían la capacidad de adaptarse a los cambios sociales. Cuando la población humana comienza a crecer de manera extensiva, y no existen suficientes recursos disponibles de agua, se necesita buscar otras fuentes diferentes de agua, como almacenamiento y distribución del agua. Hace aproximadamente 7000 años en Jericó (Israel) el agua almacenada en los pozos se utilizaba como fuente de recursos de agua, además se empezó a desarrollar los sistemas de transporte y distribución del agua. Este transporte se realizaba mediante canales sencillos, excavados en la arena o las rocas y más tarde se comenzarían a utilizar tubos huecos.
En Egipto se utilizaban árboles huecos de palmera mientras en China y Japón utilizaban troncos de bambú y más tarde, se comenzó a utilizar cerámica, madera y metal. En la antigua Grecia el agua de escorrentía, agua de pozos y agua de lluvia eran utilizadas en épocas muy tempranas. Desde hace más de tres siglos, en América Latina, se han utilizado los sistemas de captación de agua de lluvia para uso doméstico, donde la recolección del agua proveniente de los techos y pisos se almacenaba en cisternas de diferentes tipos.
El agua de lluvia es un recurso que históricamente en nuestro país ha desempeñando un papel muy importante hasta el siglo XIX. Cuando a principios del siglo XX las canalizaciones de agua empezaron a irrumpir de forma masiva en ciudades, pueblos y villas, el agua de lluvia pasó a un segundo plano y reservado casi exclusivamente a situaciones muy especiales. Investigaciones confirman que la captación y almacenamiento de agua pluvial ha sido practicada por más de cuatro mil años. En México, las aguadas (depósitos artificiales) fueron utilizadas en tiempos precolombinos para irrigar cultivos en áreas pequeñas. Así como en Xochicalco, Morelos, desde el año 300 a.C. se emplearon sistemas de captación conocidos como “Chultúns” (véase figura 1.1), los cuales tuvieron la función de recolectar el agua de lluvia de los patios y conducirla mediante canales a depósitos construidos con piedra para ser usada posteriormente. El Instituto Nacional de Antropología e Historia (INAH) ha desarrollado desde hace varios años, investigaciones en zonas arqueológicas de la península de Yucatán. El sistema de captación de agua de lluvia descubierto recientemente, fue utilizado por los mayas que habitaron durante el postclásico tardío (1200-145 d.C.) la antigua ciudad amurallada conocida como Ichpaatún.
El sistema en su conjunto, fue construido en una plataforma rocosa natural que corre paralela al litoral de la Bahía de Chetumal, con una altura que fluctúa entre los 5 y 7 metros por arriba del nivel de sus aguas. El resultado de las excavaciones arqueológicas demuestra que para obtener y almacenar el agua
de lluvia, los antiguos mayas aprovecharon los afloramientos naturales de la roca caliza, modificándolos detalladamente para ello. Los niveles más altos fueron acondicionados para captar el agua y conducirla por gravedad rumbo a los niveles más bajos, donde excavaron varias oquedades y un chultún para almacenarla.
El nivel más alto de la roca se encuentra en el sector norte, donde excavaron la que podría llamarse oquedad 1; el agua aquí captada era conducida por gravedad rumbo a la 3, pasando previamente por una trampa de sedimentos donde capturaron las partículas de materiales pesados, con la intención de obtener el agua con cierto grado de pureza. Por el poniente de la oquedad 3 excavaron un chultún, donde almacenaron el agua que escurría de la superficie rocosa de sus inmediaciones. La reserva del agua en las oquedades 2 y 4 se lograba por los escurrimientos que partían del norte del afloramiento rocoso.
Fig.1.1.- Cisterna Maya
denominada “Chultún”.
El término pluvial se refiere al agua proveniente de precipitaciones atmosféricas (véase figura1.2.). La lluvia se mide en milímetro al año, menos de 200 son insuficientes, entre 200 y 500 son escasas, entre 500 y 1000 son suficientes, entre 1000 y 2000 son abundantes y más de 2000 son excesivas. La lluvia es precipitación de agua en forma de gotas. Cuando éstas alcanzan un diámetro superior a los 0,5 mm caen a la tierra por la gravedad a una velocidad superior a los 3 m/s. En estos momentos, se produce la lluvia. El agua puede volver a la tierra, además, en forma de nieve o de granizo. Dependiendo de la superficie contra la que choque, el sonido que producirá será diferente. La lluvia depende de tres factores: la presión, la temperatura y, especialmente, la radiación solar. En las últimas décadas, se ha producido un fenómeno que causa lluvias con mayor frecuencia cuando la radiación solar es menor, es decir, por la noche.
Fig.1.2.- Ciclo Hidrológico.
1.2.1.- AGUA PLUVIAL COMO FUENTE DE ABASTECIMIENTO.
La lluvia, en su caída, se distribuye de forma irregular: una parte será aprovechada para las plantas, otra parte hará que los caudales de los ríos se incrementen por medio de los barrancos y escorrentías que, a su vez aumentarán las reservas de pantanos y de embalses y otra parte se infiltrará a través del suelo, y escurriendo por zonas de texturas más o menos porosas
formará corrientes subterráneas que irán a parar o bien a depósitos naturales con paredes y fondos arcillosos y que constituirán los llamados yacimientos o pozos naturales, o acabarán desembocando en el mar. La última parte se evaporará antes de llegar a la superficie por acción del calor.
El agua pluvial se utiliza en actividades donde no se requiere agua potable, lavadora, tanque del servicio, lavado de auto, aunque su uso más extendido es para el riego de jardines aprovechando este recurso el ahorro anual puede llegar a ser de hasta 759.6mm en promedio
En muchos lugares del mundo con alta o media precipitación y en donde no se dispone de agua en cantidad y calidad necesaria para consumo humano, se recurre al agua pluvial como fuente de abastecimiento.
1.2.2.- VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL AGUA PLUVIAL.
Algunos de las ventajas más importantes del uso de agua pluvial son: 1. Menor uso de agua potable.
2. Disponibilidad del recurso prácticamente en cualquier lugar. 3. Posibilidad de convertirse en potable con el debido tratamiento. Algunas de las desventajas del agua pluvial son:
1. Lluvia Acida, (aunque cabe mencionar que dadas las propiedades acidas de este tipo de precipitaciones pueden ser benéficos pues disuelven terrenos calcáreos y permiten la infiltración del agua a los mantos que de otra manera escurrirían, pero en la condición del proyecto actual, se considera más su propiedad corrosiva sobre los materiales).
2. Su distribución espacial y temporal, dado que no llueve todos los días ni todos los meses.
3. Contaminación por contacto con superficies.
1.3. - DISPONIBILIDAD DEL AGUA DE LLUVIA EN LA CIUDAD
DE MÉXICO.
Actualmente al definir la disponibilidad del agua, solo se hace tomando en cuenta la cantidad que se aprovecha. Se suma el escurrimiento de todo el año y la recarga media de acuíferos, para obtener el valor señalado como disponibilidad natural anual.
Sin embargo el agua realmente disponible es menos, debido a que el agua de mala calidad no puede usarse directamente para abastecimiento de las ciudades y varias industrias. En muchos casos se requerirá tratar el agua para mejorar su calidad.
En la mayor parte del País el escurrimiento superficial es abundante en los meses de julio, agosto y septiembre; pero sí no se almacena, el agua escurre al mar; y no puede ser aprovechada en los meses de marzo, abril y mayo. Por lo que el balance hidráulico anual no permite evitar la sobreexplotación de los cuerpos de agua en época de estiaje (cuando no hay lluvias).
En la clasificación mundial, México está considerado como un país con baja disponibilidad de agua pluvial. El promedio anual de lluvia sobre territorio nacional es de 759.6mm o 1500km3 de agua (véase figura1.3), lo que da una disponibilidad media por habitante de 4547m3 obtenido mediante la simple multiplicación del promedio de precipitación por la superficie nacional lo que equivale a una piscina de un kilómetro de profundidad del tamaño de su capital, el Distrito Federal.
