PROPUESTA METODOLOGICA PARA EL CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL...
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PROPUESTA METODOLOGICA PARA EL CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUAS LLUVIA UTILIZADOS EN LOS COLEGIOS DE LA SECRETARIA DE EDUCACION DISTRITAL DE BOGOTA (SED), CASO ESPECÍFICO - COLEGIO GENERAL GUSTAVO ROJAS PINILLA. LINA MARIA NIÑO ESTUPIÑAN- Cod. 1101635 FRANKLIN CASTRO OSPITIA - Cod. 1101577 Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniero Civil Director: Julio Cuesta Olave Ingeniero Civil Esp. MSc(c) UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL BOGOTA D.C., CUNDINAMARCA 2016
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PROPUESTA METODOLOGICA PARA EL CÁLCULO DEL VOLUMEN DEL
TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUAS LLUVIA UTILIZADOS EN LOS
COLEGIOS DE LA SECRETARIA DE EDUCACION DISTRITAL DE BOGOTA (SED),
CASO ESPECÍFICO - COLEGIO GENERAL GUSTAVO ROJAS PINILLA.
LINA MARIA NIÑO ESTUPIÑAN- Cod. 1101635
FRANKLIN CASTRO OSPITIA - Cod. 1101577
Trabajo de Grado para optar al título de
Ingeniero Civil
Director:
Julio Cuesta Olave
Ingeniero Civil Esp. MSc(c)
UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTA D.C., CUNDINAMARCA
2016
Dedicatoria
Dedicamos este trabajo a nuestras familias Niño Estupiñan Y Castro Ospitia
quienes estuvieron en todo este proceso acompañándonos y motivándonos
cada día.
Agradecimientos
Expresamos nuestro agradecimiento a Dios por brindarnos la capacidad de superar
los obstáculos que tuvimos a lo largo de este proceso de formación, agradecemos al
ingeniero Julio Cuesta Olave por su acompañamiento, paciencia, dedicación pero
aún más le agradecemos por enseñarnos los principios y valores que debe tener un
ingeniero civil.
También agradecemos a la Secretaria de Educación Distrital De Bogotá, por su
colaboración en la obtención de la información para el desarrollo de este trabajo.
¡Gracias ¡
Contenido
1. Introducción ...............................................................................................................8
1.1. Planteamiento del problema ......................................................................................9
1.2. Objetivos ..............................................................................................................10
1.2.1. Objetivo general ..............................................................................................10
1.2.2. Objetivos Específicos .......................................................................................10
1.3. Justificación ..........................................................................................................11
1.4. Alcance ................................................................................................................13
2. Marco Teórico ..........................................................................................................14
2.1. ¿Qué es la captación de aguas lluvia? ....................................................................14
2.2. Historia .............................................................................................................14
2.3. Actualidad de los sistemas de captación de aguas lluvia. ..........................................15
2.4. Componentes de un Sistema de Captación de aguas lluvia: ......................................17
3. Marco Legal.............................................................................................................20
4. Metodología .............................................................................................................21
5. Resultados ...............................................................................................................24
5.1. Metodología N° 1 ..................................................................................................24
Método Del Bloque Alterno: ................................................................................29
Método Racional: ...............................................................................................31
5.2. Metodología N° 2 ..................................................................................................32
Método Del Bloque Alterno: ................................................................................34
Método Racional: ...............................................................................................36
5.3. Metodología N° 3 ..................................................................................................36
5.4. Metodología Suministrada por la SED ......................................................................42
6. Relación Beneficio / Costo.........................................................................................43
7. Análisis De Resultados: .............................................................................................46
7.1. Análisis comparación Metodología SED – Metodología elegida: ..............................51
7.2. Análisis relación costo Beneficio: .........................................................................51
Conclusiones ...................................................................................................................52
Bibliografía .....................................................................................................................55
