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ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN SISTEMA PARA LA REUTILIZACIÓN DE AGUAS LLUVIAS EN LA GRANJA DEL PADRE LUNA DE GUASCA, REPLICABLE EN OTROS LUGARES DE LA REGIÓN

DEL GUAVIO.

MARÍA PAULA FLÓREZ JIMÉNEZ

ASESOR:

Dr. Juan Pablo Rodríguez

Proyecto de grado para aspirar al título de Ingeniero Ambiental

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

BOGOTÁ

ENERO DE 2014

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Tabla de contenido 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................... 5

1.1. Justificación ....................................................................................................................................... 5

1.2. Definición del problema .................................................................................................................... 5

1.3. Objetivos ........................................................................................................................................... 6

1.3.1. Objetivo general ....................................................................................................................... 6

1.3.2. Objetivos específicos ................................................................................................................ 6

2. REVISIÓN DE LITERATURA .......................................................................................................................... 7

2.1. Casos de aplicación de sistemas para el ahorro de agua en comunidades rurales. ......................... 7

2.2. Sistemas de recolección de aguas lluvias .......................................................................................... 8

2.2.1. Elementos del sistema de recolección de aguas lluvias y su diseño. ....................................... 9

2.3. Normas para la calidad de agua lluvia ............................................................................................ 13

2.3.1. Normas de calidad de agua potable ....................................................................................... 13

2.3.2. Normas de calidad de agua para riego ................................................................................... 15

3. CASO DE ESTUDIO .................................................................................................................................... 16

3.1. Contexto.......................................................................................................................................... 16

3.1.1. Granjas del Padre Luna .......................................................................................................... 16

3.1.2. Guasca .................................................................................................................................... 16

3.2. Descripción de la situación actual del caso de estudio ................................................................... 16

4. METODOLOGÍA ....................................................................................................................................... 19

4.1. Determinación de la oferta de agua lluvia ...................................................................................... 19

4.1.1. Cantidad de agua ofertada ..................................................................................................... 19

4.1.2. Calidad del agua ofertada ...................................................................................................... 20

4.2. Determinación de la demanda de agua lluvia en el caso de estudio .............................................. 21

4.3. Diseño del sistema de recolección de agua lluvia ........................................................................... 22

5. RESULTADOS ............................................................................................................................................ 28

5.1. Oferta de agua lluvia en el caso de estudio .................................................................................... 28

5.1.1. Cantidad del agua ofertada .................................................................................................... 28

5.1.2. Calidad del agua ofertada ...................................................................................................... 29

5.2. Demanda de agua lluvia en el caso de estudio ............................................................................... 29


5.3.1. Diseño de los interceptores ................................................................................................... 31

5.3.2. Diseño de los filtros ................................................................................................................ 32

5.3.3. Diseño de tanque para almacenamiento de agua lluvia ........................................................ 33

5.4. Costos del sistema de recolección de aguas lluvias ........................................................................ 36

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS ....................................................................................................................... 38

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6.1. Oferta de agua lluvia en el caso de estudio .................................................................................... 38

6.1.1. Cantidad de agua ofertada ..................................................................................................... 38

6.1.2. Calidad de agua ofertada ....................................................................................................... 38

6.2. Demanda de agua lluvia en el caso de estudio ............................................................................... 39


6.4. Costos del sistema de recolección de aguas lluvias ........................................................................ 40

6.5. Modelo del diseño del sistema de recolección de agua lluvia ........................................................ 40

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................................................. 43

8. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................................... 46

Lista de Tablas Tabla 1. Ventajas y desventajas de lechos filtrantes ........................................................................................ 10 Tabla 2. Factores de frecuencia (Maggio, s.f) .................................................................................................. 12 Tabla 3.Parámetros de calidad de agua potable según la Norma Técnica Colombiana (Ministerio de Salud

Pública, s.f) ....................................................................................................................................................... 13 Tabla 4. Recomendaciones de calidad de agua potable según la Organización Mundial de la Salud (Lenntech,

2014)................................................................................................................................................................. 14 Tabla 5. Recomendaciones de calidad de agua para riego decreto 1594/84 (Ministerio de Agricultura, 1984)

.......................................................................................................................................................................... 15 Tabla 6. Descripciones de los actores dentro de La Granja Padre Luna de Guasca (Vargas y Flórez, 2013) .... 17 Tabla 7. Escala de valores de Thomas Saaty para comparación de criterios (Castillo, 2008) ........................... 23 Tabla 8. Escala de valor de Thomas Saaty para comparación de alternativas (Castillo, 2008) ........................ 23 Tabla 9. Matriz de comparación de los criterios de la jerarquía: Beneficios .................................................... 25 Tabla 10. Matriz de comparación de alternativas con respecto al criterio: Espacio Ocupado ........................ 25 Tabla 11. Matriz de comparación de alternativas con respecto al criterio: Porcentaje de Captación ............. 25 Tabla 12. Matriz de comparación de alternativas con respecto al criterio: Uniformidad Temperatura .......... 25 Tabla 13. Matriz de comparación de alternativas con respecto al criterio: Facilidad Limpieza ....................... 25 Tabla 14.Matriz de comparación de los criterios de la jerarquía: Costos ........................................................ 25 Tabla 15. Matriz de comparación de alternativas con respecto al criterio: Construcción ............................... 25 Tabla 16.Matriz de comparación de alternativas con respeto al criterio: Mantenimiento ............................. 26 Tabla 17. Matriz de comparación de alternativas con respecto al criterio: Operación ................................... 26 Tabla 18. Matriz de comparación de los criterios de la Jerarquía: Riesgos ...................................................... 26 Tabla 19. Matriz de comparación de alternativas con respecto al criterio: Danios por agentes externos ...... 26 Tabla 20. Matriz de comparación de alternativas con respecto al criterio: Contaminación de agua

almacenada ...................................................................................................................................................... 26 Tabla 21. Matriz de comparación de alternativas con respecto al criterio: Efectos de interperie .................. 26 Tabla 22. Matriz de comparación de alternativas con respecto al criterio: Estabilidad .................................. 26 Tabla 23.Matriz de comparación de alternativas con respecto al criterio: Presión de terreno lateral ............ 26 Tabla 24. Matriz de comparación de alternativas con respecto al criterio: Presión del agua.......................... 27 Tabla 25. Precipitación promedio por mes ...................................................................................................... 28 Tabla 26. Resultados de Caracterización de las muestras de agua lluvia de la Granja del Padre Luna de

Guasca .............................................................................................................................................................. 29 Tabla 27. Dotación de agua por parte de las personas de la Granja del Padre Luna de Guasca ...................... 30 Tabla 28. Dotación de agua por parte del ganado de la Granja del Padre Luna de Guasca ............................. 30

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Tabla 29. Intensidad de lluvia en Guasca para los años entre 1993 y 2012 ..................................................... 32 Tabla 30. Resultados de la diferencia parcial y acumulada entre agua ofertada y demanda .......................... 33 Tabla 31. Costo de construcción Sistema de recolección de aguas lluvias en la Granja del Pdre Luna en

Guasca .............................................................................................................................................................. 37 Tabla 32. Comparación de resultados de caracterización de agua con los límites máximos permisibles para

agua potable y para riego ................................................................................................................................. 38

Lista de Figuras Figura 1. Metodología de diseño ...................................................................................................................... 19 Figura 2. Porcentajes uso del agua de acueducto en la Granja del Padre Luna de Guasca.............................. 31 Figura 3. Pesos de las alternativas según la jerarquía de beneficios ................................................................ 34 Figura 4. Pesos de las alternativas según la jerarquía de costos ...................................................................... 35 Figura 5. Pesos de las alternativas según la jerarquía de riesgos ..................................................................... 35 Figura 6. Vista en planta del sistema de recolección de aguas lluvias ............................................................. 41 Figura 7. Vista frontal del sistema de recolección de aguas lluvias .................................................................. 41 Figura 8. Vista desde lejos del sistema de recolección de aguas lluvias .......................................................... 41 Figura 9. Vista en diagonal desde el lado izquierdo, del sistema de recolección de aguas lluvias ................... 42 Figura 10. Vista en diagonal desde el lado derecho, del sistema de recolección de aguas lluvias .................. 42 Figura 11. Vista desde cerca de los elementos del sistema de recolección de aguas lluvias ........................... 42

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1. INTRODUCCIÓN

1.1. Justificación

Ingenieros Sin Fronteras Colombia es una organización constituida por la Universidad de los Andes y la Corporación Universitaria Minuto de Dios, que de acuerdo a su misión “desarrolla proyectos en temas de Agua y Emprendimiento, con el fin de generar espacios de Aprendizaje Activo para sus estudiantes, y construir oportunidades de desarrollo con las comunidades, que participan como beneficiarios y co-investigadores” (Universidad de los Andes, 2013). Ingenieros sin Fronteras, actualmente está centrada en la ejecución de proyectos en la región del Guavio y en este momento trabaja en un proyecto para el fortalecimiento de la Gestión Comunitaria del recurso hídrico, por medio de la disminución del consumo de éste, utilizando TP (Técnicas participativas) y TICs (Tecnologías de Información y la Comunicación).

Por otro lado, la empresa Siemens, tiene bajo comodato a la Granja del Padre Luna ubicada en esta región, y busca con la ayuda de Ingenieros sin Fronteras, encontrar la forma de solucionar el problema de carecimiento de agua en época de sequía, y a la vez disminuir los gastos de dicha granja. En el segundo semestre del año 2013, dos estudiantes de la Universidad de los Andes, propusieron un portafolio de proyectos, entre los que se encontraba el proyecto de Implementar un sistema de recolección de aguas para almacenarla en los meses más lluviosos con el fin de usarla en los de sequía, y a la vez disminuir gastos por concepto de acueducto. (Vargas & Flórez, 2013).

Considerando lo presentado anteriormente, lo que se busca por medio de este trabajo es evaluar el proyecto del diseño e implementación de un sistema de recolección de aguas para la Granja del Padre Luna, que permita disminuir los gastos futuros de ésta y que a la vez pueda ser replicado en la región del Guavio para lograr el fortalecimiento de la gestión comunitaria del recurso hídrico.

1.2. Definición del problema

En la región del Guavio, hay baja capacidad de los ciudadanos en la gestión del recurso hídrico que lleva al consumo ineficiente y desaprovechamiento de éste. Las personas de la zona rural gastan un gran porcentaje de sus ingresos por concepto de acueducto, y en algunas épocas del año carecen de agua. Este es el caso de la Granja del Padre Luna, que mensualmente requiere de una cantidad significativa de agua para gastos domésticos y para llevar a cabo las actividades que le proporcionan algunos ingresos. Esta granja está teniendo un gasto significativo por concepto de acueducto y adicionalmente, algunos días de los meses de sequía carece de agua, lo cual perjudica la salud de los habitantes y las actividades que se llevan a cabo en ésta.

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1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo general

Realizar una propuesta de un sistema de recolección de aguas lluvias para la Granja del Padre Luna

de Guasca, que permita el ahorro del agua por parte de los habitantes, genere procesos de

innovación en los jóvenes, y pueda replicarse en toda la región del Guavio.

1.3.2. Objetivos específicos

Estimar la cantidad y calidad del agua ofertada para el caso de estudio.

