Vol. 22, núm. 2

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Ingeniería hidráulica en México, vol. XXII, núm. 2, pp. 107-112, abril-junio de 2007

Almacenamiento de agua de lluvia

para zonas rurales de Colombia

Hernán Alonso Moreno Jaime Ignacio Vélez

Germán Poveda José Vicente Guzmán

Paola Andrea Roldán Jorge Enrique Arango

Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín

Por su ubicación geográfica y características topográficas, Colombia posee una gran disponibilidad de agua. Paradójicamente, gran parte de la población rural sufre desabastecimiento de agua potable por problemas en cantidad y/o calidad del recurso. Dadas estas condiciones, es importante tener una metodología para la implementación de sistemas de abastecimiento mediante el aprovecha-miento directo de agua de lluvia, ya sea como fuente única del recurso o como complemento a otras fuentes. En esta nota se propone una metodología de cálculo para dicho aprovechamiento, basada en curvas adimensionales que relacionan la regulación de fracciones de la lámina media diaria pre-cipitada con el volumen de almacenamiento requerido para distintos niveles de confiabilidad, la cual está relacionada con el número de días aceptados en falla (sin abastecer la demanda). La pendiente de estas curvas es decreciente y los lugares en los que existe el mayor cambio en dicha pendiente son determinantes para la configuración óptima del sistema de aprovechamiento, ya que allí se da un cambio sensible en la eficiencia económica del mismo.

Palabras clave: almacenamiento de lluvia, abastecimiento de agua potable, viviendas rurales,

agua atmosférica, captura de lluvia, viviendas autosostenibles, dimensionamiento, tanques de agua de lluvia.

Introducción

Dada su estratégica ubicación geográfica intertropical, en medio del océano Pacífico y el mar Caribe y de la in-fluencia de la cuenca Amazónica, así como de la presen-cia de los tres ramales de la cordillera de Los Andes, Colombia puede considerarse un país muy rico en dis-ponibilidad de agua de lluvia, con una precipitación me-dia anual de 3,200 mm, que es alta, comparada con el promedio de 1,600 en Sudamérica y 900 mm en el mun-do (IDEAM, 2002; Poveda 2004). En contraste, de no to-marse medidas de conservación y manejo adecuadas, y de continuar las tendencias actuales, para 2025, el 66% de los colombianos podría estar en riesgo de desabas-tecimiento en condiciones hidrológicas secas (IDEAM, 2002). La recolección de lluvia es una técnica ancestral, sin embargo, recientemente se ha retomado el tema

(UNATSABAR, 2001; ITDG, 2003). Gran parte de expe-riencia en captación de agua de lluvia se ha desarrolla-do en países como India, Israel, Australia y Estadesarrolla-dos Uni-dos (Oewis et al., 1999; Bruins, 2000; López y Camacho-Camacho, 2001; Agarwal, 2003). La confiabilidad del abastecimiento de agua captada de las lluvias depende de la longitud de los periodos más largos de sequía, condicionados por el ciclo anual y los fenómenos climá-ticos de macroescala (Moreno, 2005).

Este trabajo propone una mirada a la potencialidad de la captación de agua de lluvia en una zona del cen-tro-occidente de Colombia como una solución econó-mica y confiable al problema del suministro de agua —alterna al uso de sistemas convencionales basados en la captación de aguas superficiales—, utilizando una metodología para el cálculo del volumen requerido de al-macenamiento de agua de lluvia para regular diferentes

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Moreno, H.A. et al., Almacenamiento de agua de lluvia para zonas rurales de Colombia

cantidades de agua diaria; esto como solución individual o complementaria al problema de desabastecemiento en las zonas rurales de Colombia.

Información utilizada

Registros de precipitación diaria entre los años 1959 y 1998 de 22 estaciones pluviográficas ubicadas en una región de la zona centro-andina colombiana, las cuales se muestran en la ilustración 1. La información faltante, que no supera el 2% de las longitudes de serie, fue re-construida a partir de datos pertenecientes a la estación más cercana, escalada por su propia media diaria.