Fig.1.3.- Distribución de la precipitación pluvial para México en el periodo 1971-2008.
El
volumen total de
agua que recibe
el país por
precipitación es de 1 528 km3 en promedio, pero la mayor parte, cerca del 73% regresa a la atmósfera por evapotranspiración (1 100 km3).
Además del agua que ingresa al país por medio de la precipitación, México recibe 48 km3 provenientes de Guatemala y 1.8 km3 del río Colorado y entrega 0.44 km3 del río Bravo a Estados Unidos (véase figura 1.4.).
Fig. 1.4.-
Balance del agua pluvial en México.
En este sentido, los 772 mm de precipitación anual que recibe el país lo clasifican en la categoría de países con abundante disponibilidad de agua. Sin embargo, como ya se mencionó antes, México tiene una alta tasa de evapotranspiración que disminuye en forma significativa el volumen de agua disponible. La estimación de la evapotranspiración promedio en México, que es de aproximadamente 1 100 km3 (73% de la precipitación total).
Uno de los factores determinantes de la salud humana es la disponibilidad de agua dulce. El crecimiento de la población, la industrialización y la expansión de la agricultura de regadío en los últimos decenios han provocado un aumento drástico en la demanda humana de agua. Las principales fuentes inmediatas de agua dulce renovable para consumo humano son los humedales (lagos, ríos, etc.) y los acuíferos de aguas subterráneas de poca profundidad. Aunque, por supuesto, las principales fuentes de agua que alimentan nuestros humedales y acuíferos provienen de otros ecosistemas, principalmente montañas y bosques. En contraste, es muy poca la escorrentía que proporcionan los ecosistemas cultivados y las zonas urbanas.
Las actividades agropecuarias, industriales y municipales, utilizan el agua, y en muchas ocasiones la desperdician o la devuelven contaminada, lo que afecta estas mismas actividades, a la salud humana y a todos los demás seres vivos. Debido a la importancia del agua como un recurso que puede ser limitante para el desarrollo económico y social, en los últimos años se ha intensificado el estudio de la cuantificación de la disponibilidad del líquido. En México aproximadamente el 77% del volumen total de agua se destina al sector agrícola, 14% al abastecimiento público y 9% a la industria autoabastecida (véase figura 1.5.).
Fig. 1.5.- Gráfica de
Distribució n del Agua
Potable.
1.4.1.-
AGUA
PARA
USO DE
RIEGO.
La superficie total destinada a la agricultura en el país es de 22 millones de hectáreas, de las cuales 16 millones son de temporal (regadas de acuerdo a los ciclos de la naturaleza) y las restantes seis millones son abastecidas por los propios agricultores, es decir, dependen de sistemas de riego. En México, el
sector que más agua desperdicia es el que más la consume y es este sector agropecuario (véase figura1.6.). Las estimaciones de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), mencionan que 57% del agua que consume se pierde por evaporación pero, sobre todo, por infraestructura de riego ineficiente, en mal estado u obsoleta. Las pérdidas por infiltración y evaporación ascienden a más de 60% del agua almacenada y distribuida para fines agrícolas.
Fig. 1.6.- Agua
para uso de riego.
1.4.2.-
AGUA
PARA
USO
INDUSTRIAL Y SERVICIOS.
En este rubro se incluyen los usos industrial, agroindustria, servicios y generación de energía eléctrica (excepto hidroeléctricas). El sector industrial posee variados criterios de calidad de agua según su necesidad. La utilizan mayormente como refrigerante, como materia prima, como medio de transporte, como agente limpiador, como fuente de energía, como vapor, entre muchas otras.
El uso del agua en la industria en México, representa aproximadamente el 4% de la extracción del agua en el país; de 5 km3 que extrae este sector anualmente, se consumen 2.5 km3. El 90% aproximadamente es abastecido por fuentes propias y el resto se abastece de tomas especiales para uso industrial, que proveen las redes municipales (véase figura1.7.).
Fig. 1.7.- Agua para uso industrial.
1.4.3.-
AGUA
PARA
USO
DOMÉ
STICO.
En general se considera que un volumen de 20 a 40 litrosde agua dulce por persona por día es el mínimo necesario para satisfacer las necesidades de beber y saneamiento solamente. Si también se incluye el agua para bañarse y cocinar, esta cifra varía entre 27 y 200 litros per cápita por día. La cantidad de agua que las personas realmente utilizan en un país depende no sólo de las necesidades mínimas y de cuánta agua se dispone para el uso, sino también del nivel de desarrollo económico y del grado de urbanización. Por supuesto que uno de los usos más importantes que se le da al agua es en los propios hogares. Los usos domésticos incluyen agua para todas las actividades que se hacen en casa: tomar agua, preparar los alimentos, bañarse, lavar la ropa y los utensilios de cocina, cepillarse los dientes, regar el jardín, etcétera.
El agua generalmente llega a los hogares a través de una de las dos siguientes maneras: ya sea que la sirva el departamento de agua de la ciudad o quizás la sirva una compañía privada (véase figura 1.8.).
Fig.1.8.- Gráfica de distribución del agua para fines domésticos.
1.4.3.1.- RESPONSABILIDAD DEL USO DEL AGUA EN EL
ÁMBITO DOMÉSTICO.
Cada sector, cada actividad la usa de diversas maneras y muchas veces no lo hacen responsablemente. El consumo del agua debe ser responsabilidad de todos, más allá de la acción específica del organismo encargado de su distribución. Desafortunadamente no se ejerce en la actualidad una conducta respetuosa del consumo del recurso, que en los próximos años será el centro de atención, debido a su escasez.
Esta situación debe revertirse a corto plazo y sólo esto es posible si se educa a la población correctamente sobre el uso y el consumo del agua, mentalizando a todos los ciudadanos acerca de la prioritaria necesidad de aprovechamiento externo del recurso. Existe una errada tendencia a creer que esta situación en algunos casos alarmantes, es exagerada.
Lo cierto es que el Mundo está escaso de agua apta para el consumo y la limita a cantidades aprovechables, muchas veces se desperdicia por falta de atención, excesivo e inútil o simplemente descuido. Prueba de ellos es el uso del agua para el consumo domiciliario.
Como ejemplo esta el consumo de las tareas diarias dentro del baño de nuestra casa: La toma de conciencia es indispensable, porque nos permitirá modificar muchos de nuestros hábitos, tan nocivos para el aprovechamiento del recurso (véase tabla 1).
En primer lugar, simples acciones frente a nuestros malos hábitos pueden reducir considerablemente el problema. Si evitamos utilizar el inodoro como basurero, arrojando colillas, algodones u otros desperdicios en él, podríamos reducir en gran medida el derroche de agua a través de este sanitario. También si al lavarnos los dientes, las manos, o al afeitarnos, cerráramos la llave cuando no la estamos usando directamente, al igual que en el riego del jardín o la banqueta, ahorraríamos una gran cantidad de agua. Con estas acciones, el recurso aumenta sus posibilidades de permanencia óptima en nuestra vida y además también habrá mayor presión de agua en nuestro sistema sanitario, puesto que el consumo bajaría a casi la mitad de litros que hoy son utilizados para efectuar las mismas tareas domiciliarias.
Tabla 1.- Uso doméstico del agua.
1.5.- SISTEMA CUTZAMALA.