Estimar la cantidad de agua demandada para el caso de estudio.

Diseñar un sistema de recolección de aguas lluvias para el caso de estudio.

Realizar talleres participativos con las personas del caso de estudio para fomentar la

buena gestión del recurso hídrico.

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2. REVISIÓN DE LITERATURA

2.1. Casos de aplicación de sistemas para el ahorro de agua en comunidades rurales.

Alrededor de la construcción de sistemas de recolección y reutilización de aguas lluvias, se han

desarrollado a nivel mundial muchas iniciativas que han traído consigo resultados exitosos en las

comunidades en las cuales se han implementado. Tal es el caso de la experiencia de Mercy Corps en

Jordan, el cual fue un proyecto de cinco años, del 2006 al 2011, diseñado para fortalecer la capacidad

de las organizaciones locales de base comunitaria y para concientizar en la gestión de la demanda y

aprovechamiento del agua. Esta iniciativa permitió destacar una de las ventajas de los sistemas de

reúso de aguas lluvias, el cual consiste en que estos sistemas disminuyen la dependencia del sistema

público de agua y dan soluciones de escasez; la experiencia en Jordan mostró una reducción en

aproximadamente un 24% (Assayed et al., 2013).

Otro caso es el de un proyecto llevado a cabo en Sudáfrica, el cual buscaba mejorar el suministro de

agua en las zonas rurales y el cual permitió concluir que la recolección de aguas lluvias es sostenible,

rentable y respetuosa con el medio ambiente (Kahinda et al., 2007). En otros países del África del

Este, en particular Kenya, que presenta cambios climáticos marcados y déficit creciente de agua, se

están implementando programas rurales con sistemas tecnificados, especialmente para atender

necesidades de seguridad alimentaria y producción de alimentos. De igual forma en países como la

República de China se ha avanzado en la resolución del problema de abastecimiento de agua a cinco

millones de personas con la aplicación de estas tecnologías. En otros países como Japón, Korea,

Alemania, Australia, Singapur, el agua lluvia se potabiliza, lo cual representa un ahorro del 15

porciento del total del agua que se utiliza. En Bangladesh se ha logrado disminuir intoxicación por

arsénico por medio de la captación de agua lluvia para usos domésticos. Las Islas Vírgenes, Isla

Caicos y Turkos son ejemplos de donde existe marcos legales y normativos que obligan a la captación

de agua lluvia de los techos (Pacheco, 2008).

En el contexto latinoamericano, también se han llevado a cabo proyectos en los que se fomenta el

uso de sistemas de recolección de agua lluvia en las comunidades más pobres que carecen de agua.

Un ejemplo de esto es el programa llamado “Millón de cisternas”, el cual se ha llevado a cabo en el

Norte de Brasil, y ha demostrado ser una opción viable para pequeños poblados. Otro ejemplo en

Latinoamérica, es el proyecto “Lluviatl” el cual, según Pacheco (2008), ha demostrado otorgar

beneficios sociales a las comunidades aisladas en el Estado de México y logrado el ahorro de agua.

Este proyecto permite ilustrar otras ventajas de estos sistemas de recolección de agua lluvia, en

cuanto que ha logrado comprobar que es más económico purificar el agua lluvia en comparación

con otras aguas que tienen mayor contenido de contaminación o sales. De igual forma el proyecto

“Lluviatl” ha permitido evidenciar que un sistema como éste, previene las inundaciones provocadas

por el exceso de escorrentía y flujo de aguas que corre sobre las áreas impermeables como los

techos. Por otro lado, esta iniciativa lleva a concluir que así como el uso de sistemas de recolección

de agua lluvia traen ventajas físicas y económicas, también las trae de tipo cultural, porque permite

valorar el conocimiento local de tecnologías y el uso de materiales locales, al igual que logra la

concientización y participación de la comunidad en temas de gestión de agua.

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Lo anterior puede concluirse también de una iniciativa que nació en el norte de Tailandia, en donde

se han construido un número significativo de cisternas utilizando conocimientos en alfarería de

comunidades rurales. En cuanto al contexto nacional, en Colombia unos buenos ejemplo de uso de

sistemas de recolección de aguas lluvias, son las islas del Caribe como San Andrés y Providencia, en

donde dichos sistemas se usan para complementar el sistema ineficiente del acueducto y le otorga

un valor cultural al agua donada por el cielo (Pacheco, 2008).

Con base en las experiencias de las iniciativas anteriores, se puede decir que los sistemas de

recolección de aguas lluvias son soluciones con gran acogida en las comunidades rurales y presentan

grandes ventajas. Sin embargo, no hay que descuidar que así como ofrecen beneficios, presentan

limitaciones y requieren de ciertas recomendaciones para lograr un buen desempeño. Por ejemplo,

el estudio en Sudáfrica logra mostrar unos de los cuidados que se debe tener al construir este tipo

de sistemas. Este estudio indica que al agua lluvia que se recolecta no se le puede dar uso, sin

previamente realizar una caracterización de ésta; esto debido a que los techos que son la zona de

captación, disponen de muchas sustancias que la pueden contaminar. De igual forma este estudio

resalta la importancia de difundir a la comunidad, las directrices necesarias para la operación y

mantenimiento de sistemas domésticos de recolección de aguas lluvias. Para esto es recomendable

realizar un programa piloto de captación de aguas pluviales.

De igual forma, se puede ver a través de estos estudios y en especial lo concluye el de Sudáfrica,

que unas de las principales limitaciones de este sistema, es que la precipitación es poco fiable y el

agua captada puede contaminarse fácilmente. Por este motivo es necesario investigar la existencia

de otras fuentes que puedan ser desarrolladas cerca del sitio, para asegurar el suministro de agua.

Adicionalmente a la hora de diseñar el sistema de recolección, se debe tener en cuenta cómo

prevenir la cría de mosquitos y evitar o reducir la contaminación (Kahinda et al., 2007).

En cuanto a las fases incluidas en las metodologías usadas en las iniciativas descritas anteriormente,

se puede hacer mención de las siguientes:

Búsqueda de la participación de las comunidades por medio de visitas y capacitaciones.

Diseño de sistema de recolección de aguas lluvias y determinación de su capacidad.

Establecimiento del presupuesto requerido para la implementación.

Estimación de la precipitación media anual, la desviación de esta, y análisis de la zona de

captación.

Muestreo y análisis de la calidad del agua ofertada.

Con base en estas fases, se puede decir que aunque no todas las iniciativas las realizan todas, si hay

varias en común. Algunas iniciativas incluyen más fases que otras, pero lo que se puede ver es que

han tenido éxito aquellas que incluyen análisis de la calidad del agua y participación de la

comunidad.

2.2. Sistemas de recolección de aguas lluvias

Como se pudo evidenciar en los casos de aplicación, un sistema de recolección de aguas lluvias, es

una alternativa usada tanto a nivel nacional como nivel internacional para el suministro de agua en

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zonas rurales. Por esta razón, vale la pena ahondar en los elementos que conforman un sistema de

este tipo y la forma de diseñarlos.

2.2.1. Elementos del sistema de recolección de aguas lluvias y su diseño.

Un sistema de captación de aguas lluvias se compone por cinco elementos principalmente, que son

el área de captación, la recolección y conducción, el interceptor, el filtro y el almacenamiento

(UNATSABAR, 2001). A continuación se describe cada uno de estos elementos y se presenta una

alternativa de diseño para cada uno.

El área de captación: es el área del techo proyectado de forma horizontal el cual debe

presentar una pendiente que facilite el escurrimiento. Al llover hay pérdidas por causa

de la infiltración y evaporación, por lo que se debe tener en cuenta un coeficiente de

escurrimiento, el cual depende del material de techo y la pendiente de éste. Según

Mijares (1999), cuando la zona de captación son los techos, puede utilizarse un

coeficiente de 0,75. La manera de estimar el área de captación del agua lluvia, es

multiplicando el área del techo por el coeficiente de escurrimiento, de la forma que se

muestra a continuación. (UNATSABAR, 2001).

𝐴𝑐 = 𝐴𝑡 ∗ 𝑐

𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:

𝐴𝑐 → Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛

𝐴𝑡 → Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑒𝑐ℎ𝑜

𝑐 → 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑢𝑟𝑟𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜

La recolección y conducción: es constituido por canaletas unidas a los aleros del techo,

en donde se recolecta el agua que llega a éste. Estas canaletas se unen con tuberías que

conducen el agua al tanque interceptor y al de almacenamiento. El material de estas

canales debe ser liviano, de tal forma que faciliten la unión entre ellas mismas. La

tubería recomendada es de 2” para vivienda (Caballero, 2006).

Interceptor: es un tanque o recipiente que se ubica antes del de almacenamiento, para

recoger los materiales indeseables de las primeras lluvias y evitar que lleguen al filtro y

al tanque de almacenamiento. Cuando éste recipiente se llene, el agua será conducida

al filtro, y posteriormente al tanque de almacenamiento. . El interceptor puede ser de

plástico y debe tener una salida para que el agua recolectada por éste, se le pueda dar

uso. (Caballero, 2006)

Filtro: puede estar ubicado antes o después del tanque de almacenamiento. Existen

distintos tipos de materiales filtrantes entre los cuales se encuentran la arena, el carbón

activado y las membranas. En la Tabla 1 se muestran algunas ventajas y desventajas de

estos medios filtrantes. (Caballero, 2006)

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TABLA 1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LECHOS FILTRANTES

FILTRO VENTAJAS DESVENTAJAS

Filtro de arena (SEFILTRA, S.A.,

2013)

-Remueve sedimentos suspendidos. -No remueven material fino ni sustancias orgánicas. -Su operación y manejo es sencillo.

-Es un sistema económico.

Filtro de carbón activado (Reyes

Toriz, 2006)

-Remueve materia orgánica -No elimina sustancias disueltas.

-Remueve mal olor, sabor y color desagradable. -Requiere mantenimiento frecuente.

-Remueve plaguicidas y compuestos orgánicos volátiles.

-No garantiza remoción total de bacterias y virus.

-Reduce significativamente la cantidad de partículas en suspensión como óxidos o partículas de tierra, que también pueden dar sabor y, sobretodo, color o turbidez al agua.

-Generan residuos que no son de fácil disposición.

-Reduce la cantidad de metales como plomo, cadmio o hierro. También quedan retenidos en el filtro elementos como el mercurio, el cobre, y el manganeso.

Filtro de membrana (ProMinent, 2014)

-No requiere energía o químicos para el proceso de purificación.

-Maneja caudales bajos.

-Remueve microorganismos, protozoos y patógenos resistentes al cloro.

-Tecnología costosa.

-Se diferencian cuatro tipos de procesos en función del tamaño de las partículas/moléculas que deben eliminarse:

-Macrofiltración: partículas entre 0.1 μm. Partículas en suspensión, turbidez coloide, emulsiones de aceites.

-Ultrafiltración: partículas entre 0.1 μm y 0.01 μm. Macromoléculas, bacterias, células, virus, proteínas

-Nanofiltración: partículas entre 0.01 μm y 0.001 μm. Compuestos orgánicos de bajo peso molecular.

-Ósmosis Inversa: partículas menores a 0.001. Iones.

