GUÍA DE DISEÑO PARA CAPTACION DEL AGUA DE LLUVIA

Transcripción

1 GUÍA DE DISEÑO PARA CAPTACION DEL AGUA DE LLUVIA Undad de Apoyo Técnco en Saneamento Básco Rural (UNATSABAR) Centro Panamercano de Ingenería Santara y Cencas del Ambente Dvsón de Salud y Ambente Organzacón Panamercana de la Salud Ofcna Santara Panamercana - Ofcna Regonal de la Organzacón Mundal de la Salud Lma Enero 2001

2 INDICE Pag. 1. INTRODUCCIÓN VENTAJAS Y DESVENTAJAS FACTIBILIDAD Factor Técnco Factor Económco Factor Socal COMPONENTES... 6 a. Captacón... 6 b. Recoleccón y Conduccón... 7 c. Interceptor... 8 d. Almacenamento TRATAMIENTO DISEÑO Bases del dseño Crteros del dseño Ejemplo Ejemplo Fgura 1. Sstema de Captacón de Aguas Pluvales en techos... 6 Fgura 2. Canaletas de recoleccón... 8 Fgura 3. Interceptor de prmeras aguas... 9 Fgura 4. Tanque de almacenamento

3 CAPTACION DE AGUA DE LLUVIA PARA CONSUMO HUMANO 1. INTRODUCCION La captacón de agua de lluva es un medo fácl de obtener agua para consumo humano y/o uso agrícola. En muchos lugares del mundo con alta o meda precptacón y en donde no se dspone de agua en cantdad y caldad necesara para consumo humano, se recurre al agua de lluva como fuente de abastecmento. Al efecto, el agua de lluva es nterceptada, colectada y almacenada en depóstos para su posteror uso. En la captacón del agua de lluva con fnes doméstcos se acostumbra a utlzar la superfce del techo como captacón, conocéndose a este modelo como SCAPT (sstema de captacón de agua pluval en techos). Este modelo tene un benefco adconal y es que además de su ubcacón mnmza la contamnacón del agua. Adconalmente, los excedentes de agua pueden ser empleados en pequeñas áreas verdes para la produccón de algunos almentos que puedan complementar su deta. La captacón del agua para uso agrícola necesta de mayores superfces de captacón por obvas razones, por lo que en estos casos se requere de extensas superfces mpermeables para recolectar la mayor cantdad posble de agua. 2. VENTAJAS Y DESVENTAJAS La captacón de agua de lluva para consumo humano presenta las sguentes ventajas: 3

4 Alta caldad físco químca del agua de lluva, Sstema ndependente y por lo tanto deal para comundades dspersas y alejadas, Empleo de mano de obra y/o materales locales, No requere energía para la operacón del sstema, Fácl de mantener, y Comoddad y ahorro de tempo en la recoleccón del agua de lluva. A su vez las desventajas de este método de abastecmento de agua son las sguentes: Alto costo ncal que puede mpedr su mplementacón por parte de las famlas de bajos recursos económcos, y La cantdad de agua captada depende de la precptacón del lugar y del área de captacón. 3. FACTIBILIDAD En el dseño de un sstema de captacón de agua de lluva es necesaro consderar los factores técncos, económcos y socales. 3.1 Factor Técnco Los factores técncos a tener presente son la produccón u oferta y la demanda de agua: a. Produccón u oferta de agua; está relaconada drectamente con la precptacón durante el año y con las varacones estaconales de la msma. Por ello, en el dseño de sstemas de captacón de agua de lluva es altamente recomendable trabajar con datos sumnstrados por la autordad competente y normalmente representada por la ofcna meteorológca del país o de la regón donde se pretende ejecutar el proyecto. b. Demanda de agua; A su vez, la demanda depende de las necesdades del nteresado y que puede estar representada por solamente el agua para consumo humano, hasta llegar a dsponer de agua para todas sus necesdades báscas como son preparacón de almentos, hgene de personal, lavado de vajllas y de ropa e nclusve rego de jardnes. 3.2 Factor Económco Al exstr una relacón drecta entre la oferta y la demanda de agua, las cuales ncden en el área de captacón y el volumen de almacenamento, se encuentra que ambas consderacones están íntmamente lgadas con el aspecto económco, lo que habtualmente resulta una restrccón para la mayor parte de los nteresados, lo que mposblta acceder a un sstema de abastecmento de esta 4