Valores promedios de la precipitación de largo plazo

La distribución espacial del valor medio de la lluvia total anual en la región se presenta en el mapa de isoyetas de la ilustración 1, el cual fue construido a partir de 264 es-taciones (además de las 22 originales) de registro men-sual, pertenecientes a las bases de datos de Cenicafé, IDEAM y EEPPM. Los valores anuales varían entre 1,100 mm/año que se presentan en el occidente de la región estudiada (cuenca del río Cauca al norte de los 6º N) y 5,600 mm/año en el sector oriental de la cordillera cen-tral. Las circulaciones locales, los flujos forzados por la topografía y las interacciones suelo-atmósfera son los principales responsables de la distribución espacial de la precipitación.

Análisis del ciclo intranual de la lluvia y variabilidad interanual (ENSO)

El ciclo intra-anual promedio de la lluvia para las 22 esta-ciones de estudio, que se muestra en la ilustración 2(a), presenta una distribución de tipo bimodal: una moda en mayo y la otra en octubre, respondiendo al paso de la zona de convergencia intertropical por esta región de Colombia (Poveda, 2004). Las dos fases del ENSO afec-tan fuertemente la variabilidad hidroclimática de Colom-bia. El Niño está asociado con condiciones de sequía prolongada en casi todo el país y La Niña con valores mayores de precipitación anual que en años normales, pero manteniendo la fase de la ocurrencia de la lluvia en el año (Poveda y Mesa, 1996; Poveda y Mesa, 1997; Po-veda et al., 2001). La ilustración 2(b) despliega el ciclo intra-anual de la lluvia y la influencia del ENSO sobre los valores medios mensuales de precipitación en la esta-ción Caldas (Antioquia), confirmando el efecto regional de menor disponibilidad de agua de lluvia durante la fase cálida del fenómeno ENSO.

Curvas de regulación de la lluvia

Para efectos de establecer una metodología de dimen-sionamiento de un almacenaje para aprovechar el recur-so, se propone la construcción de unas “curvas de regu-lación adimensionales de la lluvia”, que se constituyen en la “huella digital” de cada una de las estaciones plu-viográficas, pues la forma de dicha curva obedece a la exigencia impuesta por los periodos secos y contiene in-formación vital acerca de la estructura de la precipitación en el tamaño muestral de estudio (Moreno, 2005).

Para realizar la simulación de la operación del siste-ma de aguas de lluvia se usa la conocida regla norsiste-mal de operación (RNO) citada en varios textos de planifica-ción de recursos hidráulicos (McMahon y Mein, 1978; Loucks et al., 1981; Noort, 1985; USACE, 1997). El desa-rrollo de la regla normal de operación involucra un pro-ceso iterativo de búsqueda de volumen necesario para regular distintos niveles de demanda, la cual está defini-da por fracciones de la lluvia media diaria (mm) en cadefini-da estación. De esta forma, en cada paso de cálculo, la en-trega de la lámina de agua (Et) depende de la disponibili-dad (Dispt) en el almacenamiento.

Para los propósitos de la aplicación de un modelo de simulación basado en la utilización de la RNO, las afluen-cias al almacenamiento (tanque) con el que se atenderá la demanda corresponden a los aportes h de la lluvia diaria (mm/día), expresada en términos de volúmenes de lluvia disponibles sobre un área unitaria de captación. La entrada total de agua diaria dependerá del área Ade captura y de la lámina de lluvia h.

7.0 6.6 6.2 5.8 5.4 5.0 Latitud Longitud -75.9 -75.5 -75.1

88 km Océano Pacífico _Colombia Océano Atlántico N 15 -5 -80 -66 1.0 563.7 1126.4 1689.1 2251.8 2814.5 3377.2 3939.9 4502.6 5065.3 5628.0 1. Agronomía 2. Angostura 3. Caldas 4. Cenicafe 5. Horrillos 6. Don Matías 7. El Botón 8. El Buey 9. El Tabor 10. Fabricato 11. Gabino

12. La Fe 13. La Macare 14. La Mosca 15. La Severa 16. Las Palmas 17. Mesopotamia 18. P. Villahermosa 19. Rioabajo 20. S.A. Prado 21. S. Cristóbal 22. Vasconia

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De esta forma, las láminas de lluvia h se pueden asociar con caudales afluentes a un embalse conven-cional cuando se analiza su capacidad de regulación. Por ello, en adelante se usará el término “caudal” para denominar los valores de la lluvia así transformados, que es la acepción más conocida dentro del análisis de regulación.

