Captacion de agua de lluvia

4. DISEÑO DE SISTEMAS DE CAPTACIÓN
DEL AGUA DE LLUVIA

Sistema de Captación del Agua de Lluvia para Uso Doméstico y Consumo Humano (COLPOS 1), a nivel
de familia (CIDECALLI-CP, 2007)

Objetivo

Identificar los elementos de diseño, acondicionamiento e instalación del sistema de captación,
conducción, almacenamiento y tratamiento del agua de lluvia, bajo diversas condiciones sociales,
culturales, económicas y ambientales.

Diseño de Sistemas de Captación del Agua de Lluvia

4.1 Introducción
La importancia de captar, almacenar y utilizar el agua de lluvia para uso doméstico y consumo
humano es de gran relevancia para la mayoría de las poblaciones, sobre todo aquellas que no tienen
acceso a este vital líquido.

Esta opción permite satisfacer las necesidades básicas de la población; asimismo, ayuda a prevenir la
presencia de enfermedades gastrointestinales. El sector salud reporta varios casos de muertes
causadas por el consumo de agua que no cumple las especificaciones de calidad establecidas en las
Normas Oficiales relativas a calidad del agua.

Es importante identificar los principales componentes de un Sistema de Captación del Agua de Lluvia
(SCALL), su funcionamiento, los criterios de diseño más sobresalientes, las características de los
materiales de construcción, la forma de construir estos sistemas, su operación y mantenimiento, de tal
forma que se puedan ejecutar los proyectos.

Para ello debe considerarse lo siguiente:

Localización del sitio para establecer el SCALL,
Determinación de la demanda de agua por la familia o por la comunidad,
Cálculo de la precipitación pluvial neta,
Área de captación del agua de lluvia,
Diseño del sistema de conducción del agua captada,
Diseño del volumen del sedimentador por trampa de sólidos,
Diseño del sistema de almacenamiento del agua de lluvia captada,
Diseño para el bombeo del agua almacenada al local de la planta de tratamiento,
Diseño del sistema del tratamiento y/o purificación del agua de lluvia.

4.2 Localización del sitio para establecer el sistema
La localización del sistema se realiza considerando la recopilación de información general, medio
ambiente, identificación de impactos ambientales y programas de mitigación del predio.

4.3 Determinación de la demanda de agua
La demanda o dotación por persona, es la cantidad de agua que necesita una persona diariamente
para cumplir con las funciones físicas y biológicas de su cuerpo. Además, considera el número de
habitantes a beneficiar.

50

Manual sobre Sistemas de Captación y Aprovechamiento del Agua de Lluvia para Uso Doméstico y Consumo Humano

La expresión matemática para calcular la demanda de agua es la siguiente:
Nu * Dot * Nd j
Dj = (4.1)
1000
12
Danual = ∑ D j
j =1 (4.2)
j = No. del mes, j = 1,...,12
Donde:
Dj = demanda de agua en el mes j, m3/mes/población,
Nu = número de beneficiarios del sistema,
Dot = dotación, en l /persona/ día,
Nd j = número de días del mes j,
D anual = demanda de agua para la población,
j = número del mes (j = 1, 2, 3,…, 12)
1000 = factor de conversión de litros a m3.

4.4 Cálculo de la precipitación pluvial neta.
La eficiencia de la captación del agua de lluvia depende del coeficiente de escurrimiento de los
materiales del área de captación, el cual varía de 0. 0. a 0.9 (Cuadro 4.1).

Cuadro 4.1 Coeficientes de escurrimiento (Ce) de los diferentes materiales en el área de
captación.

Tipo de Captación Ce
Cubiertas superficiales
Concreto 0.6 - 0.8
Pavimento 0.5 - 0.6
Geomembrana de PVC 0.85 - 0.90
Azotea
Azulejos, teja 0.8-0.9
Hojas de metal acanaladas 0.7-0.9
Orgánicos (hojas con barro) < 0.2
Captación en tierra
Suelo con pendientes menores al 10% 0.0-0.3
Superficies naturales rocosas 0.2-0.5

A continuación se presenta la fórmula para estimar la precipitación neta:
PN ijk = Pijk * η captacion (4.3)
Donde:
PNijk = precipitación neta del día i, mes j y año k, mm,
Pijk = precipitación total del día i, mes j y año k, mm,
η captación = eficiencia de captación del agua de lluvia, 0.765.

51


Cuando las precipitaciones medias mensuales sean menores de 50 mm y de baja intensidad (mm/hr),
se recomienda no considerarlas, sobre todo si se presentan durante las épocas secas, ya que la
cantidad y calidad del agua de lluvia no será de consideración para su almacenamiento.

4.5 Consideraciones para la realización de los cálculos
La información más útil que el técnico puede usar en el cálculo del área de captación del agua de
lluvia es que por cada milímetro de agua de lluvia que cae sobre un metro cuadrado, se obtendrá un
litro de agua. No obstante, existen coeficientes de ponderación que modifican el enunciado anterior
debido a las pérdidas en las superficies de captación causadas por el rebote del agua al caer, la
absorción, evaporación del agua y la pendiente de las superficies. En este apartado se les han
asignado valores a dichos coeficientes, pero dado que su influencia depende de las condiciones de
cada lugar en particular, los valores pueden ser modificados a criterio del técnico según los estudios
previos y experiencias con que cuente.

En el Cuadro 4.2 se muestra un análisis del volumen del agua de lluvia captado en litros, con relación
al área de captación y precipitación pluvial promedio. Se han hecho algunas consideraciones para su
utilización, tomando en cuenta precipitaciones pluviales promedio de 1, 10, 100, 1,000, 2,000 y 3,000
mm y áreas de captación de 1 hasta 10,000 m2 en múltiplos de 50 m2.

De esta forma, se puede obtener el volumen del agua de lluvia a captar para cualquier condición,
mediante las sumas correspondientes a las intersecciones de precipitación contra el área de
captación. Si por ejemplo, se tiene una área de captación de 1 m2 y se cuenta con una precipitación
de 110 mm, el volumen de agua captado es de 110 l, que se obtiene de sumar el valor
correspondiente a las intersecciones de la hilera del área de captación correspondiente a 1 m2 con la
precipitación de 10 mm (10 l) más la de 100 mm (100 l). Para encontrar el volumen real de agua
captada, el valor que se ha determinado en el cuadro 4.2, debe ponderarse con la eficiencia en la
captación del agua de lluvia.

52


Cuadro 4.2. Volumen de agua captado en litros con relación al área de captación y a la
precipitación pluvial promedio.

Área de Precipitación pluvial promedio
captación (mm)
(m2)
1 10 100 1,000 2000 3000
1 1 10 100 1,000 2,000 3,000
10 10 100 1,000 10,000 20,000 30,000
50 50 500 5,000 50,000 100,000 150,000
100 100 1,000 10,000 100,000 200,000 300,000
50 150 1,500 15,000 150,000 300,000 450,000
200 200 2,000 20,000 200,000 400,000 600,000
250 250 2,500 25,000 250,000 500,000 750,000
300 300 3,000 30,000 300,000 600,000 900,000
350 350 3,500 35,000 350,000 700,000 1,050,000
400 400 4,000 40,000 400,000 800,000 1,200,000
450 450 4,500 45,000 450,000 900,000 1,350,000
500 500 5,000 50,000 500,000 1,000,000 1,500,000
550 550 5,500 55,000 550,000 1,100,000 1,650,000
600 600 6,000 60,000 600,000 1,200,000 1,800,000
650 650 6,500 65,000 650,000 1,300,000 1,950,000
700 700 7,000 70,000 700,000 1,400,000 2,100,000
750 750 7,500 75,000 750,000 1,500,000 2,250,000
800 800 8,000 80,000 800,000 1,600,000 2,400,000
850 850 8,500 85,000 850,000 1,700,000 2,550,000
900 900 9,000 90,000 900,000 1,800,000 2,700,000
950 950 9,500 95,000 950,000 1,900,000 2,850,000
1000 1,000 10,000 100,000 1,000,000 2,000,000 3,000,000
1500 1,500 15,000 150,000 1,500,000 3,000,000 4,500,000
2000 2,000 20,000 200,000 2,000,000 4,000,000 6,000,000
2500 2,500 25,000 250,000 2,500,000 5,000,000 7,500,000
3000 3,000 30,000 300,000 3,000,000 6,000,000 9,000,000
3500 3,500 35,000 350,000 3,500,000 7,000,000 10,500,000
4000 4,000 40,000 400,000 4,000,000 8,000,000 12,000,000
4500 4,500 45,000 450,000 4,500,000 9,000,000 13,500,000
5000 5,000 50,000 500,000 5,000,000 10,000,000 15,000,000
5500 5,500 55,000 550,000 5,500,000 11,000,000 16,500,000
6000 6,000 60,000 600,000 6,000,000 12,000,000 18,000,000
6500 6,500 65,000 650,000 6,500,000 13,000,000 19,500,000
7000 7,000 70,000 700,000 7,000,000 14,000,000 21,000,000
7500 7,500 75,000 750,000 7,500,000 15,000,000 22,500,000
8000 8,000 80,000 800,000 8,000,000 16,000,000 24,000,000
8500 8,500 85,000 850,000 8,500,000 17,000,000 25,500,000
9000 9,000 90,000 900,000 9,000,000 18,000,000 27,000,000
9500 9,500 95,000 950,000 9,500,000 19,000,000 28,500,000
10000 10,000 100,000 1,000,000 10,000,000 20,000,000 30,000,000

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Método gráfico para calcular el potencial de captación del agua de lluvia

3000 mm
2000 mm

1000 mm

100 mm

10mm
Litros de agua de lluvia

1 mm

Área de captación (m2)

Figura 4.1 Método gráfico para obtener el volumen de agua captada (litros) por unidad de superficie (m2).

