OBRAS DE CAPTACIÓN
Las obras de captación son las obras civiles y equipos electromecánicos que se utilizan para reunir y disponer adecuadamente del agua superficial o subterránea. Dichas obras varían de acuerdo con la naturaleza de la fuente de abastecimiento su localización y magnitud. Algunos ejemplos de obras de captación se esquematizan en la Fig 1 . El diseño de la obra de captación debe ser tal que prevea las posibilidades de contaminación del agua.
Es necesario separar en el término general de “obra de captación” el dispositivo de captación propiamente dicho y las estructuras complementarias que hacen posible su buen funcionamiento. Un dique toma, por ejemplo, es una estructura complementaria, ya que su función es represar las aguas de un río a fin de asegurar una carga hidráulica suficiente para la entrada de una estabilidad y durabilidad. Un dispositivo de captación puede consistir de un simple tubo, la pichancha de una bomba, un tanque, un canal, una galería filtrante, etc., y representa parte vital de la obra de toma que asegura, bajo cualquier condición de régimen, la captación de las aguas en la calidad prevista. El mérito principal de los dispositivos de captación radica en su buen funcionamiento hidráulico.
OBRAS DE CAPTACIÓN METEÓRICAS
CAPTACIÓN DE AGUAS PLUVIALES
La captación de estas puede hacerse en los tejados o áreas especiales debidamente dispuestas. En estas condiciones el agua arrastra las impurezas de dichas superficies, por lo que para hacerla potable es preciso filtrarla. La filtración se consigue mediante la instalación de un filtro en la misma cisterna. Un dispositivo de este tipo se ilustra en la figura 2.
Fig. 2 Captación de Agua Pluvial
La recolección de agua de lluvia como única fuente de agua, sólo es conveniente en regiones con lluvia confiable a lo largo del año (o donde no están disponibles otras fuentes de agua), debido a que las obras individuales de almacenamiento para todas las casas de una comunidad rural pueden ser costosas. La cantidad de agua de lluvia que puede recolectarse depende del área de captación y de la precipitación promedio anual. Un milímetro de lluvia en un metro cuadrado produce alrededor de 0.8 litros de agua, considerando la evaporación y otras pérdidas.
Cuando se diseña un sistema de captación de aguas pluviales es necesario determinar el área de captación y el volumen de almacenamiento.
Vs = D x t x ( 1 + l) x P
Donde:
Vs : Volumen de almacenamiento necesario para satisfacer la demanda en época de secas
D : dotación, L/ hab./ día
t : tiempo que dura la temporada de secas, días
l : Factor de seguridad, mínimo 30 % en decimal
P : número de habitantes
El volumen anual de agua de lluvia captada se puede estimar a partir de la ecuación ( 1 ) donde se relaciona la precipitación media anual y área de captación. En diseños conservadores es conveniente considerar que se pueden aprovechar el 75 % de la precipitación total anual.
Vc = Pr x A x n _________ ( 1 )
Donde:
Vc : volumen anual captado, m3
Pr : precipitación media anual, m
A : área de captación, m2
n : eficiencia de captación del agua pluvial, decimal
Si el volumen anual captado es mayor que el volumen de almacenamiento necesario para satisfacer la demanda durante la época de secas, no existirá problema de suministro. En el caso contrario, se tendrán problemas de abastecimiento. Entonces, al considerar sistemas de abastecimiento con agua de lluvia, se deberá garantizar al menos que el volumen captado es igual al volumen almacenado para satisfacer la demanda durante la época de sequía.
EJEMPLO.1
Determinar qué volumen de agua puede ser almacenado en una cisterna próxima a una casa rural, con un área de captación de 70 m2, si la precipitación media anual es de 90 cm.
Solución:
Considerando una eficiencia de captación de 75 % (diseño conservador) y convirtiendo la precipitación media anual a metro, se tiene:
Vc = 0.90 m (70 m2) (0.75) = 47.25 m3
EJEMPLO 2
Calcular el volumen de agua que se debe almacenar en una cisterna para una población de 1500 habitantes si se les asigna una dotación de 100 l/hab./día. La precipitación media anual es de 90 cm, y la época de lluvias dura 4 meses. Determinar el área de captación requerida para satisfacer el volumen de almacenamiento requerido.