5 naturaleza. En la evaluacón económca es necesaro tener presente que en nngún caso la dotacón de agua debe ser menor a 20 ltros de agua por famla y por día, la msma que permte satsfacer sus necesdades báscas elementales, debendo atenderse los aspectos de hgene personal y lavado de ropa por otras fuentes de agua. Así msmo, los costos del sstema propuesto deben ser comparados con los costos de otras alternatvas destnadas al mejoramento del abastecmento de agua, tenendo presente el mpacto que representa la cantdad de agua en la salud de las personas benefcadas por el servco de agua. 3.3 Factor Socal En la evaluacón de las obras de ngenería a nvel comuntaro, sempre se debe tener presente los factores socales, representados por los hábtos y costumbres que puedan afectar la sostenbldad de la ntervencón. Al efecto, el profesonal responsable del estudo debe dscutr con la comundad las ventajas y desventajas de la manera tradconal de abastecmento de agua y de la tecnología propuesta, buscando que la propa comundad seleccone lo que más le convene emplear. Este análss debe consderar la convenenca de adoptar solucones ndvduales y colectvas, el tpo de materal empleado en la fabrcacón de sus techos, la exstenca de materales alternatvos en el lugar o sus alrededores y el grado de partcpacón de la comundad en la mplementacón del proyecto. 4. COMPONENTES 5

6 El sstema de captacón de agua de lluva en techos está compuesto de los sguentes elementos: a) captacón; b) recoleccón y conduccón; c) nterceptor; y d) almacenamento. Ver Fgura 1. Captacón Almacenamento Recoleccón CAPTACIÓN EN TECHO Interceptor de prmeras aguas Fgura 1. SCAPT - SISTEMA DE CAPTACION DE AGUA PLUVIAL EN TECHOS a. Captacón.- La captacón está conformado por el techo de la edfcacón, el msmo que debe tener la superfce y pendente adecuadas para que faclte el escurrmento del agua de lluva haca el sstema de recoleccón. En el cálculo se debe consderar solamente la proyeccón horzontal del techo. Los materales empleados en la construccón de techos para la captacón de agua de lluva son la plancha metálca ondulada, tejas de arclla, paja, etc. La plancha metálca es lvana, fácl de nstalar y necesta pocos cudados, pero puede resultar costosa y dfícl de encontrar en algunos lugares donde se ntente proyectar este sstema. Las tejas de arclla tenen buena superfce y suelen ser más baratas, pero son pesadas, y para nstalarlas se necesta de una buena estructura, además que para su elaboracón se necesta de una buena fuente de arclla y combustble para su coccón. 6

7 La paja, por ser de orgen vegetal, tene la desventaja que lbera lgnna y tanno, lo que le da un color amarllento al agua, pero que no tene mayor mpacto en la salud de los consumdores sempre que la ntensdad sea baja. En todo caso puede ser destnada para otros fnes dferentes al de consumo, como rego, bebda de ganado, lavado de ropa, hgene personal, lmpeza de servcos santaros, etc. b. Recoleccón y Conduccón.- Este componente es una parte esencal de los SCAPT ya que conducrá el agua recolectada por el techo drectamente hasta el tanque de almacenamento. Está conformado por las canaletas que van adosadas en los bordes más bajos del techo, en donde el agua tende a acumularse antes de caer al suelo (ver Fgura 2). El materal de las canaletas debe ser lvano, resstente al agua y fácl de unr entre sí, a fn de reducr las fugas de agua. Al efecto se puede emplear materales, como el bambú, madera, metal o PVC. Las canaletas de metal son las que más duran y menos mantenmento necestan, sn embargo son costosas. Las canaletas confecconadas a base de bambú y madera son fácles de construr pero se deteroran rápdamente. Las canaletas de PVC son más fácles de obtener, durables y no son muy costosas. Las canaletas se fjan al techo con a) alambre; b) madera; y c) clavos. Por otra parte, es muy mportante que el materal utlzado en la unón de los tramos de la canaleta no contamne el agua con compuestos orgáncos o norgáncos. En el caso de que la canaleta llegue a captar materales ndeseables, tales como hojas, excremento de aves, etc. el sstema debe tener mallas que retengan estos objetos para evtar que obturen la tubería montante o el dspostvo de descarga de las prmeras aguas. 7