Anexos ...........................................................................................................................56
Lista De Tablas
Tabla N° 1. Plan de consumo de agua lluvia y estrategia hasta el año 2050................................ 11
Tabla N° 2.Distribución de la población – Colegio General Gustavo Rojas Pinilla. ................... 21
Tabla N° 3Área de cubierta aprovechable – Colegio General Gustavo Rojas Pinilla.................. 22
Tabla N° 4Aparatos Sanitarios– Colegio General Gustavo Rojas Pinilla. ................................... 23
Tabla N° 5. Metodologías aplicadas para estimar volumen de almacenamiento de aguas lluvias. ............ 23
Tabla N° 6. Valores de los coeficientes a, b, c y d para el cálculo de las curvas IDF sintéticas. . 24
Tabla N° 7Precipitación máxima por año ..................................................................................... 26
Tabla N° 8. Cuadro resumen de los tiempos de concentración calculados. .................................. 29
Tabla N° 9 Calculo de hietograma por método del bloque alterno. .............................................. 30
Tabla N° 10Coeficiente de impermeabilidad – Titulo D tabla D.4.7 - RAS .................................. 32
Tabla N° 11. Calculo de curvas IDF de la EAB ............................................................................ 33
Tabla N° 12. Calculo de hietograma por método del bloque altero .............................................. 35
Tabla N° 13Valores de Dotación para uso escolar. ...................................................................... 37
Tabla N° 14 Valores de precipitaciones promedio mensuales (2001 – 2015). ............................. 38
Tabla N° 15Consumos mensuales de agua. ................................................................................... 39
Tabla N° 16. Valor del coeficiente de escorrentía. ....................................................................... 40
Tabla N° 17. Valores de oferta del agua de casa mes. .................................................................. 40
Tabla N° 18. Volumen del tanque de almacenamiento (m3/mes). ................................................. 41
Tabla N° 19. Consumo m3 SED. .................................................................................................... 42
Tabla N° 20.Volumen m3 SED. ...................................................................................................... 42
Tabla N° 21 Volumen de agua potable y Volumen de agua lluvia m3 SED. ................................. 42
Tabla N° 22. Consumos promedios mensuales colegio Kimmy Pernia.. ....................................... 44
Tabla N° 23. Relación Beneficio / Costo........................................................................................ 46
Tabla N° 24. % consumos de ahorro de agua potable................................................................... 48
Tabla N° 25. Vlm del tanque .......................................................................................................... 51
Lista de Figuras
Figura N° 1 Componentes básicos sistemas de un sistema de captación de aguas lluvia. ........... 17
Figura N° 2 Áreas de captación para diferentes tipos de techos. .................................................. 18
Figura N° 3. Canaletas de recolección. ......................................................................................... 18
Figura N° 4. Tanque de almacenamiento. ..................................................................................... 19
Figura N° 5. Colegio General Gustavo Rojas Pinilla. .................................................................. 21
Figura N° 6. Colegio General Gustavo Rojas Pinilla. .................................................................. 22
Figura N° 7. División de Regiones para la definición de los parámetros a, b, c y d .................... 25
Figura N° 8. Ubicación Colegio Kimmy Pernia. ........................................................................... 43
Figura N° 9. Diagrama de flujo de la Metodología Elegida. ........................................................ 50
Figura N° 10. Diagrama de flujo ingeniería conceptual. .............................................................. 53
Lista de Graficas
Grafica N° 1. Curvas I-D-F Estación INEM - KENNEDY ............................................................ 27
Grafica N° 2. Hietograma Estación INEM - KENNEDY, periodo de retorno de 5 años. ............. 30
Grafica N° 3. Curvas I-D-F método EAAB .................................................................................... 34
Grafica N° 4. Hietograma –IED Gustavo Rojas Pinila. ................................................................ 35
Grafica N° 5. Valores de precipitaciones promedio mensuales. ................................................... 38
Grafica N° 6. Consumos de agua Colegio Gustavo Rojas Pinilla. ................................................ 39
Grafica N° 7. Volumen del tanque de almacenamiento (m3/mes). ................................................ 41
Grafica N° 8. Consumos colegio Kimmy Pernia............................................................................ 44
Grafica N° 9. Comparación consumos colegio Gustavo rojas pinillas – colegio Kimmy Pernia. ............. 45