Solución:
La duración de la época de sequía será:
T = 8 meses x 30 días /mes = 240
El volumen necesario Vs, para el consumo en época de secas, considerando un factor de seguridad de 30% será.
Vs = 100 L / hab. d x 240 d x (1 + 0.30 ) x 1500 hab = 4.68 x 107 Litros
Vs = 46, 800 m3
El volumen anual captado, considerando la precipitación media anual de 0.90 m, y un diseño conservador (75 % de eficiencia de captación), será:
VC = 0.90 x A x 0.75 = 0.675 X A
Para que no exista problema de suministro, al menos debe tenerse que: VC = Vs
0.675 X A = 46800 m3
Por lo que el área de captación necesaria es :
A = 46800 / 0.675 = 69,333 m2
Es poco probable que la totalidad de las viviendas de la localidad considerada tengan la superficie de techos necesaria para proporcionar el área requerida para captar el agua suficiente, por lo que se requeriría la construcción de patios de captación de agua pluvial para que ésta fuera considerada una fuente confiable de abastecimiento.
Las superficies de captación de agua de lluvia en piso pueden ser materiales impermeables que han recibido acondicionamiento químico (por ejemplo, la mezcla de sales de sodio con capas superficiales de suelo arcilloso) Si la superficie es lisa y el escurrimiento se almacena en un depósito, las perdidas por evaporación, saturación del material base e infiltración, son casi nulas. Como regla general, las perdidas en superficies de captación a nivel de piso con recubrimiento de concreto o asfalto son menores al 10 %; En techos aislados recubiertos con brea (alquitrán) y grava esparcida son menores al 15 %; y en techos de lámina metálica prácticamente no hay pérdidas.
Se recomienda la construcción de trincheras que desvíen los escurrimientos superficiales protejan el área de captación en piso. Asimismo, se recomienda instalar cercas para evitar el paso de animales y personas.
Las tapas de registro deben estar bien selladas. Es conveniente que los tubos de ventilación estén protegidos con rejillas para evitar el paso de animales e insectos, y se tenga previsiones para evitar el paso de luz, polvo y agua superficial. La cisterna de almacenamiento debe ser impermeable, con superficies interiores El orificio del registro debe tener un brocal bien sellado y que sobresalga del nivel de piso por lo menos 10 cm. La tapa de registro debe cubrir el brocal y proyectar, por lo menos 5 cm, su pestaña hacia abajo. Para evitar contaminación y accidentes la tapa del registro debe cerrarse con candado.
Es importante contar con previsiones para desviar el agua de las primeras lluvias, época en que se lava el área de captación después del estiaje. También, se recomienda contar con drenes al fondo de la cisterna de almacenamiento con el objeto de drenar sedimentos acumulados y facilitar el lavado de la misma. Ninguna tubería que entre o salga de la cisterna de almacenamiento deberá conectarse al drenaje sanitario.
Las cisternas enterradas puede construirse con tabique o piedra, aunque se recomienda el concreto reforzado. Si se utiliza tabique o piedra, estos deben ser bajos en permeabilidad y colocarse con juntas de cemento Pórtland. Los tabiques deben humedecerse antes de su colocación. Un recubrimiento con mortero cemento-arena 1:3 ayudará a impermeabilizar el depósito. Con el fin de conseguir una superficie dura y no absorbente, se utiliza una llana para aplanar el recubrimiento antes de que se haya endurecido.
Es necesario mantener limpias todas las conducciones que colecten agua de lluvia hacia la cisterna. Los canales y techos deben mantenerse inclinados hacia la cisterna con el fin de evitar estacionamientos de agua.
Los techos utilizados para captar agua de lluvia no deben pintarse. Materiales tales como las tejas vidriadas y el acero galvanizado son apropiados para superficies de captación.
El agua atmosférica susceptible de aprovecharse mejor, hasta ahora, es el agua de lluvia.
OBRAS DE CAPTACIÓN SUPERFICIALES
Para el diseño de obras de captación superficiales se requiere obtener, la información siguiente:
a).- Datos Hidrológicos
- Gasto medio, máximo y mínimo
- Niveles de agua normal, extraordinario y mínimo
- Características de la cuenca, erosión y sedimentación
- Estudios de inundaciones y arrastre de cuerpos flotantes
b).- Aspectos Económicos
- Planeamiento de opciones, elección de la más económica que cumpla con los requerimientos técnicos
- Costos de construcción, operación y mantenimiento
- Costo de las obras de protección
- Tipo de tenencia del terreno
- Tipos de obras de toma.