En cuanto al dimensionamiento del filtro, es necesario estimar el caudal que llega a éste y la

velocidad de paso. Una manera de estimar el caudal es utilizando el método racional, el cual se

calcula teniendo en cuenta la intensidad de lluvia, y el área de captación.

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𝑄 = 𝐼 ∗ 𝐴𝑐

Donde:

𝑄 → 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜

𝐼 → 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎


Según un informe de la Universidad Nacional de Colombia (s.f), para determinar la intensidad de la

lluvia, se realiza un análisis Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF) por medio del análisis de valores

máximos de precipitación obtenidas para una duración. Existen distintos tipos de serie, los cuales

se describen a continuación:

-Serie máximas anuales: está conformada por los valores máximos de precipitación

observados en cada uno de los años del registro. En las series máximas anuales no es

necesario separar la serie de registros continua en eventos o tormentas

estadísticamente independientes.

-Serie de duraciones parciales: conformada por los datos que sobrepasan un valor base

predefinido.

-Serie de excedencia anuales: el valor base, de la serie anterior, es seleccionado de tal

forma que el número de datos que conforman la serie sea igual al número de años de

registros.

Habiendo seleccionado la serie, se puede estimar la intensidad, ajustando los datos máximos de

lluvia a una distribución Gumbel, y así determinar las intensidades probables para una duración

particular. Esta distribución es muy utilizada en el campo de la hidrología estadística y se considera

la más apta para ajustar los valores extremos de distribuciones caracterizadas por tener colas

factibles de ser aproximadas a exponenciales (Maggio, s.f). Para determinar las intensidades

probables, se utiliza la ecuación de Chow presentada a continuación:

𝑥 = �̅� + 𝐾. 𝑆


𝑥 → 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑗𝑢𝑠𝑡𝑎𝑑𝑎

�̅� → 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜𝑠 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠

𝐾 → 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

𝑆 → 𝐷𝑒𝑠𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜𝑠 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠

El factor de frecuencia, depende del número de datos y el período de retorno. En la Tabla 2, se

presentan algunos valores para los factores de frecuencia.

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TABLA 2. FACTORES DE FRECUENCIA (MAGGIO, S.F)

Por otro lado, el RAS hace algunas recomendaciones para el diseño de filtros con arena y antracita

en cuanto a la altura del lecho filtrante y la velocidad de paso. Establece que los filtros pueden ser

de profundidad convencional de 0.6 m a 0.9 m o de capa profunda de más de 0.9 m de altura. De

igual forma recomienda para lechos de antracita sobre arena y profundidad estándar, una tasa

máxima de 300 m3/(m2.día) (MinDesarrollo, 2000).

Almacenamiento: consiste en un tanque donde se almacena el agua que pasa del filtro.

Existen distintos tipos de tanques, los cuales pueden clasificarse en función a su posición

con respecto al nivel del terreno: elevados, superficiales, semienterrados y enterrados o

cisternas (Caballero, 2006). Existen varios materiales de construcción para estos tanques

dentro de los cuales se encuentran el acero galvanizado, fibra de vidrio, plástico PVC,

concreto, ferrocemento y la mampostería. Adicionalmente este tanque debe contar con:

una tubería para la entrada del agua, un dispositivo para eliminar el agua de excedencias,

una tapa de acceso al interior para el mantenimiento, dispositivo para eliminar el agua

durante su limpieza (desagüe). En cuanto a la forma, los tanques pueden clasificarse en

cilíndricos, esféricos y cúbicos. Se recomienda el cilíndrico por su la facilidad de

construcción (Caballero, 2006).

Para estimar la capacidad del tanque que se debe construir, se debe considerar la oferta

de agua lluvia y la demanda de agua requerida. Se calcula la cantidad acumulada de agua

ofertada en cada uno de los meses del año y la acumulada de la demanda. De esta forma,

se saca la diferencia entre el agua disponible en cada mes y el agua requerida en cada uno

de los meses para determinar el volumen del tanque requerido para cada uno de los meses,

con la fórmula presentada a continuación, y el volumen de diseño será el máximo volumen

obtenido entre todos los meses (UNATSABAR, 2001).

𝑉𝑐 = 𝑃𝑐 − 𝐷𝑐

𝑉𝑐 → 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 𝑖

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𝑃𝑐 → 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 𝑖

𝐷𝑐 → 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 𝑖

Para la construcción de estos tanques, se puede seguir el procedimiento descrito por la Guía de

Diseño para Captación de Aguas Lluvia (UNATSABAR, 2001), ya que es ésta incluye todos los pasos

que se deben seguir para la implementación, desde la escogencia del sitio hasta la construcción de

la cubierta. De igual forma esta guía proporciona recomendaciones sobre los tamaños y

dimensiones de los materiales requeridos. Con base en esto, se puede decir que los pasos para la

construcción del tanque de almacenamiento se resumen en: escogencia del sitio; Limpieza, trazo y

excavación; armado de plantilla; armado de losa; construcción del cilindro; y finalmente

construcción de la cubierta.

2.3. Normas para la calidad de agua lluvia

2.3.1. Normas de calidad de agua potable

Para caracterizar el agua que se va a almacenar, es necesario compararla con una norma vigente de agua potable. La norma técnica colombiana 813 (NTC 813) establece cuáles son las condiciones que debe presentar el agua para que pueda ser consumida sin peligro. En la Tabla 3, se presenta lo estipulado por la norma con respecto a las características que debe presentar el agua. Adicionalmente, la Organización mundial de la salud, da algunas recomendaciones con respecto a los valores máximos permitidos, los cuales se muestran en la Tabla 4.

TABLA 3.PARÁMETROS DE CALIDAD DE AGUA POTABLE SEGÚN LA NORMA TÉCNICA COLOMBIANA (MINISTERIO DE

SALUD PÚBLICA, S.F)

REQUISITO VALOR

Color, expresado en unidades de la escala 15

Color y sabor inobjetable

Turbiedad, expresada en unidades nefelométricas 2

Sólidos totales 200

pH 6.5-9.0

SUSTANCIAS VALOR PERMITIDO EXPRESADAS COMO

Mínimo Máximo

Arsénico - 0,05 mg/L As

Aluminio - 0,2 mg/L Al

Bario - 1 mg/L Ba

Boro - 1 mg/L B

Cadmio - 0,005 mg/L Co

Cianuro - 0,1 mg/L Cn

Cinc - 5 mg/L Zn

Cloruros - 250 mg/L Cl

Cobre - 1 mg/L Cu

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Cromo Hexavalente - 0,05 mg/L Cr+6

Dureza Total 30 150 mg/L CaCO3

Fenoles - 0,001 mg/L Fenol

Hierro total - 0,3 mg/L Fe

Magnesio - 36 mg/L Mg

Manganeso - 0,1 mg/L Mn

Mercurio - 0,001 mg/L Hg

Nitratos - 45 mg/L NO3

Nitritos - 0,01 mg/L NO2

Plomo - 0,01 mg/L Po

Plata - 0,05 mg/L Ag

SAB - 0,5 mg/L SAB

Selenio - 0,01 mg/L Se

Sulfatos - 250 mg/L SO4

Grasas y Aceites - No mg/L

TABLA 4. RECOMENDACIONES DE CALIDAD DE AGUA POTABLE SEGÚN LA ORGANIZACIÓN MUNDIAL DE LA SALUD

(LENNTECH, 2014)

CALIDAD BIOLÓGICA Y MICROBIOLÓGICA

COMPONENTE VALOR PERMITIDO EXPRESADAS COMO

Coliformes fecales 0 NMP/100mL

Coliformes totales 0 NMP/100mL

DQO 2 Mf/L O2

COMPONENTES INORGÁNICOS


Arsénico 0,5 mg/L As

Cadmio 0,005 mg/L Co

Cianuro 0,1 mg/L Cn

Mercurio 0,001 mg/L Hg

Nitratos 10 mg/L NO3

Plomo 0,05 mg/L Po

Selenio 0,01 mg/L Se

CALIDAD ORGANOLÉPTICA


Hierro 0,3 mg/L Fe

Manganeso 0,1 mg/L Mn

pH 6,5-8,5 -

Sabor y color aceptable -

Turbiedad 5 NTU

SST 1000 -

15/61

2.3.2. Normas de calidad de agua para riego

Hay aguas que no son aptas para el consumo pero que pueden utilizarse para riego. Para evaluar

esto, se tendrá en cuenta los límites establecidos para Colombia por el Decreto 1594/84 (Ministerio

de Agricultura, 1984). A continuación, en la Tabla 5 se muestran estos estándares.

TABLA 5. RECOMENDACIONES DE CALIDAD DE AGUA PARA RIEGO DECRETO 1594/84 (MINISTERIO DE AGRICULTURA,

1984)

CALIDAD BIOLÓGICA Y MICROBIOLÓGICA


Coliformes fecales 1000 NMP/100mL

Coliformes totales 5000 NMP/100mL

OTROS COMPONENTES


Aluminio 5 mg/L Al

Arsénico 0,1 mg/L As

Berilio 0,1 mg/L BE

Cadmio 0,01 mg/L Co

Cinc 2 mg/L Zn

Cobalto 0,05 mg/L Co

Cobre 0,2 mg/L Cu

Cromo 0,1 mg/L Cr

Flúor 1 mg/L Fe

Hierro 5 mg/L Fe

Litio 2,5 mg/L Li


Molibdeno 0,01 mg/L Mo

Níquel 0,2 mg/L Ni

Mercurio 0,001 mg/L Hg

Nitratos 0,001 mg/L NO3

Plomo 5 mg/L Po

Selenio 0,02 mg/L Se

Vanadio 0,1 mg/L V

Boro 0,3 mg/L B

Hierro 5 mg/L Fe


pH. 6,5-8,5 -

SST 120 -

16/61

3. CASO DE ESTUDIO

3.1. Contexto

3.1.1. Granjas del Padre Luna

En el año 1931, el padre de origen campesino, Joaquín Luna Serrano inició un proyecto cuyo propósito era disponer lugares en los que se les brindara a niños víctimas de la violencia, un hogar, escuela y granja, capacitándolos en temas de agro para evitar la migración a las grandes ciudades. En 1936 se inauguraron las primeras granjas en Cundinamarca y Tolima, y fueron creciendo, llegando a ser más de 30 instalaciones y albergando a más de 45.000 niños (Enciso, 2005). Hoy en día a causa de un manejo ineficiente, sólo prevalecen dos granjas, entre la que se encuentra la de Guasca.

3.1.2. Guasca

Guasca es un municipio del Departamento de Cundinamarca ubicado en la provincia del Guavio,

cuenta con un área de 38.232 Ha y para el 2013 una población de 12208 habitantes (Guasca,

Cundinamarca, 2013). Limita al norte con el Municipio de Guatavita, al sur con los Municipios de La

Calera y Fómeque, al Oriente con el Municipio de Junín y al occidente con el Municipio de Sopó. La

población está distribuida en 15 veredas y en el territorio del casco urbano, en una proporción 30%

urbano y 70% rural. La Granja del Padre Luna está ubicada en la Vereda Santuario, la cual representa

el 3% de la población de Guasca.