El Sistema Cutzamala provee al valle de México aproximadamente la cuarta parte del caudal que se consume en esta región. El resto del abastecimiento de agua potable proviene de 14 acuíferos localizados en el propio Valle, los cuales se ven expuestos a una fuerte presión, y la mayoría de ellos se encuentra
sobreexplotados, esto lo señalo la Comisión Nacional del Agua. (CONAGUA). Este sistema aporta un volumen de 16m3/s proveniente de agua de lluvia que es captada a través de 7 presas ubicadas en el Estado de México y Michoacán,
lo que amplía su expectativa para ser la única fuente de agua sustentable para el abastecimiento para la Ciudad de México y municipios conurbados mexiquenses siempre y cuando no sobrepasen los límites de la capacidad de diseño del mismo y se mantengan las acciones para conservar el entorno ecológico.
La Ciudad de México y su área metropolitana es la que más agua desperdicia. Aquí el desperdicio lo causan las fugas de la red hidráulica y alcanza un 38%, según las autoridades de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA); es decir, se traen 5 litros y se desperdicia 2 por fugas en el sistema. Este volumen representa más de lo que proveen el sistema Cutzamala y los manantiales que quedan vivos en el sur de la ciudad juntos. Las presas del sistema Cutzamala están al 48% de su capacidad, y el nivel mínimo al que pueden llegar es al 40%. El 28 de Agosto del 2009 el Sistema del Cutzamala se encontraba en una situación crítica por que se encontraba por debajo de su mínima capacidad (véase figura 1.9.)
Fig.1.9.-
Capacidad de almacenamiento del Sistema del Cutzamala.
1.5.1.- SERVICIO DE AGUA POTABLE EN LA CIUDAD DE
MÉXICO.
La demanda de agua potable en la Ciudad de México ha crecido de manera vertiginosa y, al mismo tiempo, la disponibilidad del agua se ha reducido en forma alarmante. Pese a ello, la disponibilidad per cápita es una de las más altas del mundo con un volumen del orden de 290 litros por día.
El suministro del agua potable en la Ciudad de México se debe tomar en cuenta y con cierta prioridad el costo con el cual es sustentable el mantenimiento del Sistema Cutzamala esto es el predial (véase figura 1.10.) un recibo donde se específica la cantidad a pagar por cada bimestre del agua potable que consumimos y este es proporcionada por la Secretaría de Aguas de la Ciudad de México (S.A.C.M.).
Fig.1.10 .- Recibo del pago del agua (Predial ). En esta parte del pago
señalado muestra el consumo por bimestre en m3 (véase figura 10.1).
Fig.1.10.- Consumo Bimestral (Predial).
1.5.2.- CONSUMO DE AGUA POR FAMILIA.
Es importante conocer los consumos de agua para una familia y conocer cada una de las actividades. Según la necesidad o prioridad el agua puede servir para usos simples como limpieza de pisos, inodoros o excusados, limpieza de ropa, riego de plantas o limpieza de autos y otros usos complejos como limpieza corporal, agua para beber y cocinar (véase figuras 1.11 y 1.12.).
Fig . 1 .
11 . -
Usos simples.
Fig.1.12- Usos complejos
2.1.- SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE AGUA PLUVIAL.
Para afrontar la problemática del agua a nivel mundial y nacional, una de las alternativas es la captación de agua de lluvia, el cual se detallara en este capítulo. Los Sistemas de Captación y Aprovechamiento del Agua de Lluvia para uso doméstico y consumo humano a nivel de familia y comunitario representan una solución para abastecer en cantidad y calidad a las numerosas poblaciones rurales, periurbanas y urbanas que sufren la carencia de este vital líquido. La precipitación pluvial representa un valioso recurso natural que se debe aprovechar, es una de las opciones más reales para proporcionar agua a aquellos que no cuentan con este recurso. Es posible establecer sistemas de captación de agua de lluvia para consumo humano a nivel de familia y a nivel de comunidad.
La importancia de captar, almacenar y utilizar el agua pluvial para uso doméstico es de gran relevancia para un gran número de colonos de la Delegación Azcapotzalco, sobre todo aquellos que sufren por los cortes de servicio que cada vez son más frecuentes y es necesario pagar para que pipas la transporten hasta su domicilio, esta opción permite satisfacer las necesidades básicas de la población, pero no todos pueden cubrir su costo.
2.1.1.- FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO DEL
SISTEMA.
En el diseño del Sistema de Captación y Conservación de Agua de Pluvial es necesario considerar los factores técnicos, económicos y sociales.
a) Factor Técnico: Es la relación entre la demanda de agua que depende de las necesidades del interesado y la existencia de los elementos que conforman el sistema de captación y conservación de agua pluvial, como puede ser la precipitación en la zona donde será instalado.
b) Factor Económico: Los costos del sistema propuesto deben ser comparados con los costos de otras alternativas destinadas al mejoramiento del abastecimiento de agua, como son la inversión para la renta de pipas de agua potable, el pago del predial (agua) por medio del subsidio gubernamental. teniendo presente el impacto que representa la cantidad de agua en las necesidades de las personas beneficiadas. c) Factor Social: Representado por los hábitos y costumbres que puedan
afectar la sostenibilidad de la intervención. Al efecto, el responsable del estudio debe discutir con la familia las ventajas y desventajas de la manera tradicional de abastecimiento de agua. Los análisis deben considerar la conveniencia de adoptar soluciones individuales y colectivas dentro del núcleo familiar.
2.1.2.- UBICACIÓN DEL DISEÑO DEL SISTEMA DE CAPTACIÓN
Y CONSEERVACIÓN DE AGUA PLUVIAL.
Como se mencionó en el capítulo 1 el diseño de nuestro Sistema de Captación y Conservación de Agua Pluvial será ubicado en la Calle Ignacio Comonfort # 43 entre Francisco Villa y José Cardel en la Delegación Azcapotzalco D.F (véase figura 2.1.).
2.2.- COMPONENTES DEL DISEÑO DEL SISTEMA DE
CAPTACIÓN Y CONSERVACIÓN DE AGUA PLUVIAL.
A continuación se describen y se ilustran los componentes para el diseño del Sistema de Captación y Conservación de Agua Pluvial a nivel familiar:
Área de captación del agua pluvial.
Selección del material para la pendiente del techo.
Selección de canaletas para el sistema de conducción del agua pluvial captada. Selección del pre filtrado.
Selección del filtro
Selección del tanque de almacenamiento para la conservación del agua pluvial captada.
2.2.1.- ÁREA DE CAPTACIÓN DEL AGUA PLUVIAL.
La captación está conformada por la superficie del techo de la edificación, (véase figuras 2.2. y 2.3.). El techo de la casa está en posición horizontal y construida de concreto, por lo cual se seleccionara el material adecuado para una pendiente que facilite el escurrimiento del agua pluvial hasta el sistema de conducción.
Fig.2.2.- Área de
Fig.2.3.- Área de Captación Toma Trasera.*
*Como área de captación sólo
se va a tomar en cuenta una
parte de la superficie del
techo para facilitar el
diseño de la pendiente.
2.2.2.-
SELECCIÓN
DEL
MATERIAL
PARA LA
PENDIENTE
DEL DISEÑO.
A continuación se muestran algunos de los materiales empleados en la construcción de techos o pendientes:
LÁMINAS TERMOACÚSTICAS.- Este tipo de lámina brinda propiedades específicas como: reducción de los efectos provocados por el calor y el ruido en el ambiente interior de una edificación y bajo peso que permite gran facilidad, rapidez y versatilidad en el diseño e instalación (véase figura 2.3.).
Fig.2.4.- Lámina Termoacústica.
LÁMINA DE FIBROCEMENTO.- Láminas para techo fabricadas a base de minerales de silicato y cemento, acústica, inoxidable, alta resistencia a agentes químicos y atmosféricos. Sus aplicaciones más comunes son: naves industriales, agroindustrias, viviendas y comercio en genera (véase figura 2.5.).
Fig.2.5.- Lámina de Fibrocemento.
