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Introducción
Actualmente, a nivel mundial el aprovechamiento del agua de lluvia se ha convertido en un incentivo para la gestión y el uso eficiente del agua.
Los sistemas de captación de agua de lluvia han constituido en México una solución para el abastecimiento de agua para consumo humano dirigida a 13 millones de mexicanos ubicados en 3,3 millones de viviendas. Para ello han desarrollado cisternas revestidas con geomembrana, depósitos metálicos de 5 a 5 000 m3, bolsas para almacenar aguas pluviales de 1 a 400 m3, entre otras (Anaya 2009).
En la actualidad, donde se hace necesario tanto el incremento del fondo habitacional como la disminución del impacto ambiental de las edificaciones, la conciencia ambiental aplicada a las construcciones viene a ser una solución necesaria. En este sentido (Fresquet 2018) aborda la temática desde la arquitectura sostenible y su manifestación en los edificios inteligentes.
En cuanto al agua, para disminuir notablemente el impacto ambiental de actividades que se realizan, se han implementado alternativas encaminadas al reúso o el manejo del agua en las distintas áreas de la industria y el sector energético, el tratamiento de las aguas residuales y la captación pluvial.
El Instituto Mexicano del Transporte (IMT), cuenta con un pozo para la extracción de agua para el suministro de todas sus instalaciones, así mismo tiene el permiso de extracción de aguas, donde se autoriza extraer 45,986 m3 de agua al año.
En el IMT, se ubica el Laboratorio de Hidráulica Marítima, el cual consta de dos fases, la primera fase actualmente se encuentra en funcionamiento y cuenta con dos tanques y dos canales de olas para llevar a cabo los estudios en modelos hidráulicos de los diversos proyectos solicitados a la coordinación por las empresas del sector público y/o privado.
La segunda fase del Laboratorio de Hidráulica Marítima cuenta con dos canales de olas de 2.50 m de ancho, 6.30 m de profundidad y 150 m de largo; un canal de flujo de 50 m. de largo, dos tanques de olas de 33 de ancho x 44 m de largo.
Para la operación de los modelos antes citados, se requieren aproximadamente de 922 m3 de agua para la primera fase y para la segunda fase aproximadamente 19,282 m3 de agua.
En la figura 1, se indican las instalaciones del Laboratorio de Hidráulica Marítima en sus dos etapas.
Figura 1. Croquis de localización de la primera fase y segunda fase primer etapa del Laboratorio de Hidráulica Marítima del Instituto Mexicano del Transporte.
Debido a la gran demanda de agua que se requiere para poner en funcionamiento las instalaciones experimentales con las que cuenta el Laboratorio de Hidráulica Marítima, se realizó el anteproyecto para la captación de aguas pluviales con el propósito de aprovechar el agua de lluvia para la recolección, conducción y almacenamiento de agua de pluvial, para su utilización en la alimentación de los modelos hidráulicos del Laboratorio de Hidráulica Marítima de la Coordinación de Ingeniería Portuaria y Costera.
Los objetivos alcanzados en la realización del presente estudio fueron:
• La recopilación y análisis de la información histórica de la precipitación pluvial de la zona. • El análisis de las condiciones topográficas del sitio y se determinaron las áreas de captación, conducción y almacenamiento de agua pluvial. • Se realizó el anteproyecto para la recolección, conducción y almacenamiento de agua pluvial, para su utilización en las instalaciones del Laboratorio de Hidráulica Marítima de la Coordinación de Ingeniería Portuaria y Costera.
Recopilación de la información histórica de la precipitación pluvial de la zona de estudio
Para cumplir con los objetivos del presente trabajo, se solicitó por escrito a la Comisión Nacional del Agua Delegación Querétaro, la información pluviométrica más cercana a la zona de estudio, que es donde se ubican las instalaciones del Instituto Mexicano del Transporte.
A finales de octubre de 2020, la CONAGUA entregó por oficio la información con el concentrado de las precipitaciones acumuladas mensuales en milímetros del año 2000 al año 2019, de la estación climatológica denominada La Venta, en el municipio de Pedro Escobedo, Querétaro la cual se ubica en las siguientes coordenadas: Latitud 20° 25’48.8’’ y Longitud 100° 9’ 38.56’’. Ver tabla No. 1.
Tabla 1. Precipitación acumulada mensual en milímetros de la estación climatológica La Venta Pedro Escobedo. Qro.