8 Fgura 2. Canaletas de recoleccón c. Interceptor.- Conocdo tambén como dspostvo de descarga de las prmeras aguas provenentes del lavado del techo y que contene todos los materales que en él se encuentren en el momento del nco de la lluva. Este dspostvo mpde que el materal ndeseable ngrese al tanque de almacenamento y de este modo mnmzar la contamnacón del agua almacenada y de la que vaya a almacenarse posterormente (ver Fgura 3). En el dseño del dspostvo se debe tener en cuenta el volumen de agua requerdo para lavar el techo y que se estma en 1 ltro por m 2 de techo. El volumen de agua resultante del lavado del techo debe ser recolectado en un tanque de plástco. Este tanque debe dseñarse en funcón del área del techo para lo cual se podrán emplear recpentes de 40, 60, 80 ó 120 ltros, y para áreas mayores de techo se utlzarían combnacones de estos tanques para captar dcho volumen. 8

9 INTERCEPTOR DE LAS PRIMERAS AGUAS Vene del Sstema de Canaletas Tee de 3" Al Tanque de Almacenamento Tubería de 3" Reduccón de 3" a 2" Nple de 2" Reduccón de 4" a 2" Bola de jebe Tubería de 4" Reduccón de 4" a 2" Codo de 2" Cuando el tubo de 4" está lleno, la bola de jebe tapa la entrada hacendo que el agua cambe de dreccón y se drja al Tanque de 2 3 Almacenamento. Cuando el tubo de 4" se está llenando, la bola de jebe comenza a ascender. Cuando el tubo de 4" está vacío, lsto para la próxma precptacón. Tanque de plástco Salda de agua Fgura 3. Interceptor de Prmeras Aguas d. Almacenamento.- Es la obra destnada a almacenar el volumen de agua de lluva necesara para el consumo daro de las personas benefcadas con este sstema, en especal durante el período de sequía (ver Fgura 4). La undad de almacenamento debe ser duradera y al efecto debe cumplr con las especfcacones sguentes: Impermeable para evtar la pérdda de agua por goteo o transpracón, De no más de 2 metros de altura para mnmzar las sobre presones, Dotado de tapa para mpedr el ngreso de polvo, nsectos y de la luz solar, Dsponer de una escotlla con tapa santara lo sufcentemente grande como para que permta el ngreso de una persona para la lmpeza y reparacones necesaras, La entrada y el rebose deben contar con mallas para evtar el ngreso de nsectos y anmales. 9

10 Dotado de dspostvos para el retro de agua y el drenaje. Esto últmo para los casos de lmpeza o reparacón del tanque de almacenamento. En el caso de tanques enterrados, deberán ser dotados de bombas de mano. Fgura 4. Tanque de Almacenamento Los tpos de tanques de almacenamento de agua de lluva que pueden ser empleados en el medo rural puderan ser construdos con los materales sguentes: Mortero cemento arena; el mortero de cemento arena se aplca sobre un molde de madera u otro materal de forma preestablecda. Los modelos pequeños suelen varar entre 0.1 a 0.5 m 3 y los modelos más grandes pueden alcanzar alturas de 1.5 m y volúmenes de hasta 2.3 m 3. Concreto; normalmente se construye vacando concreto en moldes concéntrcos de acero de un dámetro de 1.5 m, 0.1 m de espesor y 0.60 m de altura. Este tpo de tanque de almacenamento puede alcanzar volúmenes de hasta 11 m 3. 10

11 5. TRATAMIENTO Es necesaro que el agua retrada y destnada al consumo drecto de las personas sea tratada antes de su ngesta. El tratamento debe estar drgdo a la remocón de las partículas que no fueron retendas por el dspostvo de ntercepcón de las prmeras aguas, y en segundo lugar al acondconamento bacterológco. El tratamento puede efectuarse por medo de un fltro de mesa de arena segudo de la desnfeccón con cloro. En la Hoja Técnca HT-04 Fltros de Mesa de Arena Construccón, Operacón y Mantenmento se detalla el dseño de estos fltros. 6. DISEÑO 6.1 Bases del dseño; antes de emprender el dseño de un sstema de captacón de agua pluval, es necesaro tener en cuenta los aspectos sguentes: Precptacón en la zona. Se debe conocer los datos pluvométrcos de por lo menos los últmos 10 años, e dealmente de los últmos 15 años, Tpo de materal del que está o va a estar construda la superfce de captacón, Número de personas benefcadas, y Demanda de agua. 6.2 Crteros de dseño; Este método conocdo como: Cálculo del Volumen del Tanque de Almacenamento toma como base de datos la precptacón de los 10 ó 15 últmos años. Medante este cálculo se determna la cantdad de agua que es capaz de recolectarse por metro cuadrado de superfce de techo y a partr de ella se determna a) el área de techo necesara y la capacdad del tanque de almacenamento, o b) el volumen de agua y la capacdad del tanque de almacenamento para una determnada área de techo. Los datos complementaros para el dseño son: Número de usuaros, Coefcente de escorrentía; - calamna metálca tejas de arclla madera paja Demanda de agua. Los pasos a segur para el dseño del sstema de captacón de agua de lluva son: 11