Grafica N° 10. Análisis de oferta y demanda acumuladas. ........................................................... 47
Grafica N° 11. Análisis % de ahorro de agua potable. ................................................................. 49
Lista de Anexos
Anexo A. Datos del IDEAM Estación INEM KENNEDY – Valores Máximos De Precipitación en
24 Horas. ........................................................................................................................................ 56
Anexo B. Datos del IDEAM Estación INEM KENNEDY – Valores Totales mensuales de
precipitación. .................................................................................................................................. 57
Anexo C. Plano de cubiertas ¼ - Suministrado por la SED. ........................................................ 58
Anexo D. Plano de cubiertas2/4 - Suministrado por la SED. ...................................................... 59
Anexo E. Plano de cubiertas2/4 - Suministrado por la SED......................................................... 60
Anexo F. Plano de cubiertas2/4 - Suministrado por la SED......................................................... 61
Resumen
En este documento se presenta un resumen de diversas metodologías utilizadas en la proyección
de volúmenes de almacenamiento de aguas lluvias y se evalúa la aplicabilidad de las mismas en
los sistemas de aguas lluvias propuestos en las Instituciones Educativas Distritales (IED) de la
Secretaría de Educación Distrital de Bogotá (SED), como medida para el uso eficiente del agua
en instituciones oficiales. Como piloto, estas metodologías son aplicadas al Colegio General
Gustavo Rojas Pinilla, ubicado en la localidad de Kennedy y construido en al año 2007, donde
fue posible obtener la información inicial de diseño (planos y memorias de cálculo hidráulico del
colegio) y consumos de agua potable, que permitieron, inicialmente evaluar el impacto de la
infraestructura de aguas lluvias construida en el ahorro de agua de la Institución y analizar
además la metodología de diseño óptima para implementar en la planeación de los volúmenes de
almacenamiento. Se recolectó información de distintas entidades como el Instituto de
Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM), Empresa de
Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Bogotá (EAB), Secretaria de Educación Distrital de Bogotá
(SED), y reglamentación vigente, para analizar variables como precipitación, intensidad, tiempo
de concentración, áreas aprovechables, coeficientes de escorrentía, consumos etc.
Se implementaron 3 metodologías, la primera una tormenta de diseño a partir de curvas IDF
sintéticas evaluadas por el método del bloque alterno y le método racional, la segunda curvas IDF
utilizadas por la EAB las cuales también fueron evaluadas por el método del bloque alterno y el
método racional para la aplicación del método del bloque alterno se tomó una tormenta de diseño
distribuida durante 2 horas, , para el método racional se utilizó el caudal pico para la obtención de
un volumen de almacenamiento y la tercera metodología consistió en la aplicación de curvas de
masas, que relacionan las precipitaciones en el sector con los consumos promedios de la
institución educativa. Se destaca que los mayores volúmenes de almacenamiento se obtienen de
la aplicación de la curva de masa, con valores que superan los 5000 m3
de agua lluvia requerida
para suplir las necesidades de consumo anual de sanitarios y orinales, mientras que el volumen
obtenido con la tormenta de diseño de dos horas, implementado el método racional y con el
promedio de las lluvias en un año, serían notablemente menores, cerca de un 90% menos, pero
requerían del aporte de agua potable en épocas de bajas precipitaciones, aproximadamente un
20% de año para esta zona de Bogotá, según la información de la estación INEM Kennedy
(IDEAM). Seguidamente, se propone una metodología para el cálculo de volúmenes de
aprovechamiento de aguas lluvias en colegios SED, permitiendo incluir criterios como el tiempo
de renovación de aguas lluvias a partir de la información pluviométrica de la zona y detallando
los pasos y consideraciones mínimas que se deben evaluar para la escogencia del valor óptimo de
almacenamiento. Finalmente, teniendo en cuenta que lo propuesto en este documento representa
una primera aproximación, se dan pautas para continuar con la investigación, incluyendo
variables como: diferentes localidades de la ciudad, diferentes áreas aprovechables, fenómenos de
variabilidad climática y costos operacionales de los sistemas de bombeo, etc., con lo cual se
validaría la metodología aquí propuesta y se complementaría en caso de ser requerido para
implementación generalizada en los proyectos liderados por la Secretaría de Educación Distrital,
permitiendo a futuro limitar la multiplicidad de criterios de diseño y generando eficiencia en la
recolección y almacenamiento del agua lluvia en las IED.
1. Introducción
El agua es un recurso abundante en la tierra, es uno de los factores clave en la climatización de
nuestro planeta y la influencia clara de la civilización, En Colombia se cuenta con una gran
riqueza en agua, suelo, flora y fauna. Aunque no se encuentre catalogada en un país con grandes
problemas ambientales por agencias internacionales, pero un problema claro es el mal uso que se
le da a este recurso puesto que erróneamente se cree que el agua es un recurso renovable.