4.6 Área de captación del agua de lluvia
El área de captación del agua de lluvia se obtiene con la ecuación:
A =a × b

Donde:

A= Área de captación, m2
a= Ancho de la casa, m
b= Largo de la casa, m

En caso de que no exista el área de captación del SCALL, se diseñara en función de la demanda
anual de los habitantes a beneficiar y de la precipitación pluvial neta anual.

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D anual
Aec = 12

∑ PN
j =1
j (4.4)

j = No. del mes con lluvia, j = 1,...,12

Donde:
Aec = es el área de captación necesaria para abastecer la demanda de agua a una familia o
comunidad, en m2
D anual = demanda de agua anual que necesita una población,
12

∑j =1
PN anual = Suma de las precipitaciones netas medias mensuales que originan

escurrimiento, mm.

4.7 Sistema de conducción del agua de lluvia captada
El agua pluvial captada en techos y áreas de escurrimiento debe ser conducida al sistema de
almacenamiento, mediante canaletas de lámina galvanizada y tubería de PVC. Cuando la pendiente
es mayor al 10% y se trata de laderas colectoras del agua de lluvia, es necesario contar con un
dispositivo hidráulico o un sedimentador para reducir la velocidad del agua y al mismo tiempo
sedimentar los sólidos en suspensión contenidos en el escurrimiento del agua del área de captación.

El caudal de conducción en la tubería se obtiene con la siguiente expresión:

Qc =
5
( Aec * I lluvia ) (4.5)
18

El diámetro se determina despejando el área de la ecuación de continuidad (Sotelo, 2005).
Qc
D = 2* (4.6)
πv

Otra opción para determinar el diámetro es considerar las pérdidas de carga con las deducciones de
Swamee y Jain, 1976, para flujos en tuberías, como sigue:

0.04
  2 4.75

5.2

1.25 LQc 9.4  L 
D = 0.66 e   + vQc    (4.7)
  gh   gh  
  L   L 

Con la Fórmula de Darcy – Weisbach, se obtiene la pérdida por fricción de un tubo.

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L V2
hL = f (4.8)
D 2g
Donde:
Qc = caudal de conducción, lps,
5/18 = Factor de conversión de m3 h-1 a lps,
Aec = es el área efectiva de captación del agua de lluvia, m2,
I lluvia = es la intensidad máxima de lluvia en la zona, 0.05 m h-1,
D = diámetro de tubería, m,
L = longitud del tubo, m,
hL = pérdida por fricción, m,
f = es el factor de fricción, adimensional,
g = aceleración de la gravedad, m s-2,
V = velocidad media, m s-1.
π = 3.1416

4.7.1 Canaletas para colección y conducción

Las canaletas son accesorios para colectar y conducir los escurrimientos pluviales a un sistema de
almacenamiento, sus dimensiones están en función de la duración de la precipitación (cortas y
homogéneas), tiempo de concentración del agua, la longitud del área de paso y de su pendiente.

En un área de captación el tiempo de concentración es un parámetro fundamental en el estudio
hidrológico de una cuenca y áreas de escurrimiento con pendiente, está descrita por expresiones
matemáticas, que basándose en características físicas del área de captación o de la cuenca
proporcionan un hidrograma resultante (figura 4.2).

Figura 4.2 Hidrograma triangular: caudal máximo (Qp), tiempo de concentración del caudal máximo (tb), y
el tiempo en que se produce el caudal máximo (tp).

t base = tp + tc (4.9)

Donde:
t base = tiempo de concentración del hidrograma, h
t p = tiempo en que se produce el caudal máximo, h
t c = tiempo de concentración, min

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La secuencia para determinar el caudal máximo de una tormenta es la siguiente:

1. Calcular el tiempo de concentración (tc) mediante la fórmula de Kirpich:
 L0.77 
t c = 0.000325 0.385 
S  (4.10)
 
Donde:
S = es la pendiente media, L es la longitud del área de captación en m y tc resulta en h.

2. Tiempo (Tp) en que se alcanza el máximo escurrimiento en la cuenca o área de captación,
se estima mediante la expresión:
tp = 0.5 D+0.6 tc (4.11)

Donde:
D = Duración de la precipitación efectiva, h

Cuando no se conoce la duración de la precipitación máxima diaria se utiliza la ecuación:
tp = 2 t c +0.6 tc (4.12)

3. Tiempo de concentración del caudal máximo (tb). Se calcula para drenar todos los
escurrimientos superficiales del área de captación impermeable, se estima con la siguiente
ecuación:

tb = 2.67 tp (4.13)

4. El gasto máximo (Qp). El gasto esperado con la precipitación neta en el área de escurrimiento se
estima con la expresión:

0.278.P .A
Qp = (4.14)
tp
Donde:
P = precipitación efectiva, mm
A = área de captación o de la cuenca, km2
0.278 = factor de conversión a m3 s-1

5. Estimación del área de la canaleta

El flujo en canaletas de captación y conducción se comporta como un flujo espacialmente variado, ya
que el agua se va recolectando a lo largo de la canaleta, para determinar el área necesaria de

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conducción se utiliza la ecuación de continuidad, en la cual solo se despeja el área y se asumen
velocidades promedio de 0.9 m s-1 en pendientes 2 a 4% y 1.2 m s-1 en pendientes 4 a 6%.

Qp = Av
Qp (4.15)
A=
v
Donde:
Q p= flujo en la canaleta, m3 s-1
v = velocidad del flujo en la canaleta, m s-1 (la velocidad en canaletas con pendiente de 4 a
6% es de 1.2 m s-1)
A = área de la sección transversal, m2

En el cuadro siguiente se muestran las expresiones para determinar las dimensiones de algunas
secciones usadas como canaletas.

Cuadro 4.3 Altura, Área hidráulica, Perímetro mojado y Radio hidráulico en secciones para
colectar el agua de lluvia.

Forma Altura Área Perímetro Radio hidráulico Observaciones
tirante hidráulica mojado
Circular 0.5D 1.57 r2 3.14r 0.500r D = diámetro
r = radio
Rectangular y by B+2y by b = base
b + 2y y = tirante
Triangulo 90º y y2 2.83y y y = tirante
2.83
Trapezoidal  b+y/ 3  b = ancho
talud 60º con la y
 b + 4y / 3 
 y = tirante
horizontal
 

4.8 Diseño del volumen del sedimentador o trampa de sólidos
La sedimentación es un proceso físico que consiste en la separación, por la acción de la gravedad, de
las partículas suspendidas cuyo peso específico es mayor que el del agua. Las variables de diseño de
la trampa son el área efectiva de captación del agua de lluvia y la intensidad máxima de precipitación
registrada considerando un valor de 50-100 mm/hora-1, Anaya, 2005.

V sedimentador = Aec * I p (4.16)

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Donde:
V sedimentador = volumen del sedimentador, m3 hora-1,
Aec = área efectiva de captación del agua de lluvia, m2,
Ip = intensidad de precipitación, m hora-1.

Cálculo de la intensidad de la precipitación

La intensidad de la precipitación (Ip) para una tormenta es la relación, de la lámina de precipitación
entre el tiempo de duración de la tormenta, es decir la pendiente de las gráficas producidas por el
pluviógrafo.

La intensidad de lluvia máxima será la mayor pendiente observada para una tormenta según la
ecuación siguiente.
Pr
Ip = (4.17)
t

Donde:
Pr = la precipitación máxima registrada, mm h-1
t = tiempo de duración de la tormenta, h

4.9 Diseño del sistema de almacenamiento del agua de lluvia captada
El almacenamiento del agua de lluvia consiste en depositarla dentro de cisternas, para abastecer a
una población considerada durante los meses de sequía y los de no sequía. Los materiales de
construcción de la cisterna son de concreto, tabique o revestimiento con geomembrana, ésta resulta
más económica, impermeable y proporciona agua segura para uso doméstico y consumo humano.

La pendiente de los taludes de la cisterna depende de las características de cohesión de los suelos y
de los ángulos de reposo del mismo (Sánchez, 2005).