Con una temperatura promedio de 16°C y una precipitación media anual oscilante entre 600 y 200

mms, el aspecto productivo de Guasca se divide principalmente en los siguientes subsectores:

cultivos de papa, empresas floricultoras, empresas hortofrutícolas, granjas avícolas, porcicultura, y

ganadería doble propósito (CORPOGUAVIO, 2012).

3.2. Descripción de la situación actual del caso de estudio

El caso de estudio es La Granja del Padre Luna ubicada en el municipio de Guasca, en la región del Guavio. Esta granja actualmente cuenta con un terreno de 26 fanegadas, aproximadamente 8 están siendo ocupadas para albergar a los 20 niños que viven en ella y 4 se utilizan para la producción de leche. Desde su fundación, la granja ha tenido la característica de ser un internado, hoy solo recibe personal masculino con problemas en el hogar. Esta granja se encuentra bajo el comodato de la empresa Siemens, la cual pretende que se inicie el desarrollo de un nuevo enfoque para ésta, logrando que deje de ser un internado y se concentre en proporcionarles a los jóvenes de la región, espacios donde tengan herramientas para trabajar en su desarrollo personal e intelectual. De igual forma, busca disminuir la dependencia que tiene la granja de las donaciones de la Fundación Siemens, disminuyendo los gastos a través del aprovechamiento de los recursos con los que ésta cuenta y como se propuso en la tesis “Propuesta de autosostenibilidad de la Granja del Padre Luna a partir de un portafolio de proyectos para el aumento de ingresos, la innovación y el aprendizaje”,

17/61

por medio del reúso del agua lluvia. (Vargas y Flórez, 2013). Para lograr los objetivos propuestos por Siemens, se encuentran involucrados distintos actores, cada uno con un interés particular. En la Tabla 6, presentada a continuación, se describe cada uno de los actores.

TABLA 6. DESCRIPCIONES DE LOS ACTORES DENTRO DE LA GRANJA PADRE LUNA DE GUASCA (VARGAS Y FLÓREZ, 2013)

En cuanto a los recursos de la granja, ésta cuenta con un pozo profundo de 95 m de profundidad, el que, de acuerdo al análisis de un muestreo de aguas realizado el 8 de abril de 2013 por la Universidad de los Andes (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.) (Vargas & Flórez, 013), cuenta con la presencia de altos niveles de algunos metales, minerales y coliformes, indicando la no potabilidad del agua. Adicionalmente la granja cuenta con sistema de canaletas para la recolección de aguas lluvias que llega a unas cajas subterráneas conectadas entre sí. El agua que llega a estas cajas, por defecto de tuberías, se queda almacenada de forma subterránea y no está siendo aprovechada. De igual forma, se desconoce la ruta que sigue el agua y hay unas cajas a donde

•Descripción: empresa que tiene en comodato la Granja y seencarga del sostenimiento de ésta como parte de suprograma de responsabilidad corporativa.

Siemens

•Descripción: fundación respaldada por Siemens que seencargada de realizar proyectos de responsabilidadcorporativa. Le proporciona a la Granja donaciones quecorresponden al 80% de los ingresos que tiene ésta.

Fundación Siemens

•Descripción: es la propietaria del terreno en donde seencuentra la Granja del Padre Luna de Guasca.

Diócesis de Facatativá

•Descripción: encargados de administrar la granja y deconvivir con los niños.Administradores

•Descripción: organización encargada de proponer proyectosinnovadores y de alto impacto, relacionados con actividadesrurales y pensadas desde la ingeniería, para fomentar eldesarrollo de la comunidad y el aprendizaje de los jóvenes.

Ingenieros Sin Fronteras

•Descripción: persona encargada de brindar acompañamiento,guía y cosejo a los niños durante su proceso en la granja.

Psicóloga de la Granja

•Descripción: encargado del cuidado de las vacas, de laactividad de ordeño, preparación y entrega de la leche a losclientes. También se encarga de realizar otros trabajosmanuales y de agro que se requieran en la granja.

Trabajador de la Granja

18/61

nunca llega ésta (Anexo 2). Adicionalmente, la Granja cuenta con dos tanques, cada uno de 2000 litros, que no están teniendo ningún uso.

Siemens tiene como interés, realizar el mantenimiento de los canales del sistema de recolección de aguas, que ya se encuentra instalado en la granja, para poder hacer uso de éste. De igual forma está dispuesta a invertir en la granja, a portando equipos como el filtro SkyHydrant, para el proceso de potabilización del agua (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.3), el cual es un filtro de ltrafiltración (Capítulo 2.2.1).

19/61

4. METODOLOGÍA

Para cumplir con los objetivos plantados en el Capítulo 1, como primer paso se identificó la oferta

de agua y se determinó la precipitación media para estimar la cantidad de agua ofertada. De igual

forma, se caracterizó la calidad de esta agua. Después de esto, se determinó la demanda,

discriminando el uso del agua de forma conjunta con algunos habitantes. Seguido a esto, se

prosiguió con el diseño del sistema de recolección de aguas lluvias. En este caso, primero se estimó

la capacidad que debía tener el tanque de almacenamiento y después se calculó el presupuesto

necesario para su implementación. A continuación se resume este procedimiento por medio de un

diagrama de flujo (Figura 1).

FIGURA 1. METODOLOGÍA DE DISEÑO

4.1. Determinación de la oferta de agua lluvia

4.1.1. Cantidad de agua ofertada

20/61

Para determinar la precipitación promedio mensual, se tuvo en cuenta las precipitaciones

reportadas por la estación 2120080 San José (CAR, 2012). Se tuvo en cuenta dicha información,

debido que de la red de estaciones hidrometeorológicas existentes en Cundinamarca, San José es la

que está ubicada en Gusca y por ende es la más cercana a la Granja. Se compararon los resultados

de los promedios mensuales de las precipitaciones diarias desde el año 1960, con los promedios

mensuales de los últimos 20 años (1993-2012). Como se vio que la diferencias entre estos promedios

no era muy grande, se decidió trabajar con los datos de los últimos 20 años, que en casi todas los

meses es mayor que el promedio registrado para los últimos 53 años. Esto debido a que se va a

preferir sobreestimar la precipitación que subestimarla. Para determinar la precipitación promedio

mensual, se siguieron las recomendaciones de la Unidad de Apoyo Técnico en Saneamiento Básico

Rural .A continuación se muestra la fórmula utilizada (UNATSABAR, 2001).

𝑃𝑝𝑖=

∑ 𝑝𝑖𝑖=𝑛𝑖=1

𝑛


𝑛: 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑎ñ𝑜𝑠 𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑑𝑜𝑠

𝑝𝑖: 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 i [𝑚𝑚] (Anexo 4)

𝑃𝑝𝑖: 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 𝑖 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑜𝑠 𝑙𝑜𝑠 𝑎ñ𝑜𝑠 [𝑚𝑚]

Habiendo calculado la precipitación mensual, se procedió a hallar la precipitación captada por el

techo, multiplicando esta precipitación por el área de captación que se encontró de la forma

propuesta en el capítulo 2.2.1. De tal forma, la precipitación promedio captada cada mes se calculó

de la siguiente manera:

𝑃𝑐 = 𝑃𝑝𝑖∗ 𝐴𝑐


𝑃𝑐 → 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑑𝑎

𝑃𝑝𝑖→ 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 𝑖 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑜𝑠 𝑙𝑜𝑠 𝑎ñ𝑜𝑠 [𝑚𝑚]


4.1.2. Calidad del agua ofertada

Para determinar la calidad del agua lluvia, se realizaron tres muestreos de ésta, durante los meses

de octubre y noviembre, en un mismo sitio después de que escurre por el techo de una de las casas

21/61

de la granja (Anexo 5), suponiendo que la calidad de agua captada por los dos techos es de la misma

calidad. Estas muestras fueron tomadas por los niños mayores de la Granja, bajo la supervisión de

la psicóloga y el trabajador de la Granja. Al momento de tomar las muestras midieron el pH, para lo

cual se les hizo un taller previamente, donde se les enseñó a usar el pHmetro y donde se buscó

aumentar la capacidad administrativa y técnica de los habitantes (Anexo 6). Las muestran fueron

llevadas al laboratorio de Ingeniería Ambiental de la Universidad de los Andes para caracterizar en

éstas los parámetros recomendados por la Coordinadora Administrativa del Laboratorio de

Ingeniería ambiental, Edna Lorena Delgado Hurtado, los cuales fueron : coliformes totales,

coliformes fecales, color real, sólidos suspendidos, DQO (sólo en la tercera muestra), arsénico,

cadmio, cobre, cromo total, plomo y mercurio. Estos resultados se compararon con el valor más

estricto para agua potable entre la norma técnica Colombiana y los recomendados por la

Organización Mundial de la Salud, y con los valores de calidad para riego presentados por el Decreto

1594.

4.2. Determinación de la demanda de agua lluvia en el caso de estudio

Para determinar la demanda de agua, se tuvo en cuenta que en la granja se le da varios usos a la

proveniente del acueducto, de tal forma que hay dotación de agua por parte de los niños y personal

de la granja, y dotación por parte del ganado del cual se saca la leche.

Dotación de agua por parte de los niños y personal de la granja:

Para el cálculo de esta dotación, se usaron los datos del consumo máximo promedio diario de un

colombiano (Ángel, s.f). Esto se hizo de esta manera ya que en la granja no se lleva un control exacto

de estos consumos, pero si unos valores aproximados que son menores a éstos, por lo que se buscó

sobreestimar la demanda. El cálculo de la dotación de las personas, se hizo siguiendo lo propuesto

por la Unidad de Apoyo Técnico en Saneamiento Básico Rural .A continuación se presenta la formula

utilizada (UNATSABAR, 2001).

𝐷𝑝𝑖 =𝑁𝑢𝑝 ∗ 𝑁𝑑 ∗ 𝐷𝑜𝑡𝑝

1000


𝑁𝑢𝑝 → 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑠

𝑁𝑑 → 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑í𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠

𝐷𝑜𝑡𝑝 → 𝑑𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎 [𝑙𝑡

𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎 ∗ 𝑑í𝑎]

𝐷𝑝𝑖. → 𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎[𝑚3]

22/61

Dotación de agua por parte de las vacas de la granja:

Para el cálculo de esta dotación, se usaron los datos aportados por el trabajador de la granja en

cuanto a la de demanda de agua por vaca. La fórmula que se utilizó fue la misma utilizada

anteriormente para la dotación de personas.

𝐷𝑣𝑖 =𝑁𝑢𝑣 ∗ 𝑁𝑑 ∗ 𝐷𝑜𝑡𝑣

1000


𝑁𝑢𝑣 → 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑐𝑎𝑠

𝑁𝑑 → 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑í𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠

𝐷𝑜𝑡𝑣 → 𝑑𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑐𝑎 [𝑙𝑡

𝑣𝑎𝑐𝑎 ∗ 𝑑í𝑎]

𝐷𝑣𝑖 → 𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙𝑝𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑐𝑎[𝑚3]

Luego del cálculo de las dotaciones, se estimaron loa porcentajes del uso que se le da al agua

teniendo cuenta la información obtenida por algunos recibos del acueducto (Anexo 7) y la

suministrada por un trabajador de la Granja y la psicóloga que se encuentra administrando ésta.