LÁMINAS METÁLICAS.-
esta lámina ofrece mayor
durabilidad y es más resistente
a la corrosión, es ampliamente
recomendable en la
construcción de naves industriales, granjas avícolas y todo tipo de construcciones donde se pretenda contar un bajo costo por área cubierta (véase figura 2.6.).
Fig.2.6.- Lámina Galvanizada
Acanalada.
Después de la breve
explicación de las
propiedades de algunos de los
materiales utilizados para
la construcción de techos o
pendientes, se eligió el
material de teja de arcilla
porque cumple con las
características necesarias para el diseño del Sistema de Captación y Conservación de Agua Pluvial.
TEJA DE ARCILLA.- Su fabricación se realiza con base en una mezcla de minerales y polímeros reciclados, dándoles características de impermeables, livianas, y resistentes a los rayos ultra violetas (véase figura 2.7.).
Fig.2.7.- Teja de Arcilla.
Además la teja de arcilla es utilizada comúnmente en este tipo de edificaciones urbanas ya que los otros materiales son de mayor uso en la industria, las ventajas de la teja de arcilla son las siguientes:
• No requieren techo por debajo.
• Aíslan el ruido y el calor.
• No se quiebran.
• Ligeras.
• Color integral, no requieren pintura.
• Se pueden cortar con sierra o serrucho.
• Se atornillan o clavan. • Instalación sencilla y rápida. • Impermeables. • No se degradan con
los rayos U.V.
2.2.3.-
SELECCIÓN
DE
CANALETAS PARA LA CONDUCCIÓN DEL AGUA PLUVIAL
CAPTADA.
La función de las canaletas, es recolectar el agua pluvial de las vertientes del techo y conducirla hacia las tuberías, que son las encargadas de llevar el agua
hasta el tanque de su conservación. En general, todos los materiales utilizados para fabricar canaletas y tuberías, resisten bien los cambios climáticos extremos y su duración suele ser mayor a 10 años.
Las canaletas de media caña de PVC son el tipo más adecuado para el diseño de este Sistema de Captación y Conservación de Agua Pluvial. Estas canaletas resisten bastante bien los golpes sin abollarse, pero si son aplicados con demasiada fuerza podrían romperse, aunque ese no sería gran problema, pues es fácil reemplazar las piezas, ya que la instalación se hace mediante ensambles simples que se arman y desarman rápidamente y facilitan el mantenimiento de todo el sistema (véase figura 2.8.).
Fig.2.8.- Canaleta de PVC.
La pendiente de la canaleta deberá conducir hacia la tubería más cercana. Aunque lo normal es que vayan en los extremos de las canaletas, las tuberías pueden instalarse en cualquier punto a lo largo del recorrido de una canal (véase figura 2.9.).
Fig.2.9.- Pendiente de
una Canaleta.
Estas canaletas
pueden conseguirse
con un kit de accesorios,
(véase figura 2.10.) para su fácil adaptación en el sistema, además las uniones se pueden hacer con adhesivo para PVC, convirtiéndose en la opción más práctica para techos inclinados.
Fig.2.10.- Kit de Accesorios
para la Instalación de la
Otro tipo existente es la canaleta con rejilla, estas podrían evitar el uso de un pre filtro en el sistema de conducción, también son fabricadas en PVC y se colocan en el piso, son ideales para los desagües y existen 2 modelos:
Modelo peatonal: Para piscinas, duchas colectivas, terrazas, instalaciones deportivas, patios, etc., todas aquellas instalaciones peatonales que no son expuestas a tráfico vehicular (véase figura 2.11.).
Fig.2.11.- Modelo Peatonal.
Modelo transitable: Accesos a garajes, parques, jardines, etc., sujetos a tráfico de vehículos ligeros (véase figura 2.12.).
Fig.2.12.- Modelo transitable.
La elección para la conducción del Diseño del Sistema de Captación y Conservación de Agua Pluvial es la de la canaleta con el perfil de media caña
(véase figura 2.13.) , ya que, como su descripción lo menciona es el método más convencional para un sistema de captación con techo inclinado.
Fig.2.13.- Perfil de la Canaleta (Media Caña).
2.2.4.-SELECCIÓN DEL PRE FILTRADO.
El pre filtrado es un proceso indispensable para darle una mayor calidad al agua pluvial captada, este consiste en la separación de residuos sólidos como son hojas, ramas, heces fecales de aves y basuras de tipo orgánico e inorgánico suspendidos en el techo, en la canaleta y debe estar conectado en la tubería antes del filtro (véase figuras 2.14. y 2.15.).
Fig.2.14.- Residuos Sólidos Fig.2.15.- Canaleta con residuos sólidos. (Hojas, ramas etc.).
A continuación se mostraran algunos pre filtros:
Separador de hojas Tipo Vertical: En este pre filtro no se atascarán las tuberías cuando este la precipitación. Extrayendo continuamente hojas, ramas, suciedad etc. (véase figuras 2.16 y 2.17).
Fig.-2.16.- Interior del
Pre filtro. Fig.-2.17.- Exterior del Pre filtro.
Pre Filtro de Bajada Tipo Redondo: Salida lateral 1", con manguera evita rebose en caso de llenarse el depósito de agua de lluvia (véase figuras 2.18 y 2.19.).
Fig.2.18.- Interior del Pre filtro. Fig.2.19.- Exterior del Pre filtro.
Pre Filtro de Bajada Tipo Escalonado: Este pre filtro es más eficiente por qué se puede aprovechar el 80% del agua por su malla
filtrante dándole una mejor calidad al agua y separando los residuos sólidos gracias a sus escalones (véase figuras 2.20 y 2.21).
Fig.2.20.- Interior del Pre filtro. Fig.2.21.- Exterior del Pre filtro.
La elección de este Pre Filtro de Bajada Tipo Escalonado para el Diseño del Sistema de Captación y Conservación de Agua Pluvial será el elemento que le de al agua pluvial captada la calidad necesaria para su uso doméstico.
2.2.5.- SELECCIÓN DEL FILTRO.
El objeto de la filtración de los equipos es de separar mecánicamente las partículas cuyos tamaños afectan la calidad del agua a ser usada. El grado de filtración de dicha agua va a depender del destino que esta valla a tener, es decir, el agua va utilizarse para riego no puede tener el mismo tratamiento de filtrado que la que se destina al consumo, ni la que resulta del desecho de este. La empresa Rotoplas en su línea de filtros figura 2.22, ofrece ciertos atributos para la selección del filtro para el diseño del Sistema de Captación y Conservación de Agua Pluvial:
Características:
Fabricado con plásticos de alta tecnología, resistencia e higiene. Mejora la calidad del agua haciéndola más cristalina, libre de arena y sedimentos.
Evita que las tuberías se tapen. Con cartucho de fácil recambio.
Beneficios:
Mejor Agua para el uso doméstico.
Mejor Agua para lavado de utensilios de cocina. Mejor Agua para mantener la limpieza del tanque.
Especificaciones Técnicas:
Para el óptimo funcionamiento de este sistema (en condiciones normales de calidad del agua), se recomienda cambiar el cartucho filtrante entre cada tres y
seis meses (dependiendo de la calidad de agua recibida).
Recomendamos también lavar cada tres meses el vaso y la tapa del portafiltro. Instalar en un lugar de fácil acceso para cambiar el cartucho.
Fig.2.22.- Filtro Rotoplas.
2.2.6.- SELECCIÓN DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO
PARA LA CONSERVACIÓN DEL AGUA PLUVIAL CAPTADA.
El tanque de almacenamiento es el principal componente del sistema ya que nos ayudara a conservar el agua pluvial captada. El tanque a seleccionar deberá tener las dimensiones y la capacidad necesaria para poder determinar su instalación y ubicarlo dentro de la casa. Este tanque nos ayudara en el auxilio en el caso del corte del suministro de la red potable. El almacenamiento de agua pluvial en áreas superiores o azoteas transmite a la estructura de la edificación una carga adicional que deberá ser considerada para determinar la capacidad del tanque y a la vez, el mismo deberá ser impermeable para garantizar la estabilidad de la estructura.