Con la información proporcionada por la CONAGUA, las precipitaciones históricas que entregaron fueron del año 2000 al año 2019. Se procedió a capturar la información y se realizó la gráfica comparativa general por año de la precipitación mensual acumulada (Gráfica 1). La cual se representa en el eje de las “x” por la precipitación pluvial por mes y por año y en el eje de las “y” por la precipitación pluvial en milímetros.
Gráfica 1. Comparativa por año de la precipitación mensual acumulada en mm.
En la gráfica No. 1 se observa que el año con más precipitación pluvial fue el año 2013 con la máxima precipitación de 341.5 mm en el mes de julio, le sigue el año 2007 con la máxima precipitación de 302.4 mm en el mes de julio y el año 2003 la máxima precipitación fue de 171.3 mm en el mes de julio. Así mismo, se observa que los primeros años 2002-2010 de la gráfica llovía más frecuentemente cada mes que en los últimos años donde la precipitación fue más escasa.
Una vez analizada la información que proporcionó la CONAGUA, se obtuvo la precipitación anual con distribución mensual en mm, la cual se calculó de acuerdo a los Lineamientos Técnicos: Sistemas de Captación de Agua de lluvia con fines de abasto de agua potable a nivel vivienda, posteriormente se obtuvo el volumen anual promedio de captación, así como el área factible de captación pluvial.
Se recopiló la información pluviométrica de la zona de estudio, para el presente trabajo se consideran 20 años, del año 2000 al 2019. Con esta información se obtuvo la precipitación anual promedio ver tabla No. 2, de acuerdo a la norma NMX- AA-164-SCFI-2013, con la siguiente expresión:
Tabla 2. Cálculo de Precipitación anual promedio
Posteriormente, se obtuvo el volumen anual promedio de captación pluvial (VA), para eso se tuvo que definir el área de influencia de las instalaciones de captación. Este volumen se obtuvo con la siguiente expresión:
El valor de ke, se obtuvo de la tabla No. 3, la cual se denomina coeficientes de escurrimiento por tipo de material.
Tabla 3. Coeficientes de escurrimiento por tipo de material.
Para poder determinar el volumen anual promedio de captación pluvial (VA), se realizó un recorrido por las instalaciones terrestre y por las azoteas de los laboratorios que pertenecen a la Coordinación de Ingeniería Portuaria y Costera ver fotografía 1, para verificar el tipo de material empleado en la construcción de cada una de las losas de las azoteas y así poder determinar el coeficiente de escurrimiento (ke) y obtener el área de cada una de éstas para calcular la superficie existente para la captación de agua pluvial.
Fotografía 1. Ubicación de los Laboratorios de Hidráulica Marítima, del Laboratorio de Calibración de Equipos Oceanográficos y de Simulación de Maniobras de Embarcaciones en Tiempo Real, de la cisterna existente y de la subestación eléctrica.
En el Laboratorio de Hidráulica Marítima ver fotografía 2, cuenta con la losa de azotea de arco techo con lámina y donde termina ésta, se cuenta con un área de losa de concreto impermeabilizado con productos acrílicos que encauzan el agua de lluvia a las bajadas de agua pluvial las cuales carecen de rejilla o malla para retener hojas secas (basura).
Fotografía 2. Vista general de la losa de azotea y las bajas pluviales existentes en el Laboratorio de Hidráulica Marítima.
El Laboratorio de Calibración de Equipos Oceanográficos ver fotografía 3, tiene losa de azotea con pendiente de concreto reforzado impermeabilizado con productos acrílicos y toda el agua de lluvia que se capta en esta área, cae a un dren pluvial perimetral existente.
Fotografía 3. Vista general de la losa de azotea y dren pluvial perimetral del Laboratorio de Calibración de Equipos Oceanográficos.
El Laboratorio de Simulación de Maniobras de Embarcaciones en Tiempo Real, fotografía 4, cuenta con losa de azotea de concreto reforzado con pendiente impermeabilizada con productos acrílicos y toda el agua de lluvia se va a las bajadas de agua pluvial que son de PVC.
Fotografía 4. Vista general de la losa de azotea del Laboratorio de Simulación de Maniobras de Embarcaciones en Tiempo Real.
La subestación eléctrica fotografía No. 5, cuenta con losa de azotea de concreto reforzado impermeabilizada con productos acrílicos.
Fotografía 5. Vista general del edificio de la subestación eléctrica
Una vez obtenidos los valores de la precipitación anual promedio, el valor del coeficiente ke y de las posibles áreas factibles de captación pluvial de los inmuebles que pertenecen a la Coordinación de Ingeniería Portuaria y Costera, los cuales se requieren para obtener el volumen anual promedio de captación anual (VA) en m3, a continuación, se presenta la tabla No. 4 con el resumen del cálculo de VA.