4.3. Diseño del sistema de recolección de agua lluvia

Después de haber hallado la cantidad de agua ofertada y la demandada en la Granja del Padre, se

comenzó con el diseño del sistema de aguas lluvias para ésta. Como se vio en el capítulo 2.2.1, un

sistema de captación de aguas lluvias se compone por cinco elementos principalmente, que son el

área de captación, la recolección y conducción, el interceptor, el filtro y el almacenamiento. En el

capítulo 3.1, se mencionó que la granja cuenta con el área de captación que son los techos de dos

casas, con las canaletas de recolección. Por tal motivo se diseñaron los sistemas de conducción,

intercepción, filtración y almacenamiento.

Como interceptores, se determinó que se podían utilizar algunos de los tanques con los que cuenta

la granja y que no están siendo utilizados. En cuanto a los filtros, su capacidad se diseñó a partir de

la capacidad de uno de los filtros, se hizo a partir de la intensidad de lluvia. Para el cálculo de esta

intensidad, se siguió el procedimiento expuesto por Caballero (2006), el cual fue explicado en el

capítulo 2.2.1. Se utilizó una serie conformada por los valores máximos de precipitación observados

en cada uno de los años del registro. Se escogió este tipo de serie porque como se dijo

anteriormente, en ésta no es necesario separar la serie de registros continua en eventos o

tormentas estadísticamente independientes. Para el dimensionamiento, se utilizaron los datos de

los últimos 20 años, y se calculó la intensidad para dos periodos de retorno, uno de 5 años y otro de

23/61

20 años. Para esta estimación, se ajustaron los datos a una distribución Gumbel, ya que como se

está tratando con intensidades máximas, es de esperarse que la distribución de Gumbel se ajuste

adecuadamente. Después de calcular la intensidad de lluvia, se estimó el caudal considerando el

área de captación calculada previamente. Con el caudal, la velocidad y la altura del medio filtrante

recomendadas por el RAS (capítulo 2.2.1), se calculó el área y la altura del filtro.

En cuanto al diseño del tanque, el material y la forma del tanque, se decidieron con base al volumen

que debía almacenar el mismo. En relación al tipo de tanque según posición con respecto al nivel

del terreno, como se vio en el capítulo 2.2.1, existen tanques elevados, superficiales,

semienterrados y enterrados o cisternas. Para este caso de estudio se evaluó dos alternativas, el

enterrado y el superficial. Para evaluar estas alternativas, se utilizó la metodología del Proceso

Analítico Jerárquico (PAJ). Esta metodología es un modelo multicriterio que permite la

descomposición de un problema en una jerarquía y tiene en cuenta tanto los aspectos cualitativos

como cuantitativos de éste. La comparación de alternativas y criterios de decisión se realiza por

medio de una opinión que se extrae a través de comparaciones entre pares a partir de la asignación

de pesos. Las alternativas que son eficientes con respecto a uno o más objetivos pueden

compensarse mediante su desempeño con respecto a otros objetivos. Los pesos entre aspectos

(criterios) se pueden asignar de acuerdo a la escala propuesta por Thomas Saaty (Castillo, 2008) que

se muestra en la Tabla 7. El desempeño de las Alternativas con respecto a los aspectos (criterios),

se pueden asignar a través de la escala propuesta por Thomas Saaty que se muestra en la Tabla 8.

TABLA 7. ESCALA DE VALORES DE THOMAS SAATY PARA COMPARACIÓN DE CRITERIOS (CASTILLO, 2008)

TABLA 8. ESCALA DE VALOR DE THOMAS SAATY PARA COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS (CASTILLO, 2008)

ESCALA VALOR INTERPRETACIÓN

9 A es extremadamente mejor que B

7 A es marcadamente mejor que B

5 A es mejor que B

3 A es ligeramente mejor B

1 A es igual que B

1/3. B es ligeramente mejor que A

1/5. B es mejor A

ESCALA VALOR INTERPRETACIÓN

9 A es extremadamente más importante que B

7 A es marcadamente más importante que B

5 A es más importante que B

3 A es ligeramente más importante que B

1 A es igual de importante que B

1/3. B es ligeramente más importante que A

1/5. B es más importante que A

1/7. B es marcadamente más importante que A

1/9. B es extremadamente más importante que A

24/61

1/7. B es marcadamente mejor que A

1/9. B es extremadamente mejor que A

Con base en esta metodología, se establecieron tres jerarquías de decisión que fueron: riesgo, costo

y beneficios. Dentro de cada jerarquía, se tuvieron en cuenta distintos criterios, los cuales se

describen a continuación:

Jerarquía de Beneficios:

-Espacio ocupado: Hace referencia a la cantidad de espacio que ocupa el tanque de

almacenamiento.

-Porcentaje Captación: Hace referencia a la cantidad de agua lluvia que logra captar el

tanque.

-Uniformidad Temperatura: Hace referencia a qué tan bueno es el tanque para lograr que

la temperatura sea siempre uniforme.

-Facilidad de limpieza: Hace referencia a la facilidad que tiene el tanque para ser limpiado.

Jerarquía de Costo:

-Construcción: Indica el costo de construcción del tanque.

-Mantenimiento: Indica el costo de mantenimiento del tanque.

-Operación: indica el costo de operación del tanque.

Jerarquía de Riesgo:

-Danios por agentes externos: Hace referencia a qué tan propenso es el tanque a daños

por agentes externos.

-Contaminación de agua almacenada: Hace referencia a qué tan propenso es el tanque

a que el agua contenida se contamine.

-Efectos de interperir: Hace referencia a qué tan propenso el tanque a que se dañe por

la interperie.

-Estabilidad: Hace referencia a qué tan propenso es el tanque a perder estabilidad

-Presión del terreno lateral: Hace referencia a qué tan propenso es el tanque a que se

agriete por presión del terreno alateral.

-Presión del agua: Hace referencia a qué tan propenso es el tanque a que se agriete

por presión del agua.

Para asignar los pesos de los criterios dentro de cada jerarquía, se tuvo en cuenta una comparación

entre tipos de tanques con respecto a los criterios mencionados anteriormente. Esta comparación

fue realizada por la Unidad de Apoyo Técnico en Saneamiento Básico Rural (UNATSABAR, 2001). A

continuación de la Tabla 9 a la Tabla 24, se muestran las matrices de cada jerarquía con los pesos

respectivos que se tuvieron en cuenta en el software Expert Choice, para evaluar los pesos de cada

25/61

alternativa. Se debe tener en cuenta que los pesos en negro, le otorgan el peso al aspecto de la

columna y los rojos a los de la fila. Teniendo en cuenta que los beneficios y los riesgos tenían para

los actores de decisión mayor importancia que los costos, para calcular el desempeño global, se le

asignó a los beneficios un peso de 40%(𝑊𝐵), a los riesgos de 40% (𝑊𝑅) y a los costos de 20% (𝑊𝐶).

Beneficios:

TABLA 9. MATRIZ DE COMPARACIÓN DE LOS CRITERIOS DE LA JERARQUÍA: BENEFICIOS

TABLA 10. MATRIZ DE COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS CON RESPECTO AL CRITERIO: ESPACIO OCUPADO

TABLA 11. MATRIZ DE COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS CON RESPECTO AL CRITERIO: PORCENTAJE DE CAPTACIÓN

TABLA 12. MATRIZ DE COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS CON RESPECTO AL CRITERIO: UNIFORMIDAD TEMPERATURA

TABLA 13. MATRIZ DE COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS CON RESPECTO AL CRITERIO: FACILIDAD LIMPIEZA

Costos:

TABLA 14.MATRIZ DE COMPARACIÓN DE LOS CRITERIOS DE LA JERARQUÍA: COSTOS

TABLA 15. MATRIZ DE COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS CON RESPECTO AL CRITERIO: CONSTRUCCIÓN

26/61

TABLA 16.MATRIZ DE COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS CON RESPETO AL CRITERIO: MANTENIMIENTO

TABLA 17. MATRIZ DE COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS CON RESPECTO AL CRITERIO: OPERACIÓN

Riesgos:

TABLA 18. MATRIZ DE COMPARACIÓN DE LOS CRITERIOS DE LA JERARQUÍA: RIESGOS

TABLA 19. MATRIZ DE COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS CON RESPECTO AL CRITERIO: DANIOS POR AGENTES EXTERNOS

TABLA 20. MATRIZ DE COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS CON RESPECTO AL CRITERIO: CONTAMINACIÓN DE AGUA

ALMACENADA

TABLA 21. MATRIZ DE COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS CON RESPECTO AL CRITERIO: EFECTOS DE INTERPERIE

TABLA 22. MATRIZ DE COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS CON RESPECTO AL CRITERIO: ESTABILIDAD

TABLA 23.MATRIZ DE COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS CON RESPECTO AL CRITERIO: PRESIÓN DE TERRENO LATERAL

27/61

TABLA 24. MATRIZ DE COMPARACIÓN DE ALTERNATIVAS CON RESPECTO AL CRITERIO: PRESIÓN DEL AGUA

En cuanto al dimensionamiento del tanque, se utilizó la metodología presentada por la Unidad de

Apoyo Técnico en Saneamiento Básico Rural, la cual se expuso en el capítulo 2.2.1. Se calculó la

cantidad acumulada de agua ofertada en cada uno de los meses del año y la acumulada de la

demanda. De esta forma, se calculó la diferencia entre el agua disponible y la requerida en cada mes

para determinar el volumen del tanque requerido en cada uno de los meses. Se consideró como

volumen de diseño un volumen un poco mayor al máximo valor encontrado para los meses, para

contar con un factor de error en caso de que en algún momento aumenten las precipitaciones

considerablemente, o por si se subestimó la cantidad de agua captada . Este factor de error se

estableció como aproximadamente 8% para redondear el volumen de diseño a la décima mayor más

cercana. Con base en este volumen, se calcularon las dimensiones del tanque.

28/61

5. RESULTADOS

5.1. Oferta de agua lluvia en el caso de estudio

5.1.1. Cantidad del agua ofertada

Teniendo en cuenta la precipitación de los últimos 20 años, se muestra a continuación la oferta de

lluvia promedio para el municipio de Guasca.

𝑃𝑝𝑖=

∑ 𝑝𝑖𝑖=𝑛𝑖=1

𝑛

1488,5𝑚𝑚

20= 74,4 𝑚𝑚

El área de captación con la que se cuenta en la granja, se presenta a continuación. Para su cálculo,

se consideró un coeficiente de escorrentía de 0,75 según lo recomendado por Mijares (1999)

(capítulo 2.2.1), y un área de éste de 1330 𝑚2, que es el área total aproximada de los dos techos de

la granja.

𝐴𝑐 = 0,75 ∗ 1330𝑚2 = 997,5𝑚2

Teniendo en cuenta el área de captación, a continuación en la Tabla 25, se muestran los resultados

obtenidos para la precipitación promedio captada cada mes.