Esta agua almacenada como se indico en el capítulo 1 será utilizada para uso doméstico, no garantiza el consumo del agua para el ser humano ya que no se estimo para su potabilización.
Algunas características de los
tanques de almacenamiento para la
conservación del agua pluvial captada:
TANQUE CON BASE
RECTANGULAR (véase figura 2.23):
• Ideal para la recolección de aguas
pluviales
• Dimensiones: 800x600x890 mm
• Color verde
Fig.2.23.- Tanque con Base Rectangular.
DEPÓSIT O
FORMA
RECTANGULAR (véase figura 2.24)*:
• Almacenamiento de agua potable para viviendas con urbanas
• Depósitos para grupos de presión.
• Almacenamiento de
agua para redes contra incendios.
• Recolección de las aguas
pluviales.
• Disponible para 500L, 750L, 1.000L,
Fig.2.24.- Deposito Forma Rectangular.
Tabla 2.- Características del Depósito de Forma Rectangular.
*El nivel de diseño de este tipo de depósito es muy alto y complejo ya que
requiere mucho espacio para su instalación pero se considera como alternativa por sus propiedades que ayuda a la conservación del agua pluvial.
TANQUE EN FORMA CILÍNDRICA (véase figuras 2.25. y 2.26.):
Este tanque contiene las características técnicas necesarias y requeridas para el Diseño del Sistema de Captación y Conservación de Agua Pluvial.
Higiénico: No se corroen, no sueltan partículas, con superficies lisas y fáciles
de limpiar. Tapa con cierre en cuna que la sostiene para la preservación de su contenido, capa exterior en negro o azul para evitar el paso de los rayos ultravioleta; capa interior en fondo claro para facilitar la inspección de los líquidos.
Referencia Capacidad Dimensiones Peso aprox. Salida inferior Diámetro de boca Instalació n AQUA V 500 500 Litros 78x78x107 cm 22 Kg 2" rosca gas 400 mm Superfície AQUA V 750 750 Litros 78x78x148 cm 28 Kg 2" rosca gas 400 mm Superfície AQUA V 1000 1000
Litros
78x78x198,5
cm 40 Kg 2" rosca gas 400 mm Superfície AQUA RV 1000 1000
Litros
116x73x167
cm 47 Kg 2" rosca gas 400 mm Superfície AQUA RV
2000E
2000 Litros
228x73x167
cm 82 Kg 2" rosca gas 400 mm Superfície AQUA RV 2000 2000
Litros
164x88x180
cm 82 Kg 2" rosca gas 2 x 400 mm Superfície AQUA RV 3000 3000
Litros
235x88x180
Resistente: El material del tanque esta especificado para estar expuesto a la
intemperie, resistir fuertes
cambios de clima y
ataques de agentes
atmosféricos.
Liviano: Por su bajo
peso son de fácil manejo e
instalación.
Fig.2.25.- Tanque
en forma
Fig.2.26.- Tanque en forma Cilíndrica a la Intemperie.
TANQUE DE ALMACENAMIENTO ROTOMEX (véase figura 2.27):
Los tinacos ROTOMEX están fabricados con resina de polietileno lineal de alta calidad, aprobada para envase de alimentos.
Su capa exterior negra cuenta con protección contra rayos ultravioleta que inhibe la formación de microorganismos y aumenta la duración del tinaco por lo cual este es el tipo de tanque se seleccionó para el sistema de captación y conservación de agua pluvial.
Se puede conseguir en las siguientes presentaciones:
• 5000 litros (vertical)
• 3000 litros (vertical)
• 2500 litros (vertical)
• 1100 litros (vertical)
Fig.2.27.- Tanque de almacenamiento ROTOMEX.
NOTA: Todos estos tanques y depósitos antes mencionados tienen en general las características de que son construidos con polipropileno es el cual es un material robusto y menos frágil que los de fibra, con un espesor suficiente para que sean opacos y eviten el crecimiento de algas en su interior, el cual es liso para que se puedan limpiar con comodidad. Además, es un material 100% reciclable.
2.2.7.- ESPECIFICACIONES DE LA BOMBA.
3.1.- CONSIDERACIONES PARA LA REALIZACIÓN DE LOS
CÁLCULOS.
Se realizarán los cálculos de cada componente del Sistema de Captación y Conservación de Agua Pluvial. Todas las ecuaciones que en este capítulo se mencionaran son en base a la precipitación pluvial y el área de captación. Con esto datos se pueden hacer la selección adecuada de canaletas, el pre filtrado, el filtro y el tanque de almacenamiento.
3.2.- DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA DE AGUA POR
FAMILIA.
La demanda o dotación por persona, es la cantidad de agua que necesita una persona diariamente para cumplir con las funciones de higiene personal, labores domésticas, lavado de automóviles y riego de jardín. Además, se considera el número de habitantes a beneficiar. La expresión matemática para calcular la demanda de agua es la siguiente:
DJ=Nu*Dot*Ndj1000
Donde:
Nu = Número de beneficiarios del sistema. Dot = Dotación, en l /persona/ día.
Ndj= Número de días del mes j.
Danual= Demanda de agua para la población. = Número del mes (j = 1, 2, 3,..12).
1000 = Factor de conversión de litros a m3.
Para la determinación del agua que es necesaria para actividades domésticas se obtiene la demanda de agua mensual y anual en base al promedio que gasta una persona, multiplicándolo por 4 integrantes de una familia, y tomando
que los días promedio de un mes son de 30.4 días. Las actividades a tomar en cuenta dentro del proyecto de captación y conservación de agua pluvial son las que a continuación se mencionan:
a) Inodoro: implica solamente jalar la palanca.
b) Limpieza del hogar: pisos, ventanas y lavado de automóvil.
c) Áreas verdes: riego de plantas.
Inodoro: 24 litros x 365 días = 8760 litros anuales = 24 lts. /día Limpieza del hogar: 21 litros x 3 días/ semana = 63 x 52 semanas = 3276 litros anuales/ 365 = 8.97lts/día
Áreas verdes: 17 litros x 3 días /semana = 49.68 x 52 semanas = 2652 litros /365 = 7.26 litros día
La tabla 3 nos muestra los litros de agua potable empleados por día, semana y año en cada labor antes mencionada. La demanda es de 40.23 litros por persona al día.
Tabla.4.- Litros Consumidos en Cada Actividad.*Consideración de 3 días por Semana.
Utilizando la expresión anterior se obtiene lo siguiente:
Sustituyendo valores:
Dj=4*40.23*30.4 1000=4.891 m3mes Sumatoria de la precipitación mensual:
Danual= J=112Dj=4.891*12 meses=58.703 m3año
3.3.- CÁLCULO DE LA PRECIPITACIÓN PLUVIAL.
Para el cálculo de la precipitación pluvial se debe considerar lo siguiente:
a) Coeficiente de escurrimiento.
b) Precipitación pluvial mensual en mm/hora.
c) Ecuación para el cálculo de la precipitación pluvial.
a) COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO.- Se define como la relación entre el volumen de agua que se precipita sobre una superficie determinada y el volumen de agua que escurre de la misma superficie. Cuando llueve existen perdidas de agua en el techo debido a filtraciones, evaporación del agua que humedece la superficie y por salpicaduras debido a los vientos. Estas pérdidas se presentan como un coeficiente de escurrimiento y es un número entre 0 y 1.