Tabla 4. Calculo del calor VA por
cada área factible de captación, donde el Valor de
Determinación de las áreas de captación, conducción y almacenamiento de agua pluvial.
Con los valores obtenidos en la tabla No. 4, podemos concluir que con las áreas de captación del Laboratorio de Hidráulica Marítima y del Laboratorio de Calibración de Equipo Oceanográficos y la cercanía de estos laboratorios al depósito de almacenamiento que se propone y el valor de VA, son suficientes para la capacidad almacenamiento con que cuenta la cisterna existente.
Levantamiento topográfico del área de interés para la captación de agua pluvial.
Se llevó a cabo el levantamiento topográfico del área correspondiente en donde se localizan los laboratorios pertenecientes a la Coordinación de Ingeniería Portuaria y Costera referente a:
• Obtención de datos topográficos e información de campo. • Procesamiento y verificación de la información obtenida en campo.
Con los datos obtenidos del levantamiento topográfico se realizaron las siguientes actividades:
• Elaboración de planos geo referenciados al sistema de coordenadas UTM. Plano No. 1 • Trazo y planteo de las áreas factibles de captación de agua pluvial y de las líneas de conducción de agua pluvial hacia la cisterna.
Plano No. 1 Plano Planta general topográfica que señala las superficies destinadas a la captación de agua pluvial.
Anteproyecto del sistema para la captación, conducción y almacenamiento de agua pluvial. Una vez definidas las áreas factibles para la captación de agua pluvial con la finalidad de integrar y hacer uso de las bajas pluviales existentes, se realizó la propuesta del diseño de la línea de conducción hacia la cisterna considerando tuberías, canales, conexiones, interceptores de primeras aguas y trampas para basura para el correcto almacenamiento del agua de lluvia en la cisterna existente que tiene una capacidad aproximada de 2000 m3. Para realizar la propuesta del diseño del sistema de captación pluvial para su utilización en las instalaciones del Laboratorio de Hidráulica Marítima de la Coordinación de Ingeniería Portuaria y Costera, se llevaron a cabo diversos recorridos por las instalaciones del área de estudio, para aprovechar y optimizar al máximo la infraestructura existente, como son las bajas y drenes pluviales, la cisterna existente, así como complementar las mismas por ejemplo, colocar malla en las bajas pluviales del Laboratorio de Hidráulica Marítima para retener la basura ya que carece de esta.
Posteriormente se realizó la propuesta del anteproyecto para la recolección, conducción y almacenamiento de agua pluvial, para su utilización en las instalaciones del Laboratorio de Hidráulica Marítima de la citada Coordinación (Plano No. 2, 3 y 4).
Plano No. 2 Plano sistema de captación de agua pluvial del Laboratorio de Hidráulica Marítima.
Plano No. 3 Plano sistema de captación de agua pluvial del laboratorio de Hidráulica Marítima (Detalles).
Plano No. 4 Plano sistema de captación de agua pluvial del laboratorio de Calibración de Equipos Oceanográficos.
Una vez realizados los planos del anteproyecto del sistema de captación pluvial con todos los detalles de las áreas de captación, líneas de conducción y de almacenamiento del agua pluvial, se procedió a realizar el catálogo de conceptos, las especificaciones particulares y generales, el programa de obra y el presupuesto base.
Catálogo de conceptos
Una vez obtenidos los planos con la propuesta del sistema de captación de agua pluvial para su utilización en las instalaciones del Laboratorio de Hidráulica Marítima, se procedió a elaborar el catálogo de conceptos, para lo cual se redactó detalladamente cada concepto que conforma dicho sistema con su unidad de medida correspondiente y las cantidades que se van a utilizar en el mismo.
Especificaciones generales y particulares
Sirven para establecer patrones para el diseño del sistema de captación de agua de lluvia para su utilización en las instalaciones del Laboratorio de Hidráulica Marítima de la Coordinación de Ingeniería Portuaria y Costera.
Definiciones:
a) Captación: Superficie destinada a la recolección del agua pluvial para un fin benéfico. b) Recolección: Conjunto de tuberías o canaletas situadas en las partes más bajas de la superficie de captación con el objeto de recolectar el agua pluvial y de conducirla hacia el interceptor. c) Interceptor: Dispositivo dirigido a captar las primeras aguas de lluvia correspondiente al lavado de la superficie de captación y que separa la parte más sucia de cada precipitación pluvial para que no entre al depósito de almacenamiento. d) Almacenamiento: Depósito destinado a la recolección, conservación y abastecimiento del agua pluvial con fines de utilizarla en los modelos hidráulicos pertenecientes al Laboratorio de Hidráulica Marítima.