Criterio de la confiabilidad muestral

La confiabilidad está relacionada con el porcentaje de fallas aceptadas en el suministro de caudal demandado al sistema, lo que depende directamente de la longitud histórica de la serie de datos (Moreno, 2005). Para este caso, se usan los valores de 99.75, 99.8, 99.85, 99.9, 99.95 y 100% de confiabilidad, la cual se define como (Loucks et al., 1981):

donde NDSA es el número de días sin abastecer el cau-dal requerido por la demanda y N, el número total de da-tos (días) de la muestra.

La muestra que se usa para el análisis, de acuerdo con el periodo histórico específico considerado, tiene unas propiedades “muestrales” inherentes, como la lon-gitud de la serie y la drasticidad de los periodos secos que incluye, determinados por las dos temporadas se-cas del ciclo anual, ENSO y otros fenómenos de macro-escala. Por lo anterior, se ha agregado el adjetivo “mues-tral” al término “confiabilidad” y, en este contexto, se puede considerar desde el 0 hasta el 100% de “confiabi-lidad muestral”, la cual está fuertemente relacionada con el número de fallas aceptadas para suplir la demanda del sistema de agua de lluvia.

Como ejemplo de aplicación, la ilustración 3 muestra las curvas adimensionales de regulación de la lluvia para la estación La Fe (El Retiro-Antioquia). En el eje de las or-denadas se tiene la fracción adimensional (Qr/Qm), don-de Qr es el caudal firme regulado suministrado por el sistema para abastecer la demanda y Qm es el caudal asociado con la lluvia diaria media multianual de la esta-ción. En el eje de las abscisas se tiene la relación adi-mensional (Va/Vm), donde Vaes el volumen del almace-namiento requerido y Vm el volumen de lluvia anual promedio multianual. Tanto los caudales como los volú-menes se refieren a una misma área de superficie para la recolección de lluvia.

De las curvas de la ilustración 3, la envolvente inferior es la correspondiente al 100% de confiabilidad muestral.

Precipitación media (mm/mes)

450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Ene. Fe .bMar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Sep. Oct. Nov. Dic. mes Agronomía Chorillos El Tabor La Macaré Mesopotamia San Cristóbal Angostura Don Matías Fabricato La Mosca P. Villahermosa Vasconia Caldas El Botón Gabino La Severa Rioabajo Cenicafe El Buey La Fe Las Palmas S.A. Prado (a) 350 300 250 200 150 100 50 0 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0

Ene. Feb. Ma

r.

Abr. _May. Jun. Jul. Ago. Sep. Oc

t.

Nov. Di

c.

(b)

El Niño La Niña Sin eventos ENSO

Precipitación (mm)

Precipitación acumulada (mm)

Ilustración 2. (a) Ciclo intra-anual de la precipitación en las 22 estaciones de estudio para el periodo 1959-1998 y (b) Ciclo intra-anual de la precipitación durante la dos fases del ENSO en la estación Caldas.

confiabilidad muestral

( )

% = ₁−NDSA

N





 



*100% (1)

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Qr /Qm

V_a/V_m Confiabilidad muestral

Zona 1 Zona 2

Zona 3

99.75% 99.80% 99.85% 99.90% 99.95% 100%

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En todas las curvas existen puntos de quiebre donde la pendiente se hace más suave, lo que significa que un aumento muy grande del volumen de almacenamiento no se traduce en un aumento significativo del caudal re-gulado, y este comportamiento es común en todas las estaciones analizadas. Por ello, la existencia generaliza-da de dos puntos de cambio en la pendiente permite de-finir tres zonas fácilmente identificables en cada una de las curvas, como lo muestra la ilustración 3. El pun-to de quiebre identificado a través del criterio del máxi-mo cambio de la pendiente, que define la denominada zona 1 de las curvas, por lo general se ubica en Qr/Qm alrededor de 0.3. El segundo punto de quiebre, que de-limita la zona 2 de las curvas, fluctúa entre 0.6 y 0.9 de acuerdo con la estación en consideración. La zona 3 de las curvas de regulación es altamente inconveniente en el caso de un aprovechamiento hidráulico, en la cual es mejor (económicamente eficiente) proveer mayor área de captación de lluvia que volumen de tanque de alma-cenamiento construido, ya que no es económico tener tal configuración (Moreno, 2005). Se recomienda hacer los aprovechamientos al final de la zona 1 de las curvas de regulación, donde se aumenta el caudal regulado de manera sustancial con sólo pequeños incrementos del volumen de almacenamiento. De la misma manera, se hace evidente que diseñar con una confiabilidad menor del 100% en la zona 1 no produce un ahorro significativo, pues esto no se traduce en una relación beneficio/costo satisfactoria (se logran cero fallas sólo con aumentar un poco el volumen del almacenamiento requerido).