La eficiencia de la captación del agua de lluvia depende del coeficiente de escurrimiento de los materiales del área de captación, el cual varía de 0. 0. a 0.9. El coeficiente de escurrimiento no es constante en el tiempo, en efecto, un terreno relativamente permeable, puede tener una tasa de escurrimiento por ejemplo de 0.5, al comienzo del evento de la precipitación pluvial, pero si la lluvia es suficientemente prolongada, y el terreno se satura, el coeficiente de escurrimiento se aproximará mucho a 1.0
A continuación se muestra una tabla (3.3) con los coeficientes de escurrimiento de cada material:
Tabla 5.- Coeficiente de escurrimiento.
b) PRECIPITACIÓN PLUVIAL MENSUAL.- La precipitación pluvial anual que hay en la Delegación Azcapotzalco es un aproximado de 700 mm, lo que nos da un promedio de 58.33 mm mensuales (véase figura 3.1.).
Fig.3.1.- Precipitación Media Anual 1941-2008, del Distrito Federal y Municipios Conurbados.
La precipitación que se toma en cuenta para calcular la precipitación pluvial neta es la del mes de julio de 154.83mm que es la máxima en todo el año, de por lo menos 10-15 años de registro, en este caso los meses con mayor precipitación pluvial son los meses de Mayo hasta Octubre (véase tabla 5.), con 644.23 mm; considerándose solo los meses con precipitaciones mayores a 40mm (valores inferiores no se almacenan y se utilizan para la limpieza del área de captación y canaletas).
DELEGACIÓN AZCAPOTZAL CO*
Teniendo en cuenta el material optimo a utilizar que es la teja de arcilla impermeabilizada que presenta un coeficiente de escurrimiento de 0.9 y una probabilidad de lluvia de 90%, contamos una eficiencia de captación del agua de lluvia de 0.81 (η captación = 0.81).
Tabla 6.- precipitación pluvial mensual.
c) ECUACIÓN PARA CÁLCULAR LA PRECIPITACIÓN NETA MENSUAL.
PN
= P
*
η
captaciónDonde:
PN= precipitación neta del mes mm. P= precipitación promedio del mes mm.
η captación = eficiencia de captación del agua de lluvia, 0.81.
Sustituyendo valores en la ecuación tenemos que:
3.4.- ÁREA DE CAPTACIÓN.
Como se mencionó en el capítulo 1 el área de captación ideal debe tener una pendiente, como la casa a la que está dirigido nuestro proyecto tiene un techo plano del cual se va utilizar solo una parte que ocupa una superficie rectangular de 3.885 m (a) de ancho x 9 m (b) de largo, por lo que se realizará el diseño de una pendiente para facilitar el escurrimiento del agua captada.
El área de captación
del agua pluvial
se obtiene con la ecuación: A=a∙b ………….3 Donde: A = Área de captación. (m2) a = Ancho de la superficie. (m) b = Largo de la superficie. (m)
Sustituyendo valores se obtiene que:
A=7.77∙9 A=69.93 m2
3.5.- CÁLCULO PARA EL ÀNGULO DE INCLIANCIÒN DE LA
PENDIENTE.
El primer paso para calcular el ángulo de inclinación de la pendiente es conocer el porcentaje de inclinación del material seleccionado previamente para el área de captación (véase tabla 5).
Tabla 7.- % de inclinación de acuerdo al material seleccionado.
Al conocer el porcentaje mínimo y el ancho de la superficie (A), a continuación se podrá calcular la altura necesaria (B) (véase figura 3.2)
Figura.3.2.- Altura de la pendiente.
B=A∙0.42……… …..3 Sustituyendo valores: B=3.885 m0.42= 1.63 m Después de haber obtenido la altura se calcula el largo de la teja de arcilla (C) por Pitágoras:
C=(A)2+(B)2……….4
Sustituyendo valores se obtiene que: C=(3.885)2+(1.63)2
Ya obtenidos el largo de la teja, la altura, la superficie se procederá a calcular el ángulo de inclinación en función de la tangente con los datos obtenidos:
tanα= BA ……….5
Despejando de la función trigonométrica el ángulo se obtiene que: tan α= BA
Sustituyendo valores se obtiene el siguiente ángulo:
α=tan-1 1.633.885=22.76 ~ 22º
Los valores de la altura para la pendiente de la inclinación y del largo de la teja de arcilla que fueron obtenidos se deben multiplicar x 2 por que se pretende diseñarlo de 2 aguas para aprovechar una mayor captación de la precipitación pluvial y el ángulo obtenido será para ambos lados.
3.6.- UNIÓN POR TORNILLOS PARA LA TEJA DE ARCILLA.
En este punto se hablara de diferentes tipos de uniones que hay para una buena instalación de la teja de arcilla. Para esto se requiere de tornillos y tuercas ya que estos nos ayudaran a tener mejor soporte por la presión que ejercen al ser sometidos a diferentes cargas.
Los tornillos se clasifican en tres tipos: - Tornillos ordinarios T
- Tornillos calibrados TC
- Tornillos de alta resistencia TR
Los tornillos ordinarios y calibrados se diferencian básicamente en sus características geométricas. En los tornillos ordinarios el diámetro del agujero es 1 mm más grande que el del vástago, mientras que en los calibrados ambos
diámetros están ajustados, por lo que se utilizan con preferencia para la formación de nudos rígidos. Para las uniones de la teja utilizaremos tornillos ordinarios (véase figura 3.3) tipo
T12, en la siguiente tabla (6) se mencionan las características detalladamente, también se necesitan tuercas que refuercen el apoyo de la teja (véase tabla 7) y la tuerca de acuerdo con el acero con el que está fabricado es la A 8t.
Figura 3.3.- Geometría del tornillo ordinario.
Tabla 8.- Clasificación de las tuercas de acuerdo con el tipo de acero.
El fabricante de la teja de arcilla recomienda lo siguiente para las uniones, la separación de panel a panel, la distancia para las uniones y el traslape (véase figuras 3.4., 3.5. ,3.6.).
Figura 3.4.- Separación de panel a panel.
Figura 3.6.- Traslape.
3.7.- CÁLCULO PARA EL DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL
ÁREA DE CAPTACIÓN.
Para el diseño de la estructura, es necesario saber que material se va a utilizar para su realización, existen varios aceros estructurales a los que la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM) da una designación numérica, que es el número de la norma que define las propiedades mínimas requeridas.
Un acero muy popular en las aplicaciones estructurales es el ASTM A36, es soldable y se utiliza mayormente en puentes y edificios. Las fuerzas a considerar son el peso de las tejas de arcilla y los litros de agua captada.
El área de captación útil es de 37.89m2 y el peso de la teja de arcilla es de 11.75 kg m2 lo que nos da un peso total de 445.20 kg m2, los litros de agua captada a considerar 56.83l∙m2
El total del peso distribuido es de sumar el peso de la teja de arcilla + el peso del agua pluvial captada donde se está considerando 1.50mm.
Peso de la teja de arcilla =445.20 kg∙m2 + Peso del agua pluvial captada =56.83 kg Total =502.02 kg
Para un análisis más exacto se utilizara el programa de MDSOLIDS versión 3.5, el cual nos ayudara a conocer las reacciones en cada apoyo a y como se comporta la carga a lo largo de la techo; a continuación se mostraran los diagramas de carga (Figura 3.7), cortante (Figura 3.8), momento (Figura 3.9), inclinación (Figura 3.10) y deflexión (Figura 3.11).
Figura 3.7.- Diagrama de la carga.
Figura 3.8.- Diagrama de cortante.
Figura 3.10.- Diagrama de inclinación.
Figura 3.11.- Diagrama de deflexión.
El diagrama de la carga representa como se distribuye el peso a lo largo del techo con ese resultado podemos determinar la sección del apoyo para soportar el peso de la teja de arcilla (véase figura 3.11.).
Tabla 9.- Propiedades de la sección rectangular en el eje Z.
Figura 3.12.- sección rectangular.
Las propiedades en el eje Z de la sección rectangular y comportamiento se pueden visualizar en la tabla 8.