La captación de agua pluvial se utilizará en las instalaciones del Laboratorio de Hidráulica Marítima con el objetivo de ocuparla en la operación de los modelos hidráulicos existentes.
Requisitos previos
a) El diseño del sistema de captación de agua de lluvia con fines de abastecimiento de agua debe estar basado en los datos de precipitación mensual de por lo menos diez (15) años, para el presente estudio se basó en la información de 20 años.
b) La oferta de agua de lluvia se debe determinar a partir del promedio mensual de las precipitaciones correspondientes al período de años analizados.
Diseño
El sistema de captación de agua de lluvia se compone de cuatro partes (ver figura 2): a) captación; b) recolección; c) interceptor; y d) almacenamiento.
Figura 2. Componentes de un sistema de captación de agua de lluvia. Fuente: Guía de Diseño para Captación de Agua de lluvia. Sistema típico de captación de agua lluvia en techos CEPIS, 2004. Guía de Diseño para Captación de Agua de Lluvia. CEPIS, 2004.
1.- Captación
a) Está conformada por la superficie de captación (losa de azotea) del inmueble, el mismo que debe tener una pendiente no menor al cinco por ciento (5%) en dirección a las tuberías o canaletas de recolección del agua pluvial.
2.- Recolección
a) Las canaletas podrán ser metálicas galvanizadas, de PVC, o de cualquier otro tipo de material siempre y cuando no altere la calidad físico-química del agua recolectada. b) El ancho mínimo de la canaleta será de 75 mm y el máximo de 150 mm. b) Las canaletas deberán estar fuertemente fijadas a los bordes más bajos de la superficie de captación. c) La superficie de captación deberá prolongarse hacia el interior de la canaleta, como mínimo en un 20% del ancho de la canaleta. d) La distancia que debe existir entre la parte superior de la canaleta y la parte más baja de la superficie de captación debe ser la menor posible para evitar la pérdida de agua. e) El máximo tirante de agua en las proximidades del interceptor no deberá ser mayor al 60% de la profundidad efectiva de la canaleta. f) La velocidad del agua en las canaletas no deberá ser mayor a 1.00 m/s. c) Las uniones entre canaletas deben ser herméticas y lo más lisas posibles para evitar el estancamiento del agua.
3.- Interceptor
a) Para obtener el volumen del interceptor se debe calcular a razón de un litro de agua de lluvia por metro cuadrado de la superficie de captación (área del techo). b) La superficie destinada a la captación del agua de lluvia puede tener más de un interceptor. En el caso que la superficie de captación tenga dos o más interceptores, ellos deberán atender áreas específicas del techo y por ningún motivo un determinado interceptor deberá captar las primeras aguas de lluvia de un área que haya sido atendida por otro interceptor. d) Al inicio del tubo de bajada al interceptor deberá existir un ensanchamiento que permita encauzar el agua hacia el interceptor sin que se produzcan reboses, y su ancho inicial debe ser igual al doble del diámetro de la canaleta debiendo tener la reducción a una longitud de dos veces el diámetro. e) El diámetro mínimo del tubo de bajada del interceptor no será menor a 75 mm. f) El fondo del tanque de almacenamiento del interceptor deberá contar con grifo o tapón para el drenaje del agua luego de concluida la lluvia. g) El interceptor contará con un dispositivo que debe cerrarse una vez que se hayan evacuado las primeras aguas de lluvia.