TABLA 25. PRECIPITACIÓN PROMEDIO POR MES

MES PRECIPITACIÓN [mm] ABASTECIMIENTO

[m^3/mes]

PARCIAL ACUMULADO

Mayo 110,6 110,3 107,2

Junio 107,5 107,2 213,8

Julio 106,9 106,6 297,9

Agosto 84,3 84,1 370,4

Septiembre 72,6 72,4 453,9

Octubre 83,7 83,5 527,8

Noviembre 74,1 73,9 571,8

Diciembre 44,1 43,9 606,9

Enero 35,2 35,1 651,7

29/61

Febrero 44,9 44,8 711,7

Marzo 60,2 60,0 796,4

Abril 84,9 84,7 906,7

5.1.2. Calidad del agua ofertada

Los resultados de las tres caracterizaciones hechas por el laboratorio de Ingeniería Ambiental de la

Universidad de los Andes, se muestran en la Tabla 26. Los valores que se encuentran entre comillas

(“…”) son aquellos resultados que están entre el límite de detección y el límite de cuantificación.

Los valores que se encuentran acompañados de un signo menos (“<”) son aquellos que

seencuentran por debajo del límite de detección.

TABLA 26. RESULTADOS DE CARACTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS DE AGUA LLUVIA DE LA GRANJA DEL PADRE LUNA DE

GUASCA

PARÁMETRO RESULTADO UNIDADES

MUESTRA 1 MUESTRA 2 MUESTRA 3

Color real 15 5 7 Uu Pt/Co

Coliformes fecales 15 <3 <3 NMP/100mL

Coliformes totales 230 <3 150 NMP/100mL

SST "3,3" 8,3 <1,6 mg/L-SST

Arsénico <0,021 <0,021 <0,021 mg/L-As

Cadmio <0,006 <0,006 <0,006 mg/L-Cd

Cobre "0,015" 0,01 <0,010 mg/L-Cu

Cromo total <0,032 <0,032 <0,032 mg/L-Cr

Níquel <0,006 <0,006 - mg/L-Ni

Plomo 0,111 <0,006 <0,006 mg/L-Pb

Mercurio <0,003 <0,003 <0,003 mg/L-Hg

Turbiedad 17,4 16,7 1,12 NTU

.pH 6,51 7,81 7,9 -

Temperatura 12,9 12,2 12,4 °C

DQO - - 39,8 mg/L-O2

5.2. Demanda de agua lluvia en el caso de estudio

A continuación se presentan los resultados calculados para la dotación de agua por parte de las

personas de la granja y las vacas.

30/61

Dotación de agua por parte de los niños y personal de la granja:

TABLA 27. DOTACIÓN DE AGUA POR PARTE DE LAS PERSONAS DE LA GRANJA DEL PADRE LUNA DE GUASCA

DOTACIÓN PERSONAS NÚMERO DE PERSONAS

USO DOTACIÓN[Lts por persona/día]

23

Lavado de ropas 45,9

Sanitario 35,6

Ducha 35,9

Lavado e Platos 27,9

Aseo Vivienda 3,4

Consumo propio 6,0

Lavado manos 6,0 Dotación total [m^3/día]

Total 160,7 3,7

𝐷𝑝𝑖 =23 𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑠 ∗ 30𝑑í𝑎𝑠 ∗

160,72𝑙𝑡𝑠𝑠𝑒𝑔. 𝑑í𝑎

1000 𝑙𝑡𝑠= 110,897

𝑚3

𝑚𝑒𝑠

Dotación de agua por parte de las vacas:

TABLA 28. DOTACIÓN DE AGUA POR PARTE DEL GANADO DE LA GRANJA DEL PADRE LUNA DE GUASCA

DOTACIÓN ANIMALES NÚMERO DE ANIMALES

USO DOTACIÓN[Lts/día por vaca]

9

Dotación total [m^3/día]

Consumo 100,0 0,9

𝐷𝑣𝑖 =9𝑣𝑎𝑐𝑎𝑠 ∗ 30𝑑í𝑎𝑠 ∗

100𝑙𝑡𝑠𝑑í𝑎

1000𝑙𝑡𝑠= 27

𝑚3

𝑚𝑒𝑠

Con lo anterior, se podría estimar que la dotación total de agua es de aproximadamente 138 𝑚3

𝑚𝑒𝑠.

Comparando esta dotación, con el valor promedio de 280.000 𝑚3

𝑚𝑒𝑠 , reportado mensualmente por

el recibo de acueducto, se obtienen los resultados presentados en la Figura 2.

31/61

FIGURA 2. PORCENTAJES USO DEL AGUA DE ACUEDUCTO EN LA GRANJA DEL PADRE LUNA DE GUASCA

Con base en la Figura 2, dentro del 50% que incluye otros usos, se puede incluir el gasto de agua

para el lavado de utensilios de trabajo, pero no se tiene certeza de la ruta que sigue el otro 50% del

agua que se paga por acueducto. Adicional al anterior porcentaje de agua, se puede ver que otro

uso significativo del agua es el atribuido al consumo de agua por parte del ganado, el cual es de 10%,

es decir aproximadamente 28 𝑚3

𝑚𝑒𝑠.


5.3.1. Diseño de los interceptores

Como interceptores se decidieron utilizar los dos tanques de 2000 litros con los que cuenta la granja;

uno para cada casa. A cada tanque llegarían todos los tubos conductores acoplados a las canaletas

de una casa. Para que estos queden a una altura considerable del techo y por encima del tanque de

almacenamiento de agua, tendrían que ubicarse sobre una base de concreto. Se estipuló que esta

agua se aprovecharía en otros usos.

11%

9%

9%

7%

1%

1%2%10%

50%

Lavado de ropas

Sanitario

Ducha

Lavado e Platos

Aseo Vivienda

Consumo propio

Lavado manos

Animales

Otros

32/61

5.3.2. Diseño de los filtros

Los resultados de la intensidad de lluvia para determinar la capacidad que deben tener los filtros, se

presentan en la Tabla 29.

TABLA 29. INTENSIDAD DE LLUVIA EN GUASCA PARA LOS AÑOS ENTRE 1993 Y 2012

AÑO PRECIPITACIÓN

DIARIA[mm/día] HORARIA[mm/hora]

1993 23,6 1,0

1994 25,0 1,0

1995 31,0 1,3

1996 28,0 1,2

1997 24,8 1,0

1998 36,6 1,5

1999 40,8 1,7

2000 22,5 0,9

2001 33,8 1,4

2002 98,0 4,1

2003 33,4 1,4

2004 37,0 1,5

2005 44,5 1,8

2006 31,0 1,3

2007 31,5 1,3

2008 51,7 2,1

2009 25,1 1,0

2010 26,8 1,1

2011 36,6 1,5

2012 35,1 1,5

Promedio 35,8 1,5

Desviación Estándar 16,4 0,7

Los resultados de intensidad de lluvia ajustando los datos a una distribución Gumbel para un período

de retorno de 5 años y de 20 años, el cálculo del caudal y el área para cada una de estas intensidades,

se presentan a continuación.

33/61

Período de retorno de 5 años:

𝑥 = �̅� + 𝐾 ∗ 𝑆

𝑥 = 1,493𝑚𝑚

ℎ𝑟+ 0,919 ∗ 0,684

𝑚𝑚

ℎ𝑟= 2,122

𝑚𝑚

ℎ𝑟→ 5,894 ∗ 10−7

𝑚

𝑠

𝑄 = 5,894 ∗ 10−7 𝑚

𝑠∗ 997,5𝑚2 = 5,879 ∗ 10−4

𝑚3

𝑠

Á𝑟𝑒𝑎 𝐹𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 5 =5,879 ∗ 10−4

𝑚3

𝑠

300𝑚3

𝑚2. 𝑑í𝑎

= 0,169𝑚2

Período de retorno de 20 años:

𝑥 = �̅� + 𝐾 ∗ 𝑆

𝑥 = 1,493𝑚𝑚

ℎ𝑟+ 2,302 ∗ 0,684

𝑚𝑚

ℎ𝑟= 3,068

𝑚𝑚

ℎ𝑟→ 8,522 ∗ 10−7

𝑚

𝑠

𝑄 = 8,522 ∗ 10−7 𝑚

𝑠∗ 997,5𝑚2 = 8,500 ∗ 10−4

𝑚3

𝑠

Á𝑟𝑒𝑎 𝐹𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 20 =8,500 ∗ 10−4

𝑚3

𝑠

300𝑚3

𝑚2. 𝑑í𝑎

= 0,245𝑚2

5.3.3. Diseño de tanque para almacenamiento de agua lluvia

Los resultados de la diferencia entre el agua disponible en cada mes y el agua requerida en cada uno

de los meses para determinar el volumen del tanque requerido para cada uno de los meses, se

muestran a continuación en la Tabla 30.

TABLA 30. RESULTADOS DE LA DIFERENCIA PARCIAL Y ACUMULADA ENTRE AGUA OFERTADA Y DEMANDA

MES DIFERENCIA [m^3/mes]

PARCIAL ACUMULADA

Mayo -30,8 -30,8

Junio -62,2 -92,9

Julio -116,0 -208,9

Agosto -181,6 -390,6

Septiembre -236,1 -626,6

Octubre -300,1 -926,8

Noviembre -394,2 -1320,9

Diciembre -497,1 -1818,1

34/61

Enero -590,3 -2408,4

Febrero -668,3 -3076,7

Marzo -721,6 -3798,3

Abril -749,3 -4547,6

Como las diferecias entre el volumen acumulado de precipitación ofertada y la demanda acumulada

fue negativa para todos los meses, el volumen de diseño será aquel que logre captar la precipitación

del mes más lluvioso. Teniendo en cuenta que el valor máximo de lluvia mensual estimado fue

110.580 𝑚𝑚, se propuso que el tanque de almacenamiento tuviera una capacidad de 120 𝑚3,

considerando un margen de aproximadamente 8%. Dado este volumen, se pensó en un material de

construcción recistente como el ferrocemento. Adicionalmente, para mayor facilidad, se puede

construir un tanque de forma circular. A continuación se muestran los cálculos para la dimensión

del tanque.

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 = 𝜋𝑟2ℎ

Teniendo en cuenta que lo recomendado por Caballero (2006) (capítulo 2.2.1), es que la altura del

tanque sea de 2.3 metros, el radio del tanque se estimó a partir del siguiente cálculo:

𝑟 = √𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛

𝜋ℎ= √

120 𝑚3

𝜋 ∗ 2,3= 4,075𝑚

𝑑 = 𝑟 ∗ 2 = 4,075𝑚 ∗ 2 = 8,150𝑚

Á𝑟𝑒𝑎 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛

ℎ=

120 𝑚3

2,3𝑚= 52,174𝑚2

𝑃𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 2𝜋𝑟 = 2 ∗ 𝜋 ∗ 4,075𝑚 = 25,605𝑚

Con respecto al tipo de tanque según su ubicación, a continuación se muestran los gráficos ( Figuras

3, 4 y 5) con los resultados obtenidos a partir de la metodología PAJ y el software ExpertChoice.

-

FIGURA 3. PESOS DE LAS ALTERNATIVAS SEGÚN LA JERARQUÍA DE BENEFICIOS

35/61

FIGURA 4. PESOS DE LAS ALTERNATIVAS SEGÚN LA JERARQUÍA DE COSTOS

FIGURA 5. PESOS DE LAS ALTERNATIVAS SEGÚN LA JERARQUÍA DE RIESGOS

A partir de los resultados presentados en las Figuras 3, 4 y 5, se puede decir que tanto en beneficios,

como en costos y riesgo, la alternativa de un tanque enterrado tiene mayor peso. Por tan motivo es

necesario calcular un desempeño global, ponderando los pesos, teniendo en cuenta que los

beneficios y los riesgos tienen una mayor importancia que los costos. Para hacer esta ponderación,

es necesario primero normalizar los pesos de cada alternativa teniendo en cuenta el mayor peso de

cada alternativa. A continuación se presentan los resultados de dicha ponderación.