12 Determnacón de la precptacón promedo mensual; a partr de los datos promedo mensuales de precptacón de los últmos 10 ó 15 años se obtene el valor promedo mensual del total de años evaluados. Este valor puede ser expresado en térmnos de mlímetros de precptacón por mes, o ltros por metro cuadrado y por mes que es capaz de colectarse en la superfce horzontal del techo. n p Pp Pp = : número de años evaluados, : valor de precptacón mensual del mes, (mm) : precptacón promedo mensual del mes de todos los años evaluados. (mm) n = = 1 n p Determnacón de la demanda; a partr de la dotacón asumda por persona se calcula la cantdad de agua que se necesta para atender las necesdades de la famla o famlas a ser benefcadas en cada uno de los meses. Nu Nd Dot D = 1000 Nu : número de usuaros que se benefcan del sstema. Nd : número de días del mes analzado Dot : dotacón (lt/persona.día) D : demanda mensual (m 3 ) Determnacón del volumen del tanque de abastecmento; tenendo en cuenta los promedos mensuales de precptacones de todos los años evaluados, el materal del techo y el coefcente de escorrentía, se procede a determnar la cantdad de agua captada para dferentes áreas de techo y por mes. A Pp = Ce Ac 1000 Pp : precptacón promedo mensual (ltros/m 2 ) Ce : coefcente de escorrentía Ac : área de captacón (m 2 ) A : Abastecmento correspondente al mes (m 3 ) Tenendo como base los valores obtendos en la determnacón de la demanda mensual de agua y oferta mensual de agua de lluva, se procede a calcular el acumulado de cada uno de ellos mes a mes encabezado por el mes de mayor precptacón u oferta de agua. A contnuacón se procede a calcular 12

13 la dferenca de los valores acumulados de cada uno de los meses de la oferta y la demanda respectvamente. Las áreas de techo que conduzcan a dferencas acumulatvas negatvas en alguno de los meses del año se descartan por que el área supuesta no es capaz de captar la cantdad de agua demandada por los nteresados. El área mínma de techo corresponde al análss que proporcona una dferenca acumulatva próxma a cero (0) y el volumen de almacenamento corresponde a la mayor dferenca acumulatva. Areas de techo mayor al mínmo darán mayor segurdad para el abastecmento de los nteresados. El acumulado de la oferta y la demanda en el mes podrá determnarse por: Aa = Aa( 1) = Da ( 1) Pp Ce Ac Da + Nu Nd Dd Aa Da : volumen acumulado al mes. : demanda acumulada al mes. V ( m ) = A ( m ) D ( m ) V : volumen del tanque de almacenamento necesaro para el mes. A : volumen de agua que se captó en el mes ï. D : volumen de agua demandada por los usuaros para el mes ï. Ejemplo 1 Determnacón del área de techo requerda y del volumen del tanque de almacenamento. Determnar el área de techo y el volumen del tanque del almacenamento más económco según las precptacones y demanda mensual de agua ndcado en el cuadro N 1, tenendo en cuenta los sguentes crteros de dseño Materal de techo : teja de arclla Coefcente de escorrentía : 0.8 Personas a ser benefcadas : 6 Costo de reservoro por m 3 : US$ 50 Costo de techo por m 2 : US$ 10 13

