OBRAS DE CAPTACIÓN Las obras de captación captación son las obras civiles y equipos electromecánicos 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 abastecimiento su localización y magnitud. Algunos ejemplos de obras de captación se esquematizan en la Fig 2.1 . El diseño de la obra de captación debe ser tal que prevea las posibilidades de contaminación del agua.
Fig. 2.1 Obra de Captación Captación 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 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 filtr ación se consigue mediante la instalación de un filtro en la misma cisterna. Un dispositivo de este tipo se ilustra en la figura 2.2
Fig. 2.2 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.
V s = D x t x ( 1 + l) x P Donde: V s : 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: V c : 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 m 2, 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: V c = 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 V s, para el consumo en época de secas, considerando un factor de seguridad de 30% será. V s = 100 L / hab. d x 240 d x (1 + 0.30 ) x 1500 hab = 4.68 x 107 Litros V s = 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: V C = 0.90 x A x 0.75 = 0.675 X A Para que no exista problema de suministro, al menos debe tenerse que: V C = V s
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 recom ienda instalar cercas para evitar el paso de animales y personas. Las tapas de registro deben estar bien selladas. Es conveniente que l os 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 o bras 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. 2.3)
Fig. 2.3 Torres para captar agua a diferentes niveles Estaciones de bombeo flotantes. También pueden usarse en lagos o embalses (figuras 2.4a. y 2.4b).
Fig. 2.4 a) Estación de bombeo Flotante
CAPTACIÓN EN RIO NAVEGABLE EMBALSES O EN LAGOS Y LAGUNAS
(Fig. 2.4 b)
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. (Figura 2.5)
Fig. 2.5 a) En un cárcamo
Fig. 2.5 b) En río
Fig. 2.5 Estación de bombeo Canales de derivación con o sin desarenadores. Una estructura de este tipo comprende, esencialmente(Figura. 2.6 )
Fig. 2.6 Canal con derivación
Un muro equipado corrientemente de una compuerta en prevención de las crecidas (V 1) Una incisión de la margen provista de compuertas que permiten detener las aguas en exceso y cerrar la toma (V 2). Un canal ( C ) que, partiendo de la incisión cuente en su origen con un vertedor (D) que permita el retorno del agua sobrante al río, y Una compuerta (V 3) que permita cerrar completamente el canal. c ).- Captaciones para escurrimientos con pequeños tirantes muro con toma directa. (Fig. 2.7)
Fig 2.7 Muro con toma directa
Fig. 2.8 Muro vertedor con caja y vertedor lateral
Muro con caja y vertedor lateral. (Fig. 2.8)
Muro con vertedor y caja central. (Fig. 2.9)
(Fig. 2.9) 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 2.10 ).
Fig. 2.10 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 co nveniente suponer una pérdida de carga por entrada equivalente a la carga de velocidad (V 2 / 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 V 2 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 qu e la altura de succión queda limitada y el desnivel máximo permisible entre la bomba y el nivel de bombeo, es relativamente pequeño (Fig. 2.11)
Fig. 2.11 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. 2.12)
Fig. 2.12 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. 2.13).
Fig. 2.13 Captación directa con bomba centrifuga vertical
OBRAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS. El agua subterránea existe casi en cualquier parte por debajo de la superficie terrestre, la exploración de la misma consiste básicamente en determinar en dónde se encuentra bajo las condiciones que le permitan llegar rápidamente a los pozos a fin de poder ser utilizada en forma económica. La manera práctica de hacer lo anterior incluye la aplicación de conocimientos técnicos, experiencia en la perforación y sentido común.(Fig. 2.14 Identificación de las aguas subterráneas).
(Fig. 2.14)
A continuación se describe un enfoque para realizar una exploración del agua subterránea. Ciertos indicios útiles en la localización de abastecimientos de agua subterránea son por ejemplo, que ésta probablemente se encuentra en mayores cantidades bajo los valles que en las partes altas; en las zonas áridas cierto tipo de plantas; nos indican que el agua que las nutre se encuentra a poca profundidad; asimismo en las áreas en donde el agua aparece superficialmente como son manantiales, pantanos y lagos, también debe existir
agua subterránea aunque no necesariamente en grandes cantidades o de buena calidad; sin embargo, los indicios más valiosos son las rocas, ya que los hidrólogos y los geólogos las agrupan sin importar que sean consolidadas como las areniscas, calizas, granitos y basaltos; o no consolidadas como las gravas, arenas y arcillas. La grava, la arena, y las calizas, son las mejores conductoras del agua, sin embargo, solo constituyen una parte de las rocas que forman la corteza terrestre y no todas ellas aportan la misma cantidad de agua. La mayor parte de las rocas constituidas de arcilla, lutitas y rocas cristalinas son en general pobres productoras, pero pueden aportar agua suficiente para usos domésticos en las áreas en donde no se encuentran buenos acuíferos. Los lineamientos generales para realizar una exploración del agua subterránea son los siguientes: Primero se elabora un plano geológico que muestre los diferentes tipos de roca que afloren a la superficie y de ser posible, secciones y explicaciones anexas, deben mostrar justamente cuáles rocas son probables conductoras de agua y en donde se encuentran por debajo de la superficie. Después de reunirse toda la información respecto a la existencia de pozos, su localización, profundidad de perforación, profundidad a nivel del agua, caudal promedio y el tipo de rocas que se hayan encontrado al perforar. La historia de los pozos en donde el perforista ha tenido el cuidado de registrar la profundidad y el tipo de los diferentes estratos que ha ido encontrando al realizar la perforación, siempre son de gran utilidad para conocer las condiciones geohidrológicas de cualquier región. La historia de un pozo es realmente útil cuando incluye lo siguiente: Muestras de las rocas, información de cuáles estratos contienen agua y con qué facilidad la ceden, la profundidad a que se encuentre el nivel estático del agua en los estratos que la contengan y los datos de las pruebas de aforo y bombeo de cada uno de los acuíferos a fin de poder determinar cuánta agua pueden aportar y cuánto se abate el nivel del agua de acuerdo a los caudales de bombeo.