3.8.-
DISEÑO
DEL SISTEMA
DE
CONDUCCIÓN
DEL
AGUA
CAPTADA.
Generalmente lo constituyen las
canaletas que van sujetas en los
ganchos mediante un gramil que va
atornillado en el techo que son
accesorios para colectar y
conducir el agua pluvial y que por
medio de tuberías se canalizan al
sistema de almacenamiento,
sus dimensiones están en función de la duración de la precipitación (cortas y homogéneas), tiempo de concentración del agua, la longitud del área de paso y de su pendiente.
Las canaletas usadas para la recolección del agua pluvial son de PVC, por ser un material con mayor duración y de fácil instalación en las orillas de techos de
diferentes materiales
como fue mencionado
en el capítulo 2.
Los datos para obtener
las dimensiones
de la canaleta son
los siguientes:
Longitud del área: 9 m
Superficie de captación = se considera la mitad del área de captación:
69.932=34.96m2
Precipitación máxima diaria registrada = 32.9 mm
Duración de la precipitación pluvial neta = 10 min= 0.167 hrs
En un área de captación el tiempo de concentración es un parámetro fundamental en el estudio hidrológico del área de escurrimiento con pendiente, está descrita por expresiones matemáticas, que basándose en características físicas del área de captación proporcionan un hidrograma resultante (véase figura 3.13)
Figura 3.13.- Hidrograma triangular: caudal máximo (Qp), tiempo de concentración del caudal máximo (tb), y el tiempo en que se produce el caudal máximo (tp).
Mediante la fórmula de Kirpich se calcula el tiempo de concentración (tc).
tc=0.000325L0.77S0.385 Donde:
tc = Tiempo de concentración (h) S = Es la pendiente (m/m)
L = Es la longitud del área de captación (m)
tc=0.000325L0.77S0.385
tc=0.0003259 0.770.22 0.385=0.00316 h
Tp es el tiempo en que se alcanza el máximo escurrimiento en la cuenca o área de captación, se estima mediante la expresión:
tp=0.5 D+0.6tc Donde:
D = Duración de la precipitación efectiva, (h)
tp=0.5 0.167+0.60.00316=0.0853 h
El tiempo de concentración del caudal máximo tb. Se calcula para drenar todos los escurrimientos superficiales del área de captación impermeable, se estima con la siguiente ecuación:
tb=2.67tp
tb = 2.670.0853=0.227 h
El gasto máximo (Qp). El gasto esperado con la precipitación neta en el área de escurrimiento se estima con la expresión:
Qp=0.278 P(A)tp Donde:
P= precipitación efectiva, mm
A = área de captación o de la cuenca, Km2 0.278 = factor de conversión a m3s
Qp=0.278 PAtp
Qp=0.278 32.90.000034960.0853=3.74 x 10-3m3s
Qp=3.74 ls
Para calcular la capacidad de conducción de la canaleta se empleará la fórmula de Manning con sus correspondientes coeficientes de rugosidad, acordes con la calidad física del material con que fue construida la canaleta.
Q=Av=A 1n R23 S 12
Q = Flujo de la canaleta en ms
A= Área de la sección transversal en m2
n = Coeficiente de rugosidad de la canaleta = 0.01 a 0.015 R = Radio hidráulico en m
p = Perímetro mojado en m
S = Pendiente HL= Altura o relación caida verticalLongitud del canal
A=QV= 0.00374 m3s 1 ms =0.00374 m2
Despejando D del área para obtener las dimensiones de la canaleta:
A= π D24 , D= A4π = 0.003744π=0.069 m ≡0.07m
Con esto obtenemos un área aproximada para la canaleta, ahora utilizando la ecuación de Manning se obtiene que para una sección circular:
n
= 0.014
S = 2 % = 0.02
R= y2= 0.072=0.035 m
Sustituyendo valores en la ecuación de Manning:
3.74 x 10-3 m3s=AV=A 10.014 0.035 23 0.02 12 Despejando A para obtener el diámetro de la canaleta
A= QV= 3.74 x 10-3m3s 1.1 ms=3.4 x 10-3m2
Ahora tomando en cuenta que el máximo tirante de agua en las proximidades del interceptor deberá ser al 60% de la profundidad efectiva de la canaleta.
Dcanaleta=100 x 0.06560=0.11m=11cm
Cálculo del diámetro de la tubería hacia el tanque de almacenamiento:
Qc=518 Aec*I lluvia
QC=518 69.93 m2*0.0329mh= 0.64 ls
Con la ecuación de continuidad, sin considerar las pérdidas de carga por fricción, el tipo de material y longitud de conducción; conociendo el gasto de entrada (Qc) y una velocidad (v) propuesta para un flujo laminar.
D=QC(4)V π = 0.00064m3s(4)0.5 ms π=.040=40≅40 mm (2 ´´)
3.9.- PARÁMETROS PARA EL CÁLCULO DE LA POTENCIA DE
LA BOMBA.
Para el cálculo de la potencia es necesario establecer los siguientes parámetros:
Ecuación General de la Hidrostática
.
Establece que en el líquido en reposo, (ver figura 3.14), se aísla un volumen infinitesimal, formado por un prisma rectangular de base Ay altura dz. Se tiene un plano de referencia horizontal a partir del cual se miden las alturas en el eje z.p+ρ*g*z=y
Donde:
ρ = densidad del fluido p = presión
z = cota del punto considerado
Figura 3.14.-Esquema de presiones en la Ecuación General de la Hidrostática.
Ecuación de Bernoulli. Describe el comportamiento de un fluido bajo condiciones variantes y tiene la forma siguiente:
Pρg+z1+v22g+ hA -hL Donde:
• P: Es la presión estática a la que está sometido el fluido, debida a las moléculas que lo rodean.
• ρ: Densidad del fluido.
• v: Velocidad de flujo del fluido.
• g: Valor de la aceleración de la gravedad (en la superficie de la Tierra).
• h: Altura sobre un nivel de referencia.
Ecuación de Bernoulli Generalizada. Establece que si la corriente atraviesa una o varias maquinas que le suministran energía (bombas) experimenta un incremento de energía, que expresada en forma de altura, la llamaremos ∑hL. La suma de los incrementos de altura proporcionados por las bombas instaladas entre 1 y 2 ∑hA.Asimismo si la corriente atraviesa una o varias maquinas a las que desde energía (turbinas) experimenta un decremento de energía, que, expresada en forma de altura, la llamaremos ∑hR.
P1ρg+z1+v1 22g+ hA -hL =P2ρg+z2+v2 22g Donde:
P1ρg , P2ρg : Alturas de presión.
z1 , z2: Alturas geodésicas.
v1 22g , v2 22g : Alturas de velocidad.
hL1-2 : Suma de todas las perdidas hidráulicas entre 1 y 2.
hA: Suma de los incrementos de altura proporcionados por las bombas instaladas entre 1 y 2.
hR: Suma de los incrementos de altura absorbida por los motores (turbinas) instalados entre 1 y 2.
Numero de Reynolds. Es un número a dimensional utilizado en mecánica de fluidos, para caracterizar el movimiento de un fluido.
Como todo número a dimensional es un cociente, una comparación.
NR= vDρη Donde:
ρ: Densidad del fluido
D: diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido v: Velocidad característica del fluido
η: Viscosidad dinámica del fluido
Ecuación de Darcy-Weisbach
.
Permite el cálculo de la pérdida de carga debida a la fricción dentro una tubería esta es la forma en que se conoce actualmente:Donde:
hL: Es la pérdida de carga debida a la fricción, calculada a partir de f = factor de fricción de Darcy (obtenida a partir de la rugosidad relativa y el numero de Reynolds)
LD: Relación entre la longitud y el diámetro de la tubería, v = la velocidad media de flujo,
g: Corresponde a la aceleración debida a la gravedad, y se supone constante (9.81m/s2).