El criterio para el diseño del volumen de la cisterna consiste en considerar la demanda de agua
mensual que necesita una población durante los meses de sequía más dos meses (coeficiente de
seguridad) de acuerdo al CIDECALLI, con el objeto de asegurar el abastecimiento de agua a la
población.
Vcisterna = D j * M sequía+2 (4.18)

Donde:
V cisterna = volumen mínimo de la cisterna, m3,
D j = demanda mensual, m3 mes-1,
M sequía + 2 = meses con sequía más 2.

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4.9.1 Análisis de estabilidad de taludes del sistema de
almacenamiento y del sedimentador.

Una vez determinadas las dimensiones del sistema de almacenamiento del agua captada y del
sedimentador, se realiza un análisis de estabilidad de taludes o paredes, los cuales están en función
del valor de los coeficientes del volteamiento y deslizamiento; para calcularlos se considera el peso
volumétrico del terreno natural, la presión del líquido sobre la superficie plana, centros de presión y
momentos segundos para una superficie plana.

4.10 Bombeo del agua de lluvia almacenada
Consiste en extraer el agua almacenada y captada en los meses con precipitación pluvial mediante un
sifón o un equipo de bombeo. Los componentes son: pichancha, línea de conducción, motobomba y
un tanque de almacenamiento previo al tren de tratamiento de purificación.

4.10.1 Términos hidráulicos

En la sección anterior se han establecido los conceptos necesarios para estimar los requerimientos
mínimos de agua para el abastecimiento de un grupo de personas o población. También se
describieron los factores que determinan la demanda de agua. A continuación se presentarán los
términos hidráulicos para estimar la potencia hidráulica de la bomba y extraer el agua almacenada.

Espejo de agua. Superficie en reposo del agua dentro de la cisterna, pozo o noria.

Nivel estático: Profundidad a la que se ve el espejo de agua en estado estacionario (cuando no hay
extracción de agua). Es la distancia que hay desde el nivel de la superficie al espejo del agua. Está
representado por B y se mide en metros, m.

Nivel dinámico. Profundidad a la que se ve el espejo de agua en el proceso de bombeo (durante la
extracción). Es la distancia que hay desde el nivel de superficie al espejo de agua durante el proceso
de bombeo, se mide en metros, m.

Nivel de descarga. Altura a la que hay que llevar el agua. Distancia que hay desde la superficie hasta
el borde superior del tanque de almacenamiento. Está representado por A y se mide en metros, m.

Profundidad de abatimiento. Diferencia de distancia entre el nivel estático y el dinámico. Está
representado por C, se mide en metros, m.(ver figura 4.3).

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Figura 4.3 Diagrama de bombeo de agua almacenada.

Altura de fricción. Distancia adicional que hay que agregar debido a la fuerza de fricción que oponen
las paredes de la tubería, conexiones y válvulas, para el flujo de agua.

Profundidad de succión. Es la distancia que hay desde el centro de una bomba superficial al espejo
de agua, se mide en metros, m.

Los parámetros hidráulicos referidos a los términos anteriores están basados en el concepto físico
asociado al trabajo que se tiene que realizar, para un volumen de agua determinado a cierta altura, en
contra de la fuerza de atracción gravitacional. En hidráulica, a la fuerza que hay que realizar para
efectuar este trabajo, se le llama carga hidráulica.

Carga estática. Es la distancia a la que hay que llevar el agua desde el nivel estático hasta el nivel de
descarga (A+B).

Carga dinámica o de fricción. Carga adicional que aparece cuando el agua se desplaza dentro de la
tubería, en toda su longitud, a un gasto dado, se simboliza por CF, también se mide en metros, m. Su
cuantificación depende de factores físicos como el tipo de tubería, longitud y el gasto que circula por
ella.

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Carga dinámica total. Es la carga hidráulica total en el proceso de bombeo, se simboliza por CDT.

CDT = (A + B) + CF (4.19)

Potencia hidráulica (PH). Es la fuerza que debe tener la bomba para realizar dicho trabajo, en watts
y esta dada por la expresión:

1 HP = 746 watts
PH = 9.8 Q. CDT (4.20)

Donde, 9.8 es la aceleración de la gravedad, m s-2; Q el gasto o caudal, m3 s-1.

4.11 Diseño del sistema de purificación del agua de lluvia
El diseño está en función de un estudio físico y químico del agua de lluvia captada en la zona de
estudio, para determinar unidades de turbidez, niveles de Sólidos Disueltos Totales (TDS) y
Calcio/Magnesio (Dureza). De ello depende instalar equipos para cumplir con la Norma Oficial
Mexicana NOM-041-SSA1-1993, bienes y servicios de agua purificada envasada. En seguida se
presentan los parámetros anteriormente citados, sus unidades permisibles y el tipo de tratamiento
para cumplir con la norma vigente, los parámetros se muestran en el Cuadro 4.4.

Cuadro 4.4 Parámetros para seleccionar los tratamientos terciarios.

Parámetro Permisible Tratamiento
Turbidez >5 UTN Filtración
Cloruros y Sulfatos >300 y >500 mg/l Carbón activado
Calcio/Magnesio >75 mg/l (Dureza) Intercambio iónico y ósmosis
inversa
Sólidos disueltos >500 mg/l Ósmosis inversa
totales
Coliformes fecales No disponibles (ND) Lámparas de Luz Ultravioleta y
y totales Ozono
Fuente: NOM-041 y IBWA.

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4.12 EJEMPLOS
A continuación se presentan los ejemplos del diseño del SCALL en una ladera, techos de escuelas
primarias y uso doméstico.

4.12.1 Caso comunitario: Captación y purificación del agua de lluvia
para consumo humano en una ladera revestida con geomembrana de
PVC.
En seguida se presentan los pasos para diseñar los componentes de un SCALL para una población
de 2600 habitantes, que ubica el espacio para la captación en una ladera con pendiente del 15 %, en
el municipio de San Felipe del Progreso, Edo. de México.

A. Determinar el consumo de agua para 2600 habitantes considerando un consumo per
cápita de 2.4 litros por día.

A continuación se presenta la secuencia para calcular la demanda de agua, para un grupo de 2600
personas.

Datos:
Nu = 2,600 habitantes,
Dotación = 2.4 l/persona/día (0.5 l se utiliza en el tren terciario de tratamiento del agua de
lluvia purificada: retrolavados, lavado de botellas, garrafones y labores de limpieza en el
local).
Nd j = 30 días (se consideran meses con 30 días).

La demanda mensual es:
2,600 * 2.4 * 30
Dj = = 187 m 3 mes −1
1,000
La demanda anual es,
12
D anual = ∑D
j =1
j = 187.2 * 12 = 2246 m 3año −1

B. Determinación de la precipitación pluvial neta.

En la gráfica se registra la precipitación media mensual de 722 mm y un periodo de 6 meses con
sequía, para la estación meteorológica de San Felipe del Progreso, Edo. de México (Vea Figura 4.4).

63


180

160

Precipitacion pluvial (mm)
140

120

100

80

60

40

20

0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Meses

Figura 4.4 Precipitación media anual histórica de la estación Meteorológica, San Felipe del Progreso.

El procedimiento consiste en obtener las precipitaciones medias mensuales de por lo menos 10-15
años de registro. Considerando la instalación de geomembrana en el área de captación con un
coeficiente de escurrimiento de 0.9 y una probabilidad de lluvia del 85 %, resulta una eficiencia en la
captación del agua de lluvia de 0.765.

Datos:
η captación = 0.765
PN 5 = 59.1x 0.765 = 45.2 mm
En el siguiente cuadro se presentan los valores obtenidos de la precipitación pluvial neta media para
todos los meses del año.

Cuadro 4.5 Precipitación pluvial neta media (Periodo 1962-1986), en mm.
Mes P j (mm) P Nj (mm)
Enero 17.3 13.2
Febrero 11.8 9.0
Marzo 7.9 6.0
Abril 24.5 18.7
Mayo 59.1 45.2
Junio 137.7 105.3
Julio 162.9 124.6
Agosto 158.3 121.1
Septiembre 132.1 101.1
Octubre 71.9 55.0
Noviembre 14.8 11.3
Diciembre 14.4 11.0
Total anual 722.0 552.3

64


C. Determinar el área de captación con los datos anteriormente estimados.

Su diseño está en función de la demanda anual entre la precipitación neta media mensual de los
meses más lluviosos, en este caso corresponden de mayo a octubre, periodo donde estará instalada
la geomembrana para retirarse al finalizar las lluvias y de esa manera aumentar su duración y
eficiencia para colectar el agua de lluvia.