Normalización de pesos por jerarquía:

-Beneficios: como el mayor peso para beneficios lo tuvo la alternativa del tanque enterrado, se

divide el peso de cada alternativa, sobre el peso de ésta.

𝑆𝐵 =𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙

𝐸𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜=

0,166

0,834= 0,199

𝐸𝐵 =𝐸𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜


0,834

0,834= 1

-Costos: como el mayor peso para beneficios lo tuvo la alternativa del tanque enterrado, se divide

el peso de cada alternativa, sobre el peso de ésta.

𝑆𝐶 =𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙


0,143

0,857= 0,167

36/61

𝐸𝐶 =𝐸𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜


0,167

0,857= 1

-Costos: como el mayor peso para beneficios lo tuvo la alternativa del tanque enterrado, se divide

el peso de cada alternativa, sobre el peso de ésta.

𝑆𝑅 =𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙


0,273

0,727= 0,375

𝐸𝑅 =𝐸𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜


0,727

0,727= 1

Cálculo del desempeño global:

-Alternativa 1: Tanque superficial

𝐷𝑒𝑠𝑒𝑚𝑝𝑒ñ𝑜𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙𝑆 = 𝑊𝐵 ∗ 𝑆𝐵 − 𝑊𝐶 ∗ 𝑆𝐶 − 𝑊𝑅 ∗ 𝑆𝑅

𝐷𝑒𝑠𝑒𝑚𝑝𝑒ñ𝑜𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙𝑆 =0.199*0.4-0.167*0.2-0.4*0.375=-0.1038

-Alternativa 2: Tanque enterrado

𝐷𝑒𝑠𝑒𝑚𝑝𝑒ñ𝑜𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙𝐸 = 𝑊𝐵 ∗ 𝐸𝐵 − 𝑊𝐶 ∗ 𝐸𝐶 − 𝑊𝑅 ∗ 𝐸𝑅

𝐷𝑒𝑠𝑒𝑚𝑝𝑒ñ𝑜𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙𝐸 =1*0.4-0.2*1-0.4*1=-0.2

Se escoge la alternativa del tanque superficial, ya que es la que tiene un mayor desempeño global.

5.4. Costos del sistema de recolección de aguas lluvias

A continuación en la Tabla 31, se presenta una estimación aproximada de los costos de construcción del

sistema de recolección de aguas lluvias, considerando lo recomendado por Caballero (Capítulo 2.2.1). Los

valores unitarios de los materiales requeridos para la implementación del sistema de recolección de aguas

lluvias, se obtuvieron de HOMECENTER SODIMAC Corona (HOMECENTER SODIMAC corona, 2013).

37/61

TABLA 31. COSTO DE CONSTRUCCIÓN SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS LLUVIAS EN LA GRANJA DEL PDRE LUNA EN

GUASCA

CONCEPTO UNIDAD CANTIDAD COSTO UNITARIO COSTO TOTALSistema de conducción desde la canaleta a tanque interceptor

Tubería PVC 2" ( 3m) m 2 18.900,00$ 37.800,00$

Codo de PVC de 2" x 90° pza 2 810,00$ 1.620,00$

Niple de fo.go. De 11/2" con tapón pza 2 2.730,00$ 5.460,00$

Llave de nariz pza 2 11.979,00$ 23.958,00$

68.838,00$

Tanque interceptor

Recipiente plástico unidad 2 89.900,00$ Se tienen

Bases de concreto m^3 2,5 200.000,00$ 500.000,00$

500.000,00$

Sistema de conducción desde tanque interceptor a tanque de almacenamiento

Tubería PVC 2" ( 3m) pza 4 18.900,00$ 75.600,00$

Unión pza 2 14.000,00$ 28.000,00$

103.600,00$

Filtros

Carbn activado

Malla para protección (1.5*10 m) 0,016320689 127.900,00$ 2.087,42$

Carbón activado ( 1kg - 0.002 m^3) m^3 22,5 50.000,00$ 1.125.000,00$

mortero m^3 0,881317184 236.121,00$ 208.097,49$

Ultramembrana

SkyHydrant Unidad 1,00 75.000,00$ Donación

1.335.184,91$

Almacenamiento

preliminares

trazo m^2 68,66812896 -$ -$

excavación m^3 68,66812896 11.500,00$ 789.683,48$

789.683,48$

Plantilla

Capa cemento-arena (1:5) m^3 2,060043869 236.121,00$ 486.419,62$

486.419,62$

Losa

Varilla 3/8 " #3 m 1226,166667 20,90$ 25.626,88$

malla electrosoldada m^2 25,60540427 19.649,17$ 503.124,86$

Concreto (1:2:2.5) m^3 6,866812896 200.000,00$ 1.373.362,58$

1.902.114,32$

Armado cilindro

malla electrosoldada (p*2,3m) 59,81242982 1.982,50$ 118.578,14$

Tela de gallinero 1 o 3/4" m 76,8162128 6.000,00$ 460.897,28$

Alambre recocido kg 1 1.980,00$ 1.980,00$

Varilla de 5/16" m 78,0162128 2.000,00$ 156.032,43$

737.487,84$

Tuberías

niple pza 1 2.730,00$ 2.730,00$

alambre recocido kg 1 21.200,00$ 21.200,00$

Niple de Fo.Go. De 11/4"x 8° pza 1 2.730,00$ 2.730,00$

Reducción de cobre de 11/4" a 3/4" pza 1 1.760,00$ 1.760,00$

Tee de cobre de 3/4" pza 1 11.876,00$ 11.876,00$

Válvula de compuerta de 3/4" pza 1 200,00$ 200,00$

Tubo de cobre de 3/4" pza 1 9.300,00$ 9.300,00$

Tubo de cobre de 1/2" pza 1 15.900,00$ 15.900,00$

Tubería de 2" para limpieza pza 1 18.900,00$ 18.900,00$

Tubería de 2" para excedencias pza 1 18.900,00$ 18.900,00$

103.496,00$

Cubrimiento de mortero

Mortero m^2 2,355697193 200.000,00$ 471.139,44$

574.635,44$

Cubierta

malla electrosoldada (p*2,3m) m^2 52,17391304 1.982,50$ 103.434,78$

Tela de gallinero 1 o 3/4" m^2 52,17391304 6.000,00$ 313.043,48$

1.584.649,14$

Mano de Obra personas 4 700.000,00$ 2.800.000,00$

10.430.851,13$

Costo Parcial

COSTO TOTAL

Costo Parcial

Costo Parcial

Costo Parcial

Costo Parcial

Costo Parcial

Costo Parcial

Costo Parcial

Costo Parcial

Costo Parcial

Costo Parcial

38/61

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS

6.1. Oferta de agua lluvia en el caso de estudio

6.1.1. Cantidad de agua ofertada

La cantidad de agua lluvia ofertada en la Granja del Padre Luna de Guasca no es uniforme durante

todos los meses del año, por lo cual el tanque no todo los meses va a estar lleno. Es posible que en

la medida que vaya lloviendo, se vaya utilizando el agua, pero de esta manera no se aseguraría

disponibilidad de agua en los meses de sequía. Por este motivo, se puede considerar almacenar el

agua lluvia de los meses más lluviosos como mayo, junio, julio, agosto, octubre y abril y utilizar este

suministro en los meses de menos lluvia como enero, febrero marzo y diciembre. Se puede pensar

en que cada mes se utilice aproximadamente el promedio de precipitación mensual, que es de 75

𝑚3.

6.1.2. Calidad de agua ofertada

Con base en los resultados de la caracterización del agua lluvia captada por los techos de la granja,

en la Tabla 32 se compara los resultados de dicha caracterización con el valor con las normas de

calidad de agua potable y de agua para riego.

TABLA 32. COMPARACIÓN DE RESULTADOS DE CARACTERIZACIÓN DE AGUA CON LOS LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES PARA

AGUA POTABLE Y PARA RIEGO

Como se puede ver en la Tabla 32, el agua lluvia ofertada por la Granja del Padre Luna, cumple con

los parámetros de calidad de agua para riego, pero no cumple con todos los parámetros de calidad

de agua potable que se evaluaron en la caracterización. Para por lo menos una muestra, no cumple

con los parámetros de calidad para coliformes fecales, coliformes totales y DQO, los cuales son

indicadores de materia orgánica. También para por lo menos una muestra, no cumple con otros

PARÁMETRO UNIDADESLÍMITE MÁXIMO

PARA AGUA

POTABLE

LÍMITE

MÁXIMO

PARA RIEGO

MUESTRA 1 MUESTRA 2 MUESTRA 3 Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

Color real 15 5 7 Uu Pt/Co 15 si si si - - - -

Coliformes fecales 15 <3 <3 NMP/100mL 0 no no se sabe no se sabe 1000 sí sí sí

Coliformes totales 230 <3 150 NMP/100mL 0 no no se sabe no 5000 sí sí sí

SST "3,3" 8,3 <1,6 mg/L-SST 200 sí sí sí 120 sí sí sí

Arsénico <0,021 <0,021 <0,021 mg/L-As 0,05 sí sí sí 0,1 sí sí sí

Cadmio <0,006 <0,006 <0,006 mg/L-Cd 0,003 no se sabe no se sabe no se sabe 0,01 sí sí sí

Cobre "0,015" 0,01 <0,010 mg/L-Cu 1 sí sí sí - - - -

Cromo total <0,032 <0,032 <0,032 mg/L-Cr 0,05 sí sí sí - - - -

Níquel <0,006 <0,006 - mg/L-Ni 0,07 sí sí sí - - - -

Plomo 0,111 <0,006 <0,006 mg/L-Pb 0,01 no sí sí 5 sí sí sí

Mercurio <0,003 <0,003 <0,003 mg/L-Hg 0,001 no se sabe no se sabe no se sabe 0,001 sí sí sí

Turbiedad 17,4 16,7 1,12 NTU 2 no no sí - - - -

.pH 6,51 7,81 7,9 - 6,5-9 sí sí sí 6,5-8,5 sí sí sí

Temperatura 12,9 12,2 12,4 °C - - - - - - - -

DQO - - 39,8 mg/L-O2 120 sí sí sí sí sí sí sí

CUMPLE CON LA NORMA DE AGUA

POTABLECUMPLE CON LA NORMA DE RIEGORESULTADO

39/61

determinantes como turbiedad y plomo. Hay otros parámetros para los cuales no se tiene certeza

si cumplen con los estándares, como el cadmio y mercurio. De estos determinantes, no se esperaba

que el plomo excediera los límites recomendados; se puede pensar que éste proviene de los

materiales con los que están pintadas las canaletas, y que dichas partículas van al aire y el agua de

lluvia nuevamente las baja. Por otro lado, como se mencionó, no es seguro si el agua contiene

cadmio y mercurio, sin embargo es poco probable porque estos materiales no se utilizan en

componentes en este tipo de contexto. Sin embargo, es importante realizar un tratamiento que

tenga efecto sobre todo tipo de metales pesados para prevenir cualquier clase de intoxicación.