14 Para el análss matemátco, se asumrán áreas de techo de 50, 60 y 65 metros cuadrados respectvamente. En los cuadros adjuntos, se pueden aprecar los resultados de los cálculos efectuados y que se sntetzan como sgue: Dferencas acumulatvas (m 3 ) Area de techo (m 2 ) Máxmo valor (volumen de almacenamento m 3 ) Mínmo valor (volumen de reserva m 3 ) Del análss del cuadro en donde se sntetzan los resultados, se nota que no debe consderarse en la evaluacón fnal el área de techo de 50 metros cuadrados por haberse obtendo valores negatvos durante tres meses, lo que se traduce en que no habría agua para abastecer a los nteresados durante los últmos tres meses del año. De este modo, el área dónea que puede atender la demanda deben ser gual o mayor a 60 m 2. El volumen de almacenamento neto debe ser de m 3 ( ) para un techo de 60 m 2 y de ( ) para un techo de 65 m 2. S se consdera una reserva mínma de 1.47 m 3, los costos que representa cada una de las mplementacones para las dos áreas de techo remanentes, es decr para 60 y 65 m 2 son: Area de Volumen del Costo (US$) Techo (m 2 ) Tanque (m 3 ) Techo Tanque Total El costo de mplementacón del sstema más económco conformado por un techo de un área de 60 m 2 y un reservoro de m 3 con una capacdad extra de almacenamento de 1.47 m 3 es de US$ Aumentaría a US$ s el techo tuvera un área de 65 m 2 y el reservoro con su capacdad extra de 1.47 m 3 fuera de m 3. 14

15 Cuadro N 1. Datos báscos Método del CALCULO DEL VOLUMEN DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO Demanda dara por persona (lppd) Enero Febrero Marzo Abrl Mayo Juno Julo Agosto Setembre Octubre Novembre Dcembre Precptacón mensual (mm) Año Enero Febrero Marzo Abrl Mayo Juno Julo Agosto Setembre Octubre Novembre Dcembre Prom Demanda total mensual para la famla de ses personas (ltros) Enero Febrero Marzo Abrl Mayo Juno Julo Agosto Setembre Octubre Novembre Dcembre

16 MES Precptacón Abastecmento (m 3 ) Demanda (m 3 ) Dferenca (mm) parcal acumulado Parcal acumulado (m 3 ) Cálculo para un techo de 50 m 2 Julo Agosto Setembre Octubre Novembre Dcembre Enero Febrero Marzo Abrl Mayo Juno MES Precptacón Abastecmento (m 3 ) Demanda (m 3 ) Dferenca (mm) parcal acumulado parcal acumulado (m 3 ) Cálculo para un techo de 60 m 2 Julo Agosto Setembre Octubre Novembre Dcembre Enero Febrero Marzo Abrl Mayo Juno MES Precptacón Abastecmento (m 3 ) Demanda (m 3 ) Dferenca (mm) parcal acumulado Parcal acumulado (m 3 ) Cálculo para un techo de 65 m 2 Julo Agosto Setembre Octubre Novembre Dcembre Enero Febrero Marzo Abrl Mayo Juno

17 Ejemplo 2 Determnacón de la dotacón de agua y del volumen del tanque de almacenamento con un área de techo defnda. Determnar la dotacón de agua per cápta y el volumen del tanque de almacenamento más económco para una vvenda con un área de techo de 50 m 2 y en la que habta una famla de cnco personas. El techo está fabrcado con tejas de arclla cocda. Consderar para el presente caso, los datos de precptacón del cuadro anteror. Materal de techo : tejas de arclla Area de techo exstente : 50 m 2 Coefcente de escorrentía : 0.8 La determnacón de la oferta de agua para el techo de 50 m 2 se realza de forma smlar al ejemplo anteror MES Precptacón Abastecmento (m 3 ) (mm) Parcal Acumulado Julo Agosto Setembre Octubre Novembre Dcembre Enero Febrero Marzo Abrl Mayo Juno Del cuadro se puede observar que la oferta de agua que brnda el techo de 50 m 2 a lo largo del año es de 21.7 m 3. Consderando una reserva de 1 m 3 de agua, se tene que la dotacón dara de agua para cada una de las cnco personas que habtan en la vvenda es: lt 21.7m 1.0m m 3 365días 5hab. = ltros hab día 17

18 A partr de la dotacón dara establecda en ltros/hab-día y que permte determnar la demanda, así como la oferta de agua de lluva, se determna que el volumen del tanque de almacenamento debe ser de m 3. MES Precptacón Abastecmento (m 3 ) Demanda (m 3 ) Dferenca (mm) parcal Acumulado Parcal acumulado (m 3 ) Julo Agosto Setembre Octubre Novembre Dcembre Enero Febrero Marzo Abrl Mayo Juno