Datos:
D anual = 2,246 m3
2,246
Aec = 10
= 4,067 m 2
∑ (0.0452 + 0.1053 + 0.124 + 0.121 + 0.101 + 0.055)
j =5

En el cálculo se considera solamente la proyección horizontal de la ladera, en este caso el área de
captación tiene 33 % de pendiente. Lo anterior indica que de los 50 metros de inclinación solo tienen
47.37 metros horizontalmente. El material empleado para el recubrimiento del área de captación, es
geomembrana de 0.25 mm, en porciones de 14 x 50 metros. El proceso de instalación se presenta en
la figura 4.5:

(a) (c)

(b) (d)

Figura 4.5 (a) Nivelación del terreno natural de 33 % pendiente con retroexcavadora, (b) trazado de
zanjas de anclaje para la geomembrana, (c) traslado de geomembrana, y (d) instalación de
geomembrana.

D. Calcular el diámetro de la tubería para conducir el volumen del agua recolectada en
el área de captación anteriormente estimado.

El diseño consiste en determinar el diámetro óptimo para conducir el escurrimiento de agua del área
de captación al sedimentador.

65


Datos:
L=6m
I lluvia = 0.050 m h-1
hL = 0.6 m, el 10 % de la longitud total.

Resultado:

Qc =
5
18
(
Aec * I lluvia )
Se considera un área de 4,067 m2 con la posibilidad de aumentar la producción a futuro.

Qc =
5
18
( )
4,067 m 2 * 0.05m / h = 56 lps

Con la ecuación de continuidad, sin considerar las pérdidas de carga por fricción, el tipo de material y
longitud de conducción; conociendo el gasto de entrada (Qc) y una velocidad (v) propuesta para un
flujo laminar.
Q = AV
4Q 4 * 0.056m 3 s −1
D =2
= = 0.300 ≅ 303.8 mm (12" )
Vπ π * 0.8ms −1

Otra opción es considerar las pérdidas de carga por fricción de la línea de conducción y los accesorios
utilizados para el cambio de dirección del flujo, utilizando la expresión 4.7.
0 . 04
  LQ 2

4 . 75
 L 
5 .2

D = 0 . 66  e 1 . 25 
 gh 
 + vQ 9 .4

 gh 
 

  L   L  

0.04
 3 −1 2 4.75
1.25 6 m* (0.056 m s )   
5.2
3 −1 9.4 
(
D = 0.66 1.5x10 m 
−6
) 
−6 2 −1

6m
 9.81ms−2 * 0.6 m  +10 m s (0.056 m s )  9.81ms−2 * 0.6 m  


      

[
D = 0.66 7.370 x10 − 20 + 1.889−17 ]0.04
= 0.14146 m ≅ 154.4 mm = 6"

Así D = 154.4 mm, (6”) ø de diámetro nominal del tubo escogido comercialmente.

Se concluye que los dos métodos permiten estimar el diámetro de la tubería para conducir el agua
pluvial y solo se necesita un solo tubo; sin embargo, por cuestiones de seguridad para evitar el
desbordamiento se instalan dos tubos de 12 pulgadas.

66


E. Determinar el volumen del sedimentador para los datos estimados en incisos
anteriores.

Las variables de diseño son el área efectiva de captación, la intensidad máxima de precipitación
registrada por hora, para ello se consideró 50 mm h-1, Anaya, 2005.

Datos:
Aec= 4,067 m2
I lluvia = 0.05 m h-1
V sedimentador = 4,067 m2 * 0.05m h-1 = 203 m3 h-1

Con el resultado anterior se determinan las dimensiones del sedimentador, de tal manera que se
minimicen los costos de excavación y recubrimiento de piso, paredes y tapa. Por tanto se parte que el
volumen de una pirámide truncada invertida, es el producto del área por la altura.

4x2
V = h(b + 2bx +
2
)
3
El número total de metros cuadrados del área del piso y paredes para una figura trapezoidal es:
4 x(b + x)
Area total = b 2 +
cos θ

Con la expresión anterior se realizan iteraciones asumiendo las siguientes condiciones:

Cuadro 4.6 Condiciones para dimensionar el sedimentador.

Variable Justificación
x < 3.5 La máxima altura es menor o igual 3.5 metros y el ángulo mínimo es 45
grados.
b>x Si x fuera mayor a b, las dimensiones de las paredes estarían sobradas.
h < 3.5 Es el límite permisible de resistencia de la geomembrana, a profundidades
superiores se reduce su vida útil.
45 < θ < 90 Ángulos horizontales permitidos para minimizar el área del sedimentador.

Al cumplirse las condiciones anteriores se tiene como resultado:

b = 9.0 m,
x = 1.0 m,
h = 2.2 m y
θ = 66°.

67


Recordando que en el área de captación se tiene proyectado instalar dos tubos de 12 pulgadas para
la conducción del agua pluvial, esto modifica las dimensiones estimadas anteriormente a:

b = 25.0 x 5.0 m,
h = 2.2 m,
x = 0.5 m,
θ = 77°,
Volumen = 242 m3 > V sedimentador por lo tanto (se acepta).

El almacenamiento temporal es construido con paredes de tierra compactadas, un recubrimiento con
geomembrana de 1.5 mm en piso y paredes. Para evitar las pérdidas de agua por filtración y
evaporación se instala una cubierta flotante de 1.2 mm de espesor, figura 4.6.

El suministro de agua pluvial del sedimentador a la cisterna es mediante dos tuberías de 12 pulgadas
ubicadas a 8 metros de separación y a una altura respecto al piso de 1.4 metros, su ubicación permite
que los sólidos pesados se depositen en el fondo y que el agua fluya hacia la cisterna cuando el nivel
es superior a 1.4 metros.

Línea de Cubierta flotante de PVC
conducción
área de
FLOTADORES
captación
Línea de
Recubrimiento conducción
geomembrana de 1.5 sedimentador-cisterna
mm

Nota: Las acotaciones están en metros.

Figura 4.6 Vista transversal del sedimentador.

El material utilizado para el sedimentador consistió de 200 m2 de geomembrana Alkorplan SA B de 1.0
mm para la base; 245 m2 de 1.5 mm para taludes y trincheras, ambas de cloruro de polivinilo flexible
de color gris; para la tapa 344 m2 de PES B de 1.2 mm; y 5 flotadores de 6 pulgadas de diámetro y
longitud de m.

El proceso de construcción se refiere a: trazar las dimensiones que va a tener el sedimentador;
excavación con retroexcavadora; limpieza de material anguloso; acondicionamiento de los muros de
contención con el ángulo adecuado; revestimiento con material impermeable en piso y paredes;
instalación de tubería de 12 pulgadas; e instalación de cubierta flotante (figura 4.7).

68


(a) (b)

(c)

Figura 4.7 (a) Afinamiento de piso y paredes; (b) sedimentador listo para el revestimiento con
geomembrana; y (c) tapa con flotadores para evitar pérdidas por evaporación y contaminación.

F. Calcular el volumen de la cisterna para abastecer a 2600 personas con un consumo
per capita de 2.4 litros persona por día.

Diseño del sistema de almacenamiento (cisterna) del agua de lluvia captada. Para el diseño se
considera la demanda de agua mensual de los meses de sequía y para asegurar un abastecimiento
permanente se adicionan dos meses más.

Datos:
D j = 187 m3/mes
M sequía + 2 = 6 + 2 = 8
Vcisterna = 187 * 8 = 1498 m 3

El volumen mínimo que debe almacenarse es 1,498 m3 para cumplir con la demanda en los meses de
sequía más dos.

El procedimiento para obtener las dimensiones es similar al caso del sedimentador.
4x2
V = h(b + 2bx +
2
)
3

69


En el Cuadro 4.7 con la expresión anterior se realizan iteraciones asumiendo las siguientes
condiciones:

Cuadro 4.7 Condiciones para dimensionar la cisterna.

Variable Justificación
x < 4.0 La máxima altura es igual o menor a 4.0 metros y el ángulo mínimo es de 45º.
b>x Si x fuera mayor que b, las dimensiones de las paredes estarían sobradas.
h < 4.0 Es el límite permisible de resistencia de la geomembrana, a profundidades superiores
se reduce su vida útil y no hay garantía.
45 < θ < 90 Ángulos permitidos para minimizar el área del almacenamiento.

El resultado al cumplirse las condiciones anteriores son: b = 18.0 m, x = 3.0 m, h =3.4 m y θ = 50. Sin
embargo, las dimensiones del terreno permitieron que la cisterna tuviera 21 metros de ancho, 36
metros de largo y 3.5 metros de profundidad (figura 4.8).

Línea de conducción
sedimentador-cisterna

FLOTADORES
VERTEDOR DE POLIETILENO 12

Nota: Las acotaciones están en metros

G. 8A B 1.5mm
G. 8A B 1.0mm
G. PE8 B 1.2mm

Figura 4.8 Diagrama de instalación de geomembrana en piso, en taludes y en cubierta flotante de la
cisterna.

Figura 4.9 (a) Formación de taludes con tractor oruga y (b) cisterna con recubrimiento de piso, taludes y
cubierta flotante de PVC.

70


El material utilizado fue de 900 m2 de geomembrana Alkorplan SA B de 1.0 mm para la base y
traslape; 600 m2 de 1.5 mm para taludes y trincheras, ambos de cloruro de polivinilo flexible de color
gris; para evitar la contaminación y pérdidas por evaporación del agua almacenada, se colocó una
tapa de 1089 m2 de PES B de 1.2 mm y 18 flotadores de seis pulgadas para indicar el nivel del
almacenamiento.