Dependiendo de las características hidrológicas de la corriente, las obras de captación pueden agruparse en los siguientes cuatro tipos:
a).- Captaciones cuando existen grandes variaciones en los niveles de la superficie libre.
Torres para captar el agua a diferentes niveles, en las márgenes o en el punto más profundo del río, (Fig. 3)
Fig. 3 Torres para captar agua a diferentes niveles
Estaciones de bombeo flotantes. También pueden usarse en lagos o embalses (figuras 4a. y 4b).
Fig. 4a Estación de bombeo Flotante
Fig. 4b Captación en río navegable o en lagos y lagunas
b).- Captación cuando existen pequeñas oscilaciones en los niveles de la superficie libre, como estaciones de bombeo fijas con toma directa en el rió o en un cárcamo.(Fig. 5a y 5b)
Fig. 5a Estación de bombeo en un cárcamo
Fig. 5b Estación de bombeo en río
Canales de derivación con o sin desarenadores. Una estructura de este tipo comprende, esencialmente (Figura. 6 )
Fig. 6 Canal con derivación
c ).- Captaciones para escurrimientos con pequeños tirantes
Fig 7 Muro con toma directa
Fig. 8 Muro vertedor con caja y vertedor lateral
Fig. 9 Muro vertedor con caja central y toma
d).- Captación directa por gravedad o bombeo
Este es el caso común para sistemas rurales por lo que se presentará con mayor detalle en un apartado especial.
Captación directa
Cuando el agua de un río está relativamente libre de materiales de arrastre en toda época del año, el dispositivo de captación más sencillo es un sumergido. Es conveniente orientar la entrada del tubo en forma tal que no quede enfrente la dirección de la corriente, y se debe proteger con malla metálica contra el paso de objetos flotantes(Fig 10 ).
Fig. 10 Métodos de protección de la entrada a la línea de conducción
La sumergencia del dispositivo debe ser suficiente para asegurar la entrada del pago del gasto previsto en el sistema . En vista de que la dirección y velocidad de la corriente no pueden determinarse con exactitud en la zona de acercamiento es conveniente suponer una pérdida de carga por entrada equivalente a la carga de velocidad (V2 / 2g), siendo V la velocidad de flujo en el tubo para el diámetro y gastos dado y, g la aceleración de la gravedad.
Esa pérdida se aumenta considerablemente si la entrada está protegida con rejillas. Su valor puede estimarse tomando en cuenta el área libre de entrada al tubo y el coeficiente de contracción del flujo a través de la rejilla. Si por ejemplo, una rejilla reduce el área del tubo en un 40 % y el coeficiente de contracción es del orden de 0.5, la perdida por entrada será de.
hs = 1 x V2
0.6 x 0.5 2g
En el caso en que la captación por gravedad no sea factible debido a la topografía el método de captación recomendable es por bombeo. De las bombas disponibles comercialmente, la bomba centrífuga horizontal tiene la ventaja de que la ubicación del equipo de bombeo y el punto de captación pueden ser distintos, o sea que la estación de bombeo pude construirse en el sitio más favorable desde el punto de vista de cimentación, acceso, protección contra inundaciones, etc. Su desventaja principal es que la altura de succión queda limitada y el desnivel máximo permisible entre la bomba y el nivel de bombeo, es relativamente pequeño (Fig. 11)
Fig. 11 Captación directa con bomba centrífuga horizontal
De hecho, se puede afirmar que cuando se trata de la captación directa de las aguas superficiales, el tipo de bomba más comúnmente empleada es la bomba centrífuga horizontal.
Su localización recomendable se ilustra en la (Fig. 12)
Fig. 12 Localización recomendable de la toma directa en curvas
La bomba centrífuga vertical (tipo pozo profundo ) tiene mayor eficiencia, pero el costo del equipo es mayor y la estación de bombeo tiene que ubicarse directamente por encima del punto de captación. Estas condiciones a veces representan problemas graves de cimentación, resultando obras de construcción sumamente costosas no compatibles con sistemas rurales (fig. 13).
Fig.13 Captación directa con bomba centrifuga vertical
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