Teniendo en cuenta los lechos filtrantes expuestos en el capítulo 2.2.1 y los recursos con los que

cuenta la granja descritos en el 3.1, se puede proponer que el agua recolectada por los tanques

interceptores se utilice para riego de cultivos y pastizales. Para tratar el resto del agua captada, se

puede pensar en la instalación de un filtro de carbón activado justo antes del tanque de

almacenamiento, para retener metales que pueden estar presentes como el plomo, mercurio o el

cadmio, y además la mayoría de partículas en suspensión. Para finalizar el tratamiento de

potabilización, se puede instalar después del tanque de almacenamiento, un filtro de membrana de

ultrafiltación como el filtro SkyHydrant, que la fundación Siemens está dispuesto a donar a la granja,

para remover el resto de materia orgánica, partículas suspendidas y las partículas disueltas que le

otorgan el color y la turbidez al agua.

6.2. Demanda de agua lluvia en el caso de estudio

Se puede observar que el valor promedio de consumo de agua reportado por el recibo de acueducto,

es el doble de lo estimado por medio de la discriminación de usos de agua, por lo cual se puede

pensar que hay fugas en la red de tuberías. En caso de que no haya fugas, se debe revisar las

dotaciones de agua, porque puede ser que ésta esté siendo subestimada, y que en realidad se esté

consumiendo más. De ser así, el consumo está sobrepasando el máximo reportado para un

colombiano y por lo tanto es necesario tomar medidas para disminuirlo. Entre estas medidas se

pueden contemplar en primera instancia capacitaciones a los habitantes sobre la gestión del agua.

Con los niños del caso de estudio, se hizo un primer taller sobre este tema, con el cual lograron ver

la importancia de ahorrar agua y en el que se les dio consejos prácticos para lograrlo (Anexo 8).


Teniendo en cuenta que la capacidad del tanque de recolección de agua lluvia dimensionado fue de

120 𝑚3 se esperaría que el agua recolectada en éste, después de ser tratada, alcanzara a suplir el

consumo de las vacas (27 𝑚3 ) y el resto alcanzara a cubrir la mayoría de la dotación demanda por

las personas. En caso de querer disponer de esta agua para duchas, sanitarios y lavamanos, se

puede pensar es instalar bombas de agua que conduzcan el agua desde el tanque hasta el sitio.

40/61

6.4. Costos del sistema de recolección de aguas lluvias

Los costos para el sistema de recolección de aguas lluvias, se estimaron de forma aproximada. Este

valor no es exacto, pero sí permite tener una idea de en cuanto puede resultar la inversión de un

diseño como éste. De igual forma la cantidad de materiales aplican para el caso de estudio, pero no

son los mismos requeridos en otro contexto, pues se debe tener en cuenta el espacio disponible y

los recursos con los que se cuenta.

Aproximando el valor a 11’000.000 de pesos, asumiendo que se logra captar un promedio de 75

𝑚3 de agua al mes, y considerando que el 𝑚3 de agua de acueducto cuesta en promedio 1700

pesos, se puede lograr aproximadamente un ahorro de 1’530.000 pesos anuales. A este valor hay

que descontarle el costo de hacerle mantenimiento al tanque, pero como se dijo anteriormente,

esto no resulta ser muy costoso.

Basados en las cifras anteriores, el periodo de retorno de la inversión son aproximadamente siete

años. Este tiempo puede volverse poco importante si se tiene en cuenta que la instalación de este

sistema logrará evitar que en épocas de sequía se carezca de agua, lo cual compromete la salud de

las personas. De igual forma, contando con mayor disponibilidad de agua, se podrán desarrollar

distintos proyectos de agricultura y reforzar la producción de leche, considerando que las vacas

demandan gran cantidad de ésta. Adicionalmente la gobernación de Cundinamarca ha otorgado

regalías para el desarrollo de la gestión del agua en la región del Guavio, y un sistema de recolección

de aguas lluvias como el propuesto, permite fomentar dicha gestión porque requiere de la

participación de los habitantes y fomenta el reúso y ahorro del agua. Por otro lado, la

implementación de un sistema como éste, permitiría reducir el problema de almacenamiento de

agua en las cajas subterráneas de la Granja, lo cual desestabiliza el suelo puede llegar a ocasionar

inundaciones.

6.5. Modelo del diseño del sistema de recolección de agua lluvia

A partir de los resultados presentados en el capítulo 5, y el anterior análisis de resultado, se diseñó

el sistema de recolección de aguas lluvias en la herramienta ScketchUp. A continuación en las

Figuras 6, 7, 8, 9, 10, 11, se muestran algunas vistas de este diseño.

41/61

FIGURA 6. VISTA EN PLANTA DEL SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS LLUVIAS

FIGURA 7. VISTA FRONTAL DEL SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS LLUVIAS

FIGURA 8. VISTA DESDE LEJOS DEL SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS LLUVIAS

42/61

FIGURA 9. VISTA EN DIAGONAL DESDE EL LADO IZQUIERDO, DEL SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS LLUVIAS

FIGURA 10. VISTA EN DIAGONAL DESDE EL LADO DERECHO, DEL SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS LLUVIAS

FIGURA 11. VISTA DESDE CERCA DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS LLUVIAS

43/61

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La Granja del Padre Luna, cuenta con espacio suficiente para que se pueda instalar el

sistema de recolección de agua lluvia adecuado para lograr almacenar toda el agua captada

por los dos techos de las casas de la Granja.

Debido a que las precipitaciones en Guasca no son uniformes para todos los meses del año,

se debe almacenar agua en los meses de mayor lluvia, para así disponer de agua en los

meses de sequía. Es recomendable usar cada mes, aproximadamente el volumen promedio

de precipitación mensual, que es de 75 𝑚3.para contar con agua en todas las épocas del

año.

Para caracterizar la calidad del agua lluvia ofertada por la granja del Padre Luna de Guasca,

se tomaron tres muestras del agua, pero estas muestran fueron tomadas de un mismo

punto y de únicamente una de las casas cuyos techos se consideraron como las zonas de

captación. La suposición de que la calidad de agua captada por los techos es la misma,

puede ser aceptable para concluir sobre la calidad del agua ofertada de agua lluvia, porque

no se espera que ésta cambie mucho entre lo captado por un techo y el otro. Es probable

que uno de los techos contenga más sólidos suspendidos o más materia orgánica que otro,

pero para concluir con respecto a si los determinantes de calidad cumplen con la norma, no

se cree necesario tomar muestra de los dos techos. Sin embargo esto no sobraría hacerlo si

se quiere caracterizar el agua en otro lugar de la región; en este caso no se hizo para

disminuir costos operativos por el desacoplamiento de las canaletas.

Al calcular el agua demandada por la Granja del Padre Luna, se tuvo en cuenta las

actividades que se abastecen del agua del acueducto, y se excluyó la cantidad de agua

utilizada para riego de cultivos y pastizales, la cual también hace parte del agua utilizada. El

no haberlo hecho no afectó los resultados porque de igual forma la oferta de agua en la

granja, no alcanza a cubrir la demanda en ésta; por lo que se diseñó el tanque con la

capacidad de almacenar toda el agua captada por los techos de las casas de la granja. Sin

embargo, para replicar este sistema en otras partes, se debe considerar todos los usos que

se le da al agua, sin importan de donde provenga ésta.

La demanda de agua estimada en la Granja, se hizo bajo la suposición de que las personas

se gastan el máximo de un colombiano. Esto no coincide con lo facturado por el acueducto,

pues las facturas reportan aproximadamente el doble. Es importante verificar que no haya

fugas de agua, que estén incrementando el agua consumida por concepto de acueducto. En

caso de que no haya fugas, se debe regular rigurosamente el consumo de agua en la Granja,

porque se está gastando una cantidad considerable de ésta. Esto se puede hacer por medio

de capacitaciones y reguladores de agua instalados en los grifos de los lavamanos y las

duchas.

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Aunque la teoría soporta que el filtro de ultrafiltración por membrana SkyHydrant, más un

filtro de carbón activado, lograrían remover los determinantes que exceden la norma de

calidad de agua potable en el agua lluvia recolectada, se recomienda realizar una

caracterización a una muestra de agua después de ser pasada por estos dos filtros; esto

permitiría tener mayor certeza de que el agua obtenida después del tratamiento, es apta

para el consumo.

Como es posible que la presencia de metales pesados como el plomo sea consecuencia de

la pintura con la que están pintadas las canaletas, se recomienda quitarle la pintura a éstas

y realizar otro análisis de calidad de agua lluvia captada. De esta manera se podría ahorrar

la inversión del filtro de carbón activado, lo cual representa aproximadamente 1’336.000

pesos, y el mantenimiento de éste.

Se buscó que el diseño del sistema de recolección de aguas lluvias, contara con la

participación de las personas que se verían beneficiadas por éste. Esto permite que la

comunidad no sólo logre beneficiarse del producto final, sino que paralelamente, entiendan

todo el proceso, de tal forma que se logren espacios de aprendizaje y de esta manera lograr

crear espacios de aprendizaje sobre la gestión del agua. Crear conciencia es importante para

lograr el ahorro de agua y disminuir la demanda de ésta, por lo que es importante realizar

talleres donde se traten estos temas.

El volumen de diseño del tanque en el caso de aplicación de la Granja del Padre Luna, fue

de 120 𝑚3 . El costo aproximado estimado para instalar los elementos del sistema de

recolección que hacen falta en la Granja del Padre Luna, es de aproximadamente

11’000.000 de pesos. Considerando que se ahorra por concepto de acueducto

aproximadamente 1’530.000 pesos anuales, ésta inversión tiene un periodo de retorno de

7 años. Se considera que la inversión se justifica, porque evita la falta de agua en épocas de

sequía y permite fortalecer la gestión de ésta por parte de la comunidad. De igual manera,

este sistema permitiría reducir el problema de almacenamiento de agua en las cajas

subterráneas de la Granja.

Para replicar un sistema de recolección de aguas lluvias en la región del Guavio, es oportuno

seguir la metodología desarrollada para el caso de la Granja del Padre Luna, la cual está

basada en experiencias de casos de aplicaciones que han tenido éxito. En primer lugar se

debe determinar la cantidad de oferta de agua según los reportes de alguna estación

pluviométrica, después se debe evaluar la calidad de esta agua por medio de la

caracterización de distintas muestras de agua captada por los techos disponibles. Habiendo

analizado la oferta, se pude determinar la demanda de agua con ayuda de recibos de

acueducto y por medio de la discriminación de los usos que se le da a ésta. Luego, se puede

pasar a diseñar el sistema de recolección de aguas, considerando los recursos disponibles.

En primer lugar se debe diseñar las canaletas que recolectarán el agua que escurra del

techo, después los interceptores que son los tanques que recolectarán las primeras aguas

captadas, después el tanque de almacenamiento al que llegarán las aguas por medio de

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tuberías, y finalmente los filtros necesarios para potabilizar el agua, según las condiciones

en las que ésta se encuentre.

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