Análisis de estabilidad de taludes, de la cisterna y del sedimentador.

Se determinaron los coeficientes de volteamiento y deslizamiento para el sedimentador y la cisterna
resultando valores superiores a 4, lo cual indica que los muros o taludes resisten el empuje generado
por el agua de lluvia a su nivel crítico de almacenamiento.

Otra manera de obtener la capacidad que debe tener la cisterna, es obtener las precipitaciones netas
de los meses con lluvias mayores a 50 mm, en otra columna estimar el agua captada con el área de
captación y realizar un acumulado, para estimar el potencial para la zona; después, se grafican los
acumulados de agua captada y la demanda (Cuadro 4.8).

Cuadro 4.8 Condiciones para dimensionar el sedimentador.

Agua Agua Demanda
Excedente
Mes PNj captada captada mensual acum.
(m3)
(m3/mes) acum. (m3) (m3)
Enero 13.2 53.8 190
Febrero 9.0 36.7 379
Marzo 6.0 24.6 569
Abril 18.7 76.2 759
Mayo 45.2 183.9 183.9 948 -5.8
Junio 105.3 428.4 612.3 1138 238.7
Julio 124.6 506.8 1119.1 1328 317.1
Agosto 121.1 492.5 1611.6 1518 302.8
Septiembre 101.1 411.0 2022.6 1707 221.3
Octubre 55.0 223.7 2246.3 1897 34.0
Noviembre 11.3 46.0 2087
Diciembre 11.0 44.8 2276
Total anual 621.72 2528.5 2246.3 2276.4 1108.2

Capacidad de cisterna = Demanda mensual acum. – Excedente + Demanda mensual*2 = 2276.4
– 1108.2 + 187*2 = 1547 m3.

Gráficamente en la figura 4.10, se corrobora este resultado con la intersección de los puntos del
potencial de captación y la demanda total de agua, entonces la capacidad de la cisterna se obtiene
midiendo la distancia vertical de ese punto al origen del eje.

71


2400

2200

2000

1800

1600
Acumulativo (m )
3

1400

1200

1000

800

600

400

200

0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Meses

Figura 4.10 Predicción de entradas y salidas del agua de lluvia a la cisterna.

G. Se desea extraer un volumen de agua de 10 m3 de la cisterna que tiene un espejo de
agua a una profundidad de tres metros. Bajo un régimen de bombeo de un litro por
segundo, la profundidad de abatimiento se ignora.

Si el agua se envía a un tanque cuya parte más alta mide cuatro metros de altura situado a 19.5
metros en línea recta con la cisterna considerando que habrá tres codos de 45º, en toda la tubería,
estimar:

i. El tiempo de bombeo, para proporcionar el volumen requerido.
ii. La carga estática.
iii. La carga por fricción.
iv. La carga dinámica total.

72


4.0
4

Figura 4.11 Parámetros hidráulicos en el proceso de extracción de agua almacenada.

Datos:
A = -2.6 m
B = 3.0 m
C=0m

Cálculos:

i. El volumen diario es 10 m3 y la razón de bombeo es un litro por segundo, la bomba operará un
tiempo dado por:

t = V / Q = 10000 l /1l s-1 =10000 s = 2.778 hr
(Recordando que 1hr = 3600 seg)

ii. La carga estática (CE): es la suma del nivel estático + el abatimiento + la altura de descarga.

CE = (A+B)+C = -2.6 + 3.0 + 0 = 0.4 m

iii. La carga por fricción (CF) se estima con la longitud total de recorrido por la tubería (Lt) y el gasto
máximo de agua durante el proceso de bombeo (Q), el diámetro y tipo de tubería.

L (tubería) = nivel estático abatimiento + altura de descarga + distancia del pozo (cisterna) al
tinaco.

L (tubería) = 3.0 + (-2.6)+ 19.5 m = 15.9 m.

Por cada codo de 45º se tiene un aumento de cierta cantidad de metros en la longitud recta de la
tubería. Esta cantidad se obtiene de los Cuadros 4.9, 4.10 y 4.11.
v2
La pérdida de carga ∆p = K , donde K tiene valores dados en la columna derecha del cuadro 4.9.
2g

73


Cuadro 4.9 Pérdidas de carga en accesorios.

ACCESORIO VALORES PARA K
45º ,codo 0.35 a 0.45
90º, codo 0.50 a 0.75
“T” 1.50 a2.00
Válvulas de compuerta (abierta) Aprox. 0.25

Cuadro 4.10 Pérdidas por fricción en válvulas y conexiones en la conducción de agua por
tuberías de plástico y acero.

Pérdidas por fricción:
Cálculo para una cantidad de metros equivalentes de tubería recta
Tipo de conexión y Tubo y Tamaño nominal del tubo y conexión
aplicación conexión ½ ¾” 1” 1 ¼” 1 ½” 2” 2 1/2”
Largo equivalente del tubo (m)
Control de incendios Plástico 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92
Adaptador Roscado Plástico 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92 0.92
(plástico y Rosca)
Codo Estándar de 90º Acero 0.61 0.92 0.92 1.22 1.22 1.53 1.83
Plástico 1.22 1.53 1.83 2.14 2.44 2.75 3.05
Unión en T estándar (Flujo Acero 0.31 0.61 0.61 0.92 0.92 1.22 1.53
corrido) Plástico 1.22 1.22 1.22 1.53 1.83 2.14 2.44
Unión en T estándar (Flujo Acero 1.22 1.53 1.83 2.44 2.75 3.36 4.27
lateral) Plástico 2.14 2.44 2.75 3.66 3.97 5.19 6.10
Válvula de compuerta Acero 0.61 0.92 1.22 1.53 1.83 2.14 2.44
Válvula de retención Tipo Acero 1.22 1.53 2.14 2.75 3.36 3.97 4.88
Chamela

74


Cuadro 4.11 Pérdidas por fricción en tubería de PVC.

Pérdidas por fricción en metros de carga por cada 100 m de tubería
l/s M3/s ½” ¾” 1” 1 ¼” 1 ½” 2” 2 ½” 3” 4”
ID ID ID ID ID ID ID ID ID
0.622” 0.824” 1.049” 1.380” 1.610” 2.067” 2.469” 3.068” 4.026”
0.13 0.45 4.10
0.19 0.68 8.70 2.20
0.25 0.91 14.80 3.70
0.32 1.14 22.20 5.70 1.80
0.38 1.36 31.20 8.0 2.50
0.44 1.59 41.50 10.6 3.30
0.50 1.82 53.0 13.5 4.20
0.57 2.04 66.0 16.8 5.20
0.63 2.27 80.50 20.40 6.30 1.70
0.76 2.73 28.60 8.90 2.30 1.10
0.88 3.18 38.00 11.80 3.10 1.40
1.01 3.63 48.60 15.10 4.00 1.90
1.26 4.54 60.50 22.80 6.00 2.80
1.58 5.68 38.70 9.10 4.30 1.30
1.89 6.81 12.70 6.00 1.80
2.21 7.95 16.90 8.00 2.40
2.52 9.08 21.60 10.20 3.00 1.10
2.84 10.22 28.00 12.50 3.80 1.40
3.16 11.36 15.40 4.60 1.70
3.79 13.63 21.60 6.40 2.30
4.42 15.90 28.70 8.50 3.00 1.20
5.05 18.17 36.80 10.90 3.80 1.40
5.68 20.44 45.70 13.60 4.80 1.80
6.31 22.71 56.60 16.50 5.70 2.20
7.57 27.25 23.10 8.00 3.00
8.83 31.79 30.60 10.50 4.00 1.10
10.10 36.34 39.30 13.40 5.00 1.40
12.62 45.42 20.10 7.60 2.10
16.41 59.05 32.40 12.20 3.40
18.93 68.13 42.10 15.80 4.40

Usando los valores de ambos cuadros se tiene que, la carga de fricción (CF) está dada por la relación:
Longitud total de recorrido * pérdida de carga por fricción dividido entre 100.

75


Por lo cual se tendrán los siguientes valores:

Diámetro de Longitud de Longitud Longitud Pérdida por Caída de
tubería tubería (m) adicional total de fricción presión
(pulgadas) por los 3 recorrido (m/100 m) (m)
codos (m) (m)
1 15.9 3x1.83 = 18.645 15.1 3.23
2.745

iv. La carga dinámica total es la suma de la carga estática más la carga de fricción.

CDT = CE + CF = 0.4 + 3.23 =3.63 m
PH = 9.8*Q*CDT =9.8*(1.01/1000)*3.63 = 0.035 = ¼

H. Diseñar el sistema de purificación con los resultados de laboratorio obtenido de los
parámetros físicos y químicos considerando que dentro de los más importantes, para
la selección del equipo son: Sólidos Disueltos Totales (TDS) (600 ppm), dureza
superior a 200 ppm y menos de 200 unidades de turbidez.