Cuando no hay pozos o no existe la suficiente información sobre ellos, es necesario perforar algunos pozos de exploración, mediante los cuales se obtienen muestras del material encontrado durante el avance de la perforación, mismo que posteriormente es examinado y analizado para determinar cuáles estratos son los que contienen agua y de que tamaño son las áreas en que se extienden. Los reportes y los planos que sobre las condiciones geohidrológicas de cualquier región se elaboren, deben mencionar los lugares en donde puede encontrarse el agua subterránea, la calidad química de ésta y en forma muy general que cantidad puede obtenerse, asimismo los lugares en que tienen lugar la recarga y descarga natural de los acuíferos. RECONOCIMIENTOS GEOLÓGICOS: Mediante los reconocimientos geológicos es posible obtener conclusiones hidrogeológicas de una región, pudiéndose avanzar en forma rápida gracias al desarrollo que ha tenido a últimas fechas la fotointerpretación; sin embargo, en cualquier estudio siempre serán necesarios los reconocimientos de campo, que permiten afinar lo observado en las fotografías. En la exploración, el geólogo se sirve de la petrografía, de la estratigrafía de la geología estructural y de la geomorfología. La petrografía constituye uno de los renglones más importantes dentro de los reconocimientos geológicos, ya que mediante ella, es posible determinar la porosidad y la permeabilidad característica de los diferentes tipos de roca, eliminando en fun ción de dichas características, las zonas que no representan condiciones favorables para la localización del agua subterránea. La porosidad determina la cantidad de agua que puede almacenarse y la permeabilidad la facilidad con que ésta puede extraerse. La tabla 2.1 muestra una clasificación general de algunos tipos de rocas en función de su porosidad y de su permeabilidad. TABLA 2.1 - PROPIEDADES ACUIFERAS DE ALGUNAS ROCAS COMUNES PERMEABILIDADPOROSIDAD PERMEABILIDAD MAXIMA
POROSIDAD MÁXIMA
Gravas bien clasificadas
Arcillas blandas
Basalto poroso
Limos
Caliza calsificada
Tobas
Arenas bien clasificas
Arenas bien clasificadas
Arenas y gravas mal clasificadas
Arenas y gravas mal clasificada.
Rocas cristalinas fracturadas
Arenisca
Limos y tobas
Basalto poroso
Arcillas
Caliza calsificada
Roca cristalina masiva
Roca cristalina fracturada
Roca cristalina masiva. La estratigrafía es un instrumento esencial para la prospección hidrog eológica de extensas regiones de rocas sedimentarias o volcánicas. La posición y el espesor de los horizontes acuíferos así como la continuidad de las capas confinantes revisten particular importancia, por lo que el auxilio de la estratigrafía resulta siempr e indispensable. La geología estructural junto con la estratigrafía se utiliza en la localización de los horizontes acuíferos que hayan sido desplazados por movimientos tectónicos. Los estudios estructurales son también utilizados para localizar zonas de fracturación en rocas compactas pero frágiles; o bien en la localización de fallas en materiales no consolidados que en ocasiones pueden formar barreras hidrológicas, las cuales son importantes en el estudio del movimiento del agua subterránea. Las aguas de las capas acuíferas del subsuelo se clasifican en: a) aguas freáticas y b) aguas artesianas. Las aguas freáticas son aquellas que no tiene presión hidrostática, trabajan por la acción de la presión atmosférica, circulando el agua en materiales graduados, no confinados,
como arenas y gravas, esta agua se localiza a profundidades que van de 1.0 a 30.0 metros . Las aguas artesianas son aquellas que están confinadas bajo una presión hidrostática mayor que la atmosférica, por una capa superpuesta de material relativamente impermeable esta agua se localiza a profundidades que van de 31.0 a 300 metros de profundidad o más. Desde el punto de vista de calidad las aguas artesianas es la de mejor calidad; en muchos casos potable, en otros muy mineralizada y es la que esta menos expuesta ala contaminación. Se estima que aproximadamente el 90% el agua que se usa para industria y más o menos el 70% de los abastecimientos públicos de agua para consumo domestico, procede del bombeo de aguas subterráneas, en nuestro medio.