4.- Almacenamiento
a) El volumen del tanque de almacenamiento será determinado a partir de la capacidad de a cisterna existente, de la intensidad de las precipitaciones y del área de captación. b) El tanque de almacenamiento podrá ser enterrado, apoyado o elevado. c) El tanque de almacenamiento deberá contar con tapa sanitaria de mínimo 0,60 x 0,60 m para facilitar la limpieza o el mantenimiento; drenaje de fondo para la eliminación del agua de lavado; grifo situado a 0,10 m por encima del fondo; rebose situado a 0,10 m por debajo del techo, e ingreso del agua de lluvia. El ingreso del agua de lluvia podrá realizarse por el techo o por las paredes laterales del tanque de almacenamiento y no deberá ser menor de 75 mm de diámetro. d) El interior del tanque de almacenamiento deberá ser impermeable y por ningún motivo el agua debe entrar en contacto con el medio ambiente a fin de garantizar la calidad del agua. e) Los tanques de almacenamiento apoyados deben tener alrededor de su base una losa de protección contra la infiltración de 0.20 m de ancho. Asimismo, en la zona donde se ubica el grifo para la extracción del agua debe construirse una losa de 0.50 x 0.50 y borde de 0.10 m de alto. Esta losa debe contar con dren para eliminar el agua que pueda almacenarse durante la extracción del agua. f) El volumen del tanque de almacenamiento se determinará por medio del balance de masa a partir del mes de mayor precipitación y por el lapso de un año, entre el acumulado de la oferta de agua (precipitación pluvial promedio mensual de por lo menos 10 años) y el acumulado de la demanda mes por mes del agua destinada al consumo humano. El volumen neto del tanque de almacenamiento es la resultante de la sustracción de los valores máximos y mínimos de la diferencia de los acumulados entre la oferta y la demanda de agua. Para este caso en particular la limitante del presente proyecto es el volumen de la cisterna existente que hará la función del dispositivo de almacenamiento. e) El volumen de diseño del tanque de almacenamiento será igual al 110% del volumen neto.
Cuantificación de volúmenes de obra
Con los planos de la propuesta y trayectoria del sistema de captación de agua pluvial, se procedió a realizar la cuantificación de volúmenes de obra de todos y cada uno de los conceptos que intervienen en el sistema antes citado. Para lo cual se elaboraron los números generadores de obra con la finalidad de obtener los volúmenes de cada concepto de obra que interviene en la propuesta del sistema de captación de agua pluvial.
Análisis de precios unitarios
Una vez obtenidos todos y cada uno de las descripciones de los conceptos de obra, se realizaron los análisis de precios unitario de cada uno de ellos para poder obtener el presupuesto base.
Presupuesto base
Con los análisis de precios unitarios de cada uno de los conceptos de trabajo del sistema de captación de agua pluvial, se realizó el presupuesto base ver del Anteproyecto del sistema de captación de agua pluvial, para su utilización en las instalaciones del Laboratorio de Hidráulica Marítima, de la Coordinación de Ingeniería Portuaria y Costera del IMT. Dando un monto total por la ejecución de todos los trabajos por $609,956.21 sin I.V.A.
Programa de obra
Se realizó el programa de obra del Anteproyecto del sistema de captación de agua pluvial, para su utilización en las instalaciones del Laboratorio de Hidráulica Marítima, de la Coordinación e Ingeniería de Puertos y Costas del IMT, se propuso un periodo de tiempo de ejecución de los trabajos de 45 días naturales.
Conclusiones Referente a la situación actual que involucra aspectos relacionados con el cambio climático, el aumento de la población, la escasez de agua en calidad y cantidades necesarias para suplir diversas necesidades, resulta tarea importante aprovechar eficientemente los recursos hídricos con tecnologías alternativas que sean de bajo costo y fáciles de implementar.
Una limitante que se tuvo fue que con la cisterna existente, se determinó la capacidad del tanque de almacenamiento del anteproyecto del sistema de captación de agua pluvial el cual es de 2,000 m3 aproximadamente, partiendo de ésta condición, se procedió a calcular las áreas de captación de los edificios que pertenecen a la Coordinación de Ingeniería Portuaria y Costera, y se determinó que con las áreas de las azoteas del Laboratorio de Calibración de Equipos Oceanográficos y del Laboratorio de Hidráulica Marítima 1ª. Fase son suficientes estas dos superficies de captación para poder llenar el tanque de almacenamiento que en este caso es la cisterna existente.
De acuerdo con los resultados obtenidos se puede decir que el anteproyecto cumple los objetivos principales en cuanto a que es técnicamente viable para hacer un uso eficiente del agua pluvial dentro de las instalaciones del Laboratorio de Hidráulica Marítima, pues con la precipitación de la zona se calculó una precipitación anual promedio de 458.72 mm y la infraestructura existente, se logra abastecer completamente los modelos hidráulicos existentes para su funcionamiento. La inversión inicial es de $609,956.21 no incluye I.V.A., debido a que se realizó la propuesta del anteproyecto del sistema de captación de agua pluvial utilizando al máximo posible toda la infraestructura existente.
Con la implementación de sistemas de captación de agua pluvial, se lograrían beneficios tales como: proteger los sistemas naturales, mejorar el ciclo del agua, reducir volúmenes de escorrentía y caudales; también se pueden reducir los costos del servicio de extracción de agua y de luz al disminuir la cantidad de agua que se tiene que bombear por las redes de distribución, un aporte para el ahorro de consumo de agua potable y contribución al medio ambiente.
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