Con los datos anteriores y con visión a futuro, se optó por la mejor alternativa de tratamiento de
purificación para el agua de lluvia con la secuencia: filtración (lecho profundo, carbón activado,
intercambio iónico, tres filtros de mallas o pulidores, ósmosis inversa, luz ultravioleta y ozonización
(Figura 4.12).

Figura 4.12 Diagrama de una planta de purificación con ósmosis inversa.

Donde: 1 Fuente de agua; 2 Equipo hidroneumático; 3 Sistema de control de producción; 4 Filtro
Speedy Alemán; 5 Filtro 3 in 1 GAC, KDF, STA; 6 Sistema de suavización; 7 Micro filtros Pulidores; 8
Osmosis inversa; 9 Tanque de almacenamiento; 10 Equipo hidroneumático; 11 Esterilizador U.V.; 12
Generador de ozono; 13 Máquina de llenado; 14 Máquina semiautomática de lavado y enjuague.

76


Proceso de purificación del agua de lluvia en una planta con ósmosis inversa

A continuación se describen los componentes que integran una planta de purificación del agua de
lluvia con ósmosis inversa y que aseguran la calidad del agua, para cumplir con la normatividad
vigente.

1. Cisterna. Es el almacenamiento donde se recibe el agua de lluvia (materia prima), para clorarla con
hipoclorito de calcio o sodio hasta lograr una solución de 2 a 3 p.p.m de cloro libre (Figura 4.13).

Figura 4.13 Vista del sistema de almacenamiento revestido y con cubierta flotante de PVC.

2. Equipo hidroneumático. Está integrado por una bomba Jet de acero inoxidable de 1.0 HP, tanque
precargado con diafragma de neopreno, recipiente de presión de acero ultraligero, interruptor de
presión y manómetro (Figura 4.14).

Figura 4.14 Equipo hidroneumático.

77


3. Filtro. Es un filtro tamiz donde el agua cruda es filtrada para eliminar sólidos, arena, tierra, lodo,
arcilla, entre otros hasta 100 micras (Figura 4.15).

Figura 4.15 Filtro tamiz Speedy.

4. Filtro de carbón activado. Es un filtro donde el agua pasa a través de un sistema para eliminar
cualquier olor, sabor y color al agua, adsorbe el cloro residual, elimina poliaromáticos, fenoles,
hidrocarburos, entre otros compuestos químicos. Su fabricación es en fibra de vidrio con acabado
sanitario interno con una válvula de control automática para programar los retro-lavados y controlar el
flujo de salida (Figura 4.16).

Figura 4.16 Equipo de filtración de carbón activado.

5. Equipo de suavización. Se utiliza para bajar la dureza del agua por medio de resinas de
intercambio iónico que eliminan las partículas de Calcio y Magnesio nocivas para el ser humano.
Incluye un tanque de salmuera que se emplea en la regeneración de la resina catiónica; tiene una
válvula de pasos múltiples de operación automática acoplada a un “timer” calendario para prefijar día
y hora para la regeneración. Además, este proceso ayuda a que las membranas de ósmosis inversa
no se sature con facilidad (Figura 4.17).

78


Figura 4.17 Equipo de suavización marca MANTA.

6. Filtros pulidores. Las partículas desprendidas en el intercambio iónico se retienen a través de tres
filtros de 20, 10 y 5 micras de diámetro, fabricados en polipropileno grado alimenticio (FDA), dejando
el agua cristalina (Figura 4.18).

Figura 4.18 Filtros pulidores de 20, 10 y 5 micras de diámetro.

6. Ósmosis inversa. Es un sistema integrado por medio de una membrana semi-permeable
que elimina el 90 % de sólidos disueltos, minerales y partículas suspendidas; como el agua tiene
una concentración de sólidos disueltos totales (STD) de 600 mg/l, el agua de lluvia deberá tener
una concentración menor de SDT de 60 mg/l al pasar por el sistema (Figura 4.19).

79


Figura 4.19 Equipo de ósmosis inversa.

El agua almacenada en el tanque es dirigida a la unidad mediante la presión que genera la bomba de
1 HP, entonces el agua pasa al prefiltro de 5 micras, para eliminar los sedimentos que pudieron
desprenderse del carbón activado, posteriormente se lee el medidor de Sólidos Disueltos Totales (1 a
999 ppm), donde la producción esta basada en agua de alimentación a 25ºC y 500 ppm de STD. Una
vez entrada el agua en la membrana se produce un agua permeada, con una concentración de
alrededor del 5-10 ppm de SDT.

8. Tanque de 2500 litros. El agua filtrada y libre de impurezas químicas, orgánicas y sólidos
sedimentables es almacenada en este tanque para tener abastecimiento suficiente y agua procesada
de reserva lista para tratarse bacteriológicamente y envasarse (Figura 4.20).

Figura 4.20 Tanque de almacenamiento de agua potable de 2500 litros de capacidad.

80


9. Lámpara de radiación ultravioleta. El equipo funciona con una dosis de 30,000 µws / cm3 y una
eficiencia del 99 %, dentro de la cual se esteriliza el agua atacando el ADN de las bacterias que
pudieran existir en ese momento del proceso, evita la proliferación o la transmisión de alguna
enfermedad por la vía líquida. La lámpara de luz ultravioleta está diseñada en acero inoxidable con
dos tubos de cuarzo y lámparas de alta eficiencia. De acuerdo a análisis microbiológicos del agua no
se deben detectar Coliformes Fecales y Totales (Figura 4.21).

Figura 4.21 Lámpara de radiación ultravioleta.

Para que el equipo de luz ultravioleta opere eficientemente se requiere que el agua esté libre de
sustancias en suspensión o disolución. En otras palabras el equipo purificador UV no puede operar a
menos que la calidad del agua esté dentro de los siguientes niveles, ver cuadro 4.12.

Cuadro 4.12 Calidad del agua antes de operar el sistema de UV.

Parámetro Unidad Parámetro Unidad
Turbidez < 5 NTU pH 6.5 a 8
Hierro < 0.3 ppm Manganeso < 0.05 ppm
Ácido Sulfhídrico < 0.05 ppm Dureza < 120 ppm
Sólidos suspendidos < 10 ppm Color ninguno
Fuente: Instapura, 2006

Con los niveles que se piden para este equipo sé justifica el uso de la ósmosis inversa y de la
filtración, éste último con un grado nominal de por lo menos 5 micras.

10. Ozonificación. El equipo se utiliza para oxidar cualquier microorganismo que pudiera existir, el
procedimiento es mediante un sistema de saturación, con ayuda de un tubo Venturi hasta alcanzar 2
gramos de ozono al envasar (Figura 4.22).

81


Figura 4.22 Equipo generador de ozono.

Después de estos procesos el agua ya se considera purificada y cumple con las características
estipuladas en la NOM 041 y NOM 127 y se procede al llenado de garrafones y/o botellas.

11. Proceso de envasado. Las operaciones de envasado, llenado y sellado de los recipientes, deben
efectuarse en zonas cerradas para garantizar la protección de estos contra la contaminación de polvo,
microorganismos en el aire y condensación del agua.

12. Lavado de garrafones. Los garrafones y botellas son lavados con un sanitizante biodegradable,
desinfectados y enjuagados con agua purificada para tenerlos listos para su llenado en las áreas
confinadas para ello, donde son observadas las Normas de Buenas Prácticas de Manufactura de
Higiene y Sanidad, editadas por la Secretaría de Salubridad y Asistencia (NOM160). La lavadora de
garrafones es de acero inoxidable con 2 boquillas de lavado. Tiene 2 tinas, en la primera se agrega el
producto sanitizante; con una bomba que inyecta este producto al garrafón para obtener un lavado
perfecto. La segunda tina es para bombear agua del tanque de agua tratada a esta tina y dar un
enjuague adecuado a los garrafones con agua purificada. La máquina cuenta con dos bombas de 0.5
H.P. cada una.

82


Figura 4.23 Lavadora de garrafones.

13. Llenado manual de garrafones. Una vez realizada la desinfección del garrafón, éste se lleva a la
máquina de llenado manual, la cual consta de tres válvulas en material de PVC (Figura 4.24).

Figura 4.24 Llenadora de garrafones.

14. Taponado del garrafón. El tapón debe ser nuevo y la operación se realiza en forma manual,
colocándolo en el orificio del garrafón y presionando manualmente para su sellado hermético.

15. Colocación del sello de garantía. El producto envasado debe estar cerrado con tapa inviolable,
con sello y banda de garantía. El sello se coloca en forma manual alrededor del cuello del garrafón,
posteriormente se le pasa la pistola térmica para contraerlo y garantizar el control de calidad.

83


16. Requerimientos del etiquetado y embalaje. Debe figurar el número o clave del lote de
producción y el garrafón debe facilitar su manipulación, almacenamiento y distribución (Figura 4.25).