Método de longitud equivalente
.
Este método consiste en considerar las perdidas secundarias como longitudes equivalentes, es decir longitudes en trozo de tubería del mismo diámetro que producirá las mismas perdidas de carga que los accesorios en cuestión, así cada codo, medidor de caudal etc., se sustituirían por su longitud de tubería equivalente Le. A continuación se aplicara la ecuación fundamental de las perdidas primarias de la siguiente forma:hL1-2=Σ k v 22g= Σ ftLeDv 22g
hL1=ftLeDv 22g
Perdida de energía por accesorios. hL2=ftLD v22g
Perdida por fricción en la línea.
hL: Suma total de pérdidas primarias y secundarias.
ft: Coeficiente de pérdidas obtenido mediante el diagrama de Moody.
Dϵ= DiametroRugosidad Promedio (material )
L: Longitud total de tramos rectos de tubería.
v: Velocidad del fluido en la tubería.
LeD
:
Longitudes equivalentes de los diversos accesorios. g: Aceleración de la gravedad.Las siguientes son ecuaciones utilizadas para el cálculo de las potencias y rendimientos en bombas fotodinámicas.
Potencia de accionamiento (Pa). Es la potencia en el eje de la bomba o potencia mecánica que la bomba absorbe. Esta potencia según la mecánica tiene la siguiente expresión:
Pa=Mω=2πn60M (WATT) (SI) Ó también:
Pa=0.1047 n*M=2πn60M
Donde:
Pa
:
Potencia de accionamiento WM : Momento total comunicado al fluido Nm ω=2πn60
:
radsPotencia interna (Pi)
.
Es la potencia total transmitida al fluido, o sea la potencia de accionamiento, descontando las pérdidas mecánicas:P
i=Pa- PmrPotencia útil (P).Es la potencia de accionamiento descontando todas las pérdidas de la bomba, equivalente a la potencia interna descontando todas las pérdidas internas (hidráulicas y volumétricas).
La potencia útil por otra parte será la invertida en impulsar el caudal útil H. P= Q ρgH
Rendimiento hidráulico ηh
.
Tiene en cuenta todas y solo las pérdidas dealtura total, Hrint en la bomba. Como, H= Hu- Hrint.
ηh=HHm
Hu=altura teorica bomba (Ec.Euler)(m)
Hrint=perdidas internas bomba (m)
3.10.- CÁLCULO DE LA POTENCIA DE LA BOMBA.
Se utilizan las superficies de los depósitos como punto de referencia:
p1γ+z1+v122g+hA-hL-hR=p2γ+z2+v222g
p1=p2=0 v1 = v2≡0
Z1+hA-hl=Z2
Hay seis componentes de la perdida general total de energía:
h1=kvs22g
Perdida en la entrada.
h2=fsLDvs22g
Perdida por fricción en la línea de succión. h3=fdTLeDvs22g
(Válvula)
h4=fdTLeDvd22g
Siete codos a 90°.
h6=1.0vd22g
Perdida en la salida.
Debido a que se requiere la carga de velocidad en las líneas de succión o descarga, para cada perdida de energía, ahora se calculan dichos valores. Se proponen valores del caudal =2m3h, temperatura = 20°C, tubería cobre 1”, 34 ”, codos estándar 90°’, 1 válvula de verificación tipo bola y una válvula tipo
globo. Q=2 m3h x 1h3600s=0.00055m3s Vs=QAS=0.00055 m3s=x 15.017 x 10-4=1.096ms Vs22g= (1.096)229.81=0.06122 m Vd=QAd=0.00055 m3s=x 12.812 x 10-4=1.955ms vd22g=(1.955)22(9.81)=0.1948 m
Para agua a 20°C
=
ρ=998kgm3, η=1.02 x 10-3Pa s Para la línea de succión:NR= vDρη= 1.096 0.025279981.02 x 10-3=27,098=2.70 x 104
Dϵ= 0.025271.5 x 10-6=16,846
Del diagrama de Moody:
fts=0.017
Para la línea de descarga:
NR= vDρη= 1.9550.018929981.02 x 10-3=36,190=3.619 x 10 4
Del diagrama de Moody:
ftd=0.018
Perdida en la entrada de bordes con chaflán: k=0.25
h1=kvs22g
h1=0.25 0.061 = 0.01525m
Ahora se calcula h2, para la perdida de fricción en la línea de succión:
h2=fts x LD x vs22g=0.0170.50.02527 0.0612
h2= 0.0205 m
La razón de longitud equivalente LeD , para una válvula de globo abierta por completo es de 340, una válvula de verificación abierta es de 150.
h3=fdT x LeD x vd22g
h3´=0.018 340 0.1948=1.1921 m
Para válvula de verificación tipo bola:
h3´´=0.0181500.1948=0.5259 m
h3=1.192+0.5259=1.7179 m
h4=fdT xLeD x vd22g
h4´=2 0.017 30 0.06122=0.062 m
Para los codos estándar:
34 ´´
LeD=30, fdT=0.025 h4´´=5 0.018 30 0.1948=0.5259 m
Perdida de fricción en la línea de descarga: h5=fd x LD x vd22g
h5=0.018 21 m0.01892 0.1948
h5=3.89 m
La perdida en la salida es:
h6=1.0vd22g
h6=1.0 0.1948 = 0.1948 m
Con esto se termina el cálculo de las perdidas individuales de energía. Ahora es posible determinar la pérdida total hL.
hL=h1+h2+h3+h4 +h5 +h6
hL=6.42 m
De la ecuación de la energía, la expresión para la carga total sobre la bomba es:
hA=Z2- Z1+hL
Potencia de la bomba:
Potencia= hA γ Qe M= 14.82 9.79 x 103 5.55 x10-40.45
PA=177.32 N.ms=177.32 watts= 0.237 hp
.
NOTA: las siguientes 2 tablas fueron utilizadas para los cálculos anteriores con respecto a la potencia de la bomba, y fueron sustraídas del libro de Mecánica de fluidos de Robert L. Mott. De las páginas 589 y 604 respectivamente.
Tabla.10.-
Tabla.1 1.- Dimensiones de tubos de cobre tipo k.
Tabla.12.- Valores de diseño de la rugosidad de tubos.
4.1.- RESULTADOS DE LOS CÁCULOS DEL SISTEMA DE
CAPTACIÓN Y CONSERVACIÓN DE AGUA PLUVIAL.
Se obtuvo una demanda de 40. 23 litros por persona al día en las actividades anteriormente mencionadas que son inodoro, limpieza del hogar y áreas verdes.
La precipitación al día es de 32.9 mm en el mes de julio que es de mayor precipitación.
El área de captación tiene una superficie útil de 37.89m2 El diámetro de la canaleta que se usaría es de 11cm. La potencia de la bomba a utilizar seria de 0.207 hp.
Los materiales a utilizar se pueden conseguir en ferreterías o tiendas más grandes que distribuyan materiales al mayoreo, en este caso recurrimos a la tienda de Home Depot el cual proporciona un catálogo de sus productos los datos para los siguientes componentes los simplificamos a manera de solo mencionar el que se va utilizar.
4.2.-RECOMENDACIONES.
Con el fin de economizar en materiales, se hacen las siguientes recomendaciones:
Si se cuenta con cisterna en casa, esta puede sustituir el tanque de almacenamiento al que va a conducir la tubería el agua captada.
Existen tanques con filtro incluido que garantizan una buena calidad de agua, también hay filtros más complejos de arena que proporcionan un agua de gran calidad a tal grado que puede ser consumida por el hombre.
Si el tanque al que se va a conducir el agua de la canaleta está al nivel de las conexiones de la red hidráulica, se podrían hacer directas las conexiones y podría ahorrarse el gasto en un segundo tanque y en la bomba.