Conclusiones

Se realiza un aporte metodológico para el aprovecha-miento confiable del agua de lluvia en cuanto al dimen-sionamiento de almacenamientos utilizando información pluviográfica existente en la zona, con cuantificación de la confiabilidad de suministro, para la configuración seleccionada de área, volumen y caudal regulado.

Las curvas de adimensionales regulación obtenidas presentan potencial uso para la regulación de fracciones de la lámina promedio precipitada por unidad de área de recolección de la lluvia, lo que brinda facilidad y versatili-dad en el proceso de dimensionamiento y selección del volumen del tanque requerido para la regulación de dife-rentes demandas de agua.

De acuerdo con el criterio de máximo cambio de la pendiente de la curva, se recomienda llevar a cabo los aprovechamientos al final de la zona 1 de las curvas de regulación, donde se aumenta el caudal regulado de manera sustancial con sólo pequeños aumentos del volumen de almacenamiento. En esta misma zona se

recomienda diseñar con la curva correspondiente al 100% de confiabilidad muestral, lo cual se traduce en una relación beneficio/costo satisfactoria.

Agradecimientos

Dirección de Investigaciones de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín (DIME).

Recibido: 07/12/2005 Aprobado: 05/07/2006

Referencias

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Abstract

MORENO, H.A., VÉLEZ, J.I., POVEDA, G., GUZMÁN, J.V., ROLDÁN, P.A. & ARANGO, J.E. Rainwater storage for Colombia’s rural areas. Hydraulic engineering in Mexico(in Spanish). Vol. XXII, no. 2, April-June, 2007, pp. 107-112. Owing to its geographical position and topographical characteristics, Colombia has a great availability of water. Paradoxically, a large percentage of the rural population experience water supply shortages, mainly because of quantity and quality problems. It is therefore important to consider a methodology through which rainfall could become either a direct source of water or a complement to other water supply systems. This technical note pro-poses a methodology based on adimensional curves which relates percentages of the multi-annual daily mean precipitation to the volume of required storage, for several confidence levels, which is related to the number of days accepted on failure (without supplying demand). The slope of these curves goes downward and the places where the greatest gradients take place are taken into account for the system’s optimal configuration, as financial efficiency turns sensitive to such changes.

Keywords: rain storage, water supply, rural houses, atmospheric water, rainwater collection, self-sustaining

homes, rainwater tank design.

I.C. José Vicente Guzmán

Profesor Asistente.

Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Universidad Nacional de Colombia, Cra 80 x Calle 65, M2-301, Medellín, Colombia, teléfono: + (57 4) 425 5100, fax: + (57) (4) 425 5103, [email protected]

I.C. Paola Andrea Roldán

Estudiante de Maestría en Ingeniería de Recursos Hidráulicos. Universidad Nacional de Colombia,

Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Cra 80 x Calle 65, M2-301,

Medellín, Colombia,

teléfono: + (57) (4) 425 5110, fax: (57) (4) 425 5103, [email protected]

I.C. Jorge Enrique Arango

Universidad Nacional de Colombia, Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Cra 80 x Calle 65, M2-301,

teléfono: + (57) (4) 425 5110, fax: + (57) (4) 425 5103, [email protected]

Dirección institucional de los autores:

M.C. Hernán Alonso Moreno

Profesor Asistente.

Escuela de Ingeniería de Antioquia, Departamento de Ingeniería Civil, Calle 25 sur 42-73,

Envigado, Colombia,

teléfono: + (574) 339 3200, extensión 295, fax: + (57) (4) 331 7851,

[email protected]

Dr. Jaime Ignacio Vélez

Profesor Asociado.

Universidad Nacional de Colombia, Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Cra 80 x Calle 65, M2-301,

teléfono: + (57) (4) 425 5142, fax: + (57) (4) 425 51 03, [email protected]

Dr. Germán Poveda

Profesor Asociado.

Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Universidad Nacional de Colombia, Cra 80 x Calle 65, M2-315, Medellín, Colombia,