Figura 4.25 Garrafones con agua de lluvia purificada, “marca Maz-agua”.

17. Kit para analizar pH, cloro y reactivos para determinación de la dureza del agua.

I. Estudio económico y de rentabilidad

La inversión en activo fijo y diferido fue de 117,786.dólares; los costos de producción, 31,298.75
dólares; costos de administración y ventas por 14,136.25 dólares; el punto de equilibrio se obtiene con
una producción de 41,516 garrafones de 19 litros; el flujo neto de efectivo resultante es 30,691.5
dólares; un valor presente neto (VPN) de 76,160 dólares; una tasa interna de retorno (TIR) de 24.65%,
superior al 12% de la TMAR, lo que indica que el proyecto es viable; y la inversión por persona es de
45. 3 dólares.

4.12.2 Caso comunitario: Captación en techos de escuelas primarias
y purificación del agua de lluvia para consumo humano.

A. Localización del sitio para establecer el SCALL

Los tres SCALL para la etnia Purhépecha están ubicadas dentro del área de influencia del Municipio
de Los Reyes de Salgado, Michoacán a una altura promedio de 2500 msnm y con una precipitación
promedio anual histórica de 1309 mm (IMTA, 2000).

84


B. Determinación de la demanda de agua por las comunidades

Las comunidades son: San Antonio Tierras Blancas con una población de 690 habitantes y una
infraestructura para la captación del agua de lluvia consistente en una serie de aulas con 750 m2; San
Isidro tiene 1,462 habitantes y una superficie de sus aulas de 1,400m2; y Santa Rosa tiene 179
habitantes con un área de techos de escuelas de 200 m2.

Para determinar la demanda de las tres comunidades se consideró un consumo per capita de 2.4
litros por persona por día, utilizando la expresión 4.1 y 4.2 se tiene:

San Antonio:
690 * 2.4 * 30.4
D1 = = 50.3 m 3
1000
12
D anual= ∑ D j =50.3 m3*12=604.1 m3
j =1

Los resultados para las comunidades de San Isidro y Santa Rosa, se presentan en el cuadro 4.13, ya
que el procedimiento es similar al ejemplo 1.

Cuadro 4.13. Resumen de estimación de demanda anual, precipitación pluvial neta, área de
captación, diámetro de conducción y volumen de la cisterna.

Expresión Unidad San Antonio San Isidro Santa Rosa
Población habitantes 690 1462 179
Dot lpd 2.4 2.4 2.4
Ndj dias 30.4 30.4 30.4
Dj 4.1 m3 mes-1 50.3 106.7 13.1
D anual 4.2 m3 anual-1 604.1 1280 156.7
Ce Cuadro 4.1 adim 0.8 0.8 0.8
probabilidad Propuesto % 90 90 90
P total mm 1309 1309 1309
P N total 4.3 mm 776 776 776
A disponible m2 750 1400 200
A ec 4.4 m2 779 1650 200
Qc 4.5 lps 11 23 3
Dc 4.6 mm 100 150 75
T comercial in 4 6 3
V sedimentador 4.16 m3 h-1 39 82 10
Meses con sequía meses 7 7 7
V cisterna 4.18 m3 352 747 91
Dimensiones de cisterna m 19x11x3 10x41x3 13x14x3
Producción de garrafones piezas/día 84 178 22

Donde: A disponible es el área disponible en techos de escuelas, Dc es el diámetro comercial en
tubería de PVC, T comercial es la tubería comercial en material de PVC.

85


C. Área de captación del agua de lluvia.

Se consideró conveniente utilizar los techos de las instituciones educativas con el objeto de fomentar
y reforzar la cultura sobre la captación y el aprovechamiento eficiente del agua de lluvia, que
contribuya al desarrollo rural sustentable en las comunidades de las zonas marginadas.

Figura 4.26 Techo de escuela primaria utilizado como área de captación del agua de lluvia.

D. Equipo de recolección del agua de lluvia.

En el cuadro siguiente se presentan los datos de entrada para obtener las dimensiones de canaletas
rectangulares, utilizadas en las poblaciones beneficiadas.

Cuadro 4.14 Datos de entrada, cálculos de variables para obtener las dimensiones de canaletas
rectangulares.

Datos de entrada Expresión SANTA ROSA SAN ISIDRO SAN ANTONIO UNIDAD
Longitud de cauce= Dato 5 4.0 6.5 m
Cota máxima= Dato 3.50 3.5 3.5 m
Cota mínima= Dato 3.00 3.0 3 m
Superficie de captación= Dato 0.000064 0.000060 0.000065 km2
Precipitación máxima= Dato 100 100 100 mm
Duración de la Precipitación máxima= Dato 0.167 0.167 0.167 h
Cálculos
(Cota max-Cota min)/
Pendiente= Long. Cause 0.10000 0.1250 0.0769 m m-1
Velocidad = propuesta 1.2 1.2 1.2 m s-1
T concentración = 4.10 0.0027 0.0021 0.0037 h
Tiempo en que se produce el caudal máximo 1 = 4.12 0.106 0.093 0.1237 h
Tiempo de concentración del hidrograma 1 = 4.13 0.283 0.248 0.3302 h
Gasto máximo esperado 1 = 4.14 0.0168 0.0179 0.0146 m3 s-1
Gasto máximo esperado 1 = 16.8 17.9 14.6 lps
Tiempo en que se produce el caudal máximo 2 = 4.11 0.0833 0.083 0.0833 h
Tiempo de concentración del hidrograma 2 = 4.13 2225 0.223 0.223 h

86


Continuación…
Gasto máximo esperado 2= 4.14 0.0214 0.020 0.022 m3 s-1
Área hidráulica necesaria = 4.15 0.0178 0.0167 0.0181 m2
SECCIÓN RECTANGULAR
Área hidráulica necesaria Cuadro 4.3 0.01779 0.0167 0.0181 m2
base (b) Cuadro 4.3 0.15 0.15 0.15 m
Tirante (y) = A/b Cuadro 4.3 0.12 0.11 0.12 m
P. mojado = b+2y Cuadro 4.3 0.39 0.37 0.39 m
Radio hidráulico Cuadro 4.3 0.05 0.044 0.046 m
Dimensiones 15x12x18 15x11x18 15x12x18 m

El equipo instalado esta integrado por seiscientos tres metros de canaletas, construidas con lámina
galvanizada, grado sanitizante, calibre 26 y unidos cada 3.05 m con remaches pop y silicón de alta
resistencia. Las canaletas tienen una base de 15 cm y una altura de 18 cm. El soporte para las
canaletas debajo de las orillas de los techos se realizó con solera de acero de 1x1/8 de pulgada a
cada metro de distancia.

Figura. 4.27 Canaletas para la colección del agua de lluvia en la escuela primaria de los Reyes,
Michoacán.

87


CANALETA DE SECCIÓN
10 X 15 X 18 X 3 cm EN LAMINA
GALVANIZADA CAL.26

Figura 4.28 Detalle de canaleta y bajada.

En cada canaleta se encuentran acondicionados los salientes metálicos para las bajadas de cuatro
pulgadas.

Figura 4.29 Sección de la canaleta.

Cuadro 4.15 Longitud de canaletas utilizadas por población, en metro lineales.

POBLACIÓN CANALETAS METROS LINEALES

SANTA ROSA 47.90

SAN ISIDRO 375.13

SAN ANTONIO 169.79

TOTALES 592.82

88


El Sistema de conducción de agua pluvial se encuentra integrado por 66 bajantes con una altura
promedio de 2.70 m, tubería de 110mm (cuatro pulgadas de diámetro) en material de PVC sanitario.

Figura 4.30 Bajada del agua de lluvia de los techos.

La red interna de conducción se encuentra integrada por 592.82 m lineales de tubería de PVC
hidráulico de 100 mm tipo RD 41 clase 5, con una resistencia a la presión de 7 kg cm-3 la cual
descarga a la red de conducción principal. Dicha red esta integrada por 276 m lineales en tubería de
PVC hidráulico de 150 mm (6 pulgadas) de diámetro tipo RD 41 clase 5 y con una la misma
resistencia a la tubería de 100 mm.

El sistema de conducción mantiene una pendiente mínima del 1.3% para cada uno de los sitios.

La red principal de conducción conduce el agua captada a la cisterna de almacenamiento.

A continuación, en el cuadro 4.16 se muestra un resumen de la red de captación y conducción por
población.

89


Cuadro 4.16 Resumen de material de PVC, bajantes, trampas de sólidos y número de filtros de
sedimentos.

POBLACION PVC HCO. 6” PVC 4” No. No. TRAMPAS DE No. FILTROS DE
ml ml BAJANTES SÓLIDOS SEDIMENTOS
(Pieza) (Pieza) (pieza)

SANTA ROSA 70.5 28.40 6.0 6.0 1

SAN ISIDRO 149.90 290.24 40.0 40.0 1
SAN ANTONIO
69.50 232.50 20.0 20.0 1

TOTALES 289.90 551.14 66.0 66.0 3

E. Sistema de trampas de sólidos

El sistema de trampas de sólidos esta integrado por 66 trampas, colocadas en cada uno de los
bajantes construidos con malla galvanizada, calibre 28 y pegadas a las canaletas con pegamento
especial de PVC. Con estas mallas se evita la introducción a la red de basura, piedras, animales u
objetos mayores (Figura 4.31).

Figura 4.31 Trampas de malla galvanizada.

90


F. Sistema de filtros de sedimentos

FILTRO DE SEDIMENTOS

TUBO PVC HIDRULICO DE 150.00 mm

Figura 4.32 Ubicación del filtro de sedimentos.

En cada uno de los sistemas de conducción se encuentra instalado un filtro modular de sólidos, su
construcción es un cuerpo de PVC hidráulico de 10 pulgadas con un sistema filtrante modular de
arenas y gravas sílicas; su ubicación es en la parte superior de la cisterna, cementado a la red
principal justo antes de la descarga del agua pluvial.

El filtro de sedimentos cuenta con una salida con tapa roscada de sedimentos los cuales se desechan
al momento de realizar el lavado correspondiente y se recomienda realizar esto al presentarse las
primeras lluvias del año.

G. Sistema de almacenamiento

Las actividades fueron: excavación, acarreo, compactación y reforzamiento de muros de tierra de las
cisternas para realizar el revestimiento con geomembrana de 1.5 y 1.0 mm para taludes y piso,
respectivamente. Para evitar la contaminación y pérdidas por evaporación del agua almacenada, se
colocó una cubierta flotante con 1.2 mm espesor, más flotadores que indican el nivel de agua en la
cisterna.

En la siguiente figura se muestra el diagrama de instalación de la geomembrana de PVC en las tres
cisternas de las comunidades ya mencionadas.

91


Figura 4.33 Diagrama de instalación de geomembrana en piso, taludes y cubierta flotante.

Figura 4.34 Cisterna de geomembrana de PVC con cubierta flotante en San Antonio, Los Reyes,
Michoacán.

H. Obra civil

Se requirió de tres locales para las tres plantas purificadoras del agua de lluvia, con acabados
sanitarios establecidos por la Secretaria de Salud, el espacio total requerido fue de 30 m2 para cada
tren de purificación.

92


Figura 4.35 Local de 30 m2 para el proceso de purificación del agua de lluvia.

La construcción de la planta o local fue a base de armaduras de madera en la cubierta y muros de
carga de madera.

La cimentación fue a base de zapatas corridas de concreto armado. La transmisión de la carga a las
zapatas se logró mediante contra trabes de concreto armado las cuales soportan a los muros de
carga.

La loza de piso fue de concreto reforzado por temperatura con multifilamentos de polipropileno y el
espesor de la losa de 8 cm.

I. Descripción del proceso de producción y purificación

El proceso se inicia con la colección del agua de lluvia, la cual equivale a 776 mm anuales; el
almacenamiento se realizará en cisternas revestidas y con cubiertas flotantes de PVC, ahí se aplica el
primer producto bactericida y posteriormente pasa a un tanque, previó al sistema de tratamiento
(figura 4.35) ; filtrado (lecho profundo, carbón activado y suavizador), de ahí pasa al filtro pulidor
donde el agua potable es depositada en un tanque blanco; para la eliminación de microorganismos se
pasa por un equipo de luz ultravioleta , después se aplica Ozono antes del lavado de garrafones y
llenado.

Figura 4.36 Tren de purificación (izquierda) y personal capacitado (derecha).

93


J. Costos del proyecto

El costo del proyecto fue de 181,818 USD representan una inversión por persona de 78 dólares. El
precio de venta del garrafón es de 0.64 USD al público en general, los gastos de mantenimiento los
realiza la Secretaria de Desarrollo Social-Michoacán.

4.12.3 Sistema de captación del agua de lluvia para uso doméstico y
consumo humano a nivel familiar.
Se hizo el diseño de los componentes del SCALL de COLPOS 1 el cual integra: sistemas de
captación, conducción, filtrado, almacenamiento y disposición para abastecer de agua potable a una
familia de 4 personas con un consumo per capita de 50 l/ día.

A. Localización del sitio para establecer el SCALL

El primer paso fue determinar el lugar de instalación del SCALL, denominado COLPOS 1.

Figura 4.37 SCALL Colpos 1.

B. Determinación de la demanda de agua de la familia

Para la determinación del agua que es necesaria para actividades domésticas se obtiene la demanda
de agua mensual y anual en base al promedio que gasta una persona, 40 l pensando que es una
zona rural (80 l es el promedio per cápita en zonas urbanas) a una familia de 4 integrantes. Para esto
se consideró que los días promedio de un mes son de 30.4 días. Utilizando la expresión 4.1 y 4.2 se
obtiene lo siguiente:

94


4 * 40 * 30.4
Dj = = 4. 8 m 3
1000
12
D anual= ∑ D j =4.8m3*12=58.3 m3
j =1

C. Cálculo de la precipitación pluvial neta

La precipitación que se toma en cuenta para calcular la precipitación pluvial neta es la mensual
promedio de los últimos años con registro, en este caso los meses con lluvia van de Abril a Octubre
con 559 mm; sin embargo, solo se consideran los meses con precipitaciones mayores a 40 mm
(valores inferiores no se almacenan y se utilizan para la limpieza del área de captación y canaletas);
un coeficiente de escurrimiento de 0.8 (cuadro 4.1) por tratarse de concreto y una probabilidad de
lluvia de 90% obteniéndose tan solo 306 mm (Figura 4.38).

120 112
105
110
98
100
85
90
Precipitación [mm]

80

70

60
46 42
50

40
28
30

10 11
20 10
5 7
10

0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Agos Sep Oct Nov Dic
Meses

Figura 4.38 Precipitación promedio mensual histórica 1982-2003, Montecillo, Texcoco.
Fuente: Estación Meteorológica del C. P. Montecillos

La suma de precipitaciones mensuales netas con valores mayores a 40 mm es:

∑pp > 40 mm =74.97+85.68+80.33+65.03 =306 mm

95


D. Área de captación del agua de lluvia.

El área de captación de COLPOS 1 es de 120 m2. Para comprobar si el área de captación de la
infraestructura existente es suficiente, se utiliza la expresión que relaciona la demanda mensual y la
precipitación neta de los meses más lluviosos.

La expresión es:
58 . 3 m 3
A ec = = 191 m 2
0 . 306 m

El resultado anterior debe ser menor o igual al área del techo ya construido que es 8x15 m. Además,
de considerar el área de la cisterna (30 m2), para captación del agua de lluvia.

E. Diseño del sistema de conducción del agua captada

Las canaletas usadas para la recolección del agua de lluvia son de lámina galvanizada, por ser un
material con mayor duración y de fácil instalación en las orillas de techos de diferentes materiales.

Los datos para utilizar las expresiones 4.10-4.15 y obtener las dimensiones de la canaleta son los
siguientes:

Longitud del cauce: 7.5 m
Cota máxima = 3.5 m
Cota mínima = 3 m
Superficie de captación = 60 m2 = 0.00006 km2 (se considera la mitad del techo por tener un
parteaguas)
Precipitación máxima diaria registrada = 40 mm
Duración de la precipitación pluvial neta = 10 minutos =0.167 h

Resultados:

a. tiempo de concentración del agua

 7.50.77 
t c = 0.000325 
 0.066 0.385  = 0.0043 h
 

96


b. Estimación del tiempo en que ocurre el máximo escurrimiento con el empleo del
tiempo de concentración.

tp = 2 0.0043 + 0.6 * 0.0043 = 0.135 h

Conociendo el tiempo de duración de la precipitación pluvial máxima, se obtiene el tiempo en que
ocurre el máximo escurrimiento.

tp = 0.5 (0.167 hr)+0.6 (0.0043) = 0.0857 h

c. Tiempo para drenar todos los escurrimientos

El tiempo que se necesita para drenar los escurrimientos se calcula con la siguiente expresión:
tb = 2.67 (0.135) = 0.359 h
tb = 2.67 (0.0857) = 0.229 h

d. El gasto máximo esperado para el área indicada es:

0.278 * 40 mm * 0.00006 km 2
Qp = = 0.0050 m3 s -1
0.135 h
Q p = 5.0 lps
0.278 * 40 mm * 0.00006 km 2
Qp = = 0.0078 m3 s -1
0.0857 hr
Q p = 7.8 lps

El gasto esperado es de 7.8 lps.

e. Estimación del área transversal de una canaleta rectangular y circular para conducir
7.8 lps.

Datos:
Q p = 0.0078 m3 s-1
v = 1.2 m s-1
0.0078
A= = 0.0065 m 2
1.2

De acuerdo al Cuadro 4.17, el área de una sección rectangular es by =0.0065, si se propone una base
(b) de 0.08 m, se obtiene un tirante de 0.08 m.

97

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