La climatología colombiana a escala interanual se ve directamente afectada por la ocurrencia del
fenómeno macro climático ENSO (Oscilación del Sur) en sus fases Niño y Niña, el cual, en
nuestro país es causante de un aumento de precipitaciones y caudales de escorrentía superficial en
fase Niña y por el contrario, una disminución notable de las precipitaciones en la fase Niño, esta
última fase ocasiona directa o indirectamente múltiples presiones sobre el recurso hídrico por
mayor demanda de agua para distintos usos, generando riegos de racionamiento del consumo de
agua y energía en algunas de las grandes ciudades, por las restricciones de generación de
hidroelectricidad, etc.
En la región Andina, el departamento de Cundinamarca es uno de los más damnificados por
afectaciones relacionadas con el cambio climático, es por eso que Bogotá D.C., al ser la ciudad
más importante de la región y del país, ha venido implementando estrategias para el uso eficiente
del agua, siendo una de ellas el aprovechamiento del agua lluvia. En la Capital, pueden destacarse
proyectos con aplicaciones de esos sistemas de aprovechamientos de aguas lluvia como: El
almacén Alkosto – Venecia, el edificio de Postgrados de Ciencias Humanas de la Universidad
Nacional sede Bogotá, Complejo Acuático, Simón Bolívar, etc.; sin embargo, falta mayor
masificación en la implementación de los sistemas, comúnmente compuestos por una zona de
captación y recolección, red de distribución y estaciones de bombeo. También, se han
implementado desde varios años en los colegios SED, con distintas metodologías y criterios que
han conducido entre otros aspectos a diversos valores en los volúmenes de almacenamiento,
costos y en algunos a condiciones de salubridad por la adopción de criterios erróneos durante la
planeación (ingeniería conceptual). La investigación aquí propuesta, ayuda a abordar la
optimización de los volúmenes de captación de los sistemas de aprovechamiento de aguas lluvias
en proyectos SED (Instituciones Educativas Distritales), a través de una propuesta metodológica
que permita un adecuado cálculo de los volúmenes, teniendo en cuenta aspectos tales como: el
consumo de la población estudiantil, las precipitaciones del sector, el tiempo de renovación de
aguas lluvias, etc. y de esta forma aportar para el diseño de estos sistemas de ahorro de agua
potable.
1.1. Planteamiento del problema
La secretaria de educación distrital de Bogotá ha querido desarrollar la implementación de
sistemas de aprovechamiento de aguas lluvia en los colegios de la ciudad, pero no cuenta con
metodologías definidas y claras por lo cual se han creado diversidad de criterios por parte de los
equipos de diseño de cada proyecto.
Uno de los componentes del sistema de aprovechamiento de aguas lluvia más relevantes es el
tanque de almacenamiento, el cual permite recolectar y distribuir estas aguas en actividades
donde usualmente se utilizaría agua potable como descargas de sanitarios, orinales y riegos de
jardines, sin perjuicio a la salud. La determinación del volumen de este tanque se ha visto
envuelto en procedimientos que no han logrado un tipo de estandarización y un adecuado
funcionamiento, según la necesidad. Lo que ha generado consecuencias como construcciones de
tanques con sobredimensionamientos que generarían problemas por falta de adecuada renovación
de agua, o tanques muy pequeños que no permiten aprovechar volúmenes óptimos de agua lluvia
y por ende no hay un óptimo ahorro de agua potable, generando algunas veces sobrecostos para
los colegios y problemas de salud pública.
A partir de lo descrito anteriormente, nació la necesidad de generar un aporte al departamento de
diseño de la Secretaria de Educación Distrital (SED), que permita por una parte exponer las
distintas metodologías comúnmente aplicadas en consultorías y recomendadas en la bibliográfia,
evaluarlas desde distintas perspectivas (economía, cantidad de agua aprovechable, recirculación
de agua, etc.) y proponer una metodología que logre limitar la variedad de cálculos y criterios,
permitiendo en la medida de lo posible, una estandarización en la ingeniería conceptual, y
generando recomendaciones para la adecuada proyección de esta infraestructura en las
instituciones SED. Las metodologías discutidas serán aplicadas en un colegio piloto, con el cual
fue posible acceder a información de consumos y que cuenta actualmente con un sistema de
recolección y aprovechamiento de aguas lluvias. Surge entonces la siguiente pregunta de
investigación:
¿Qué metodología será la más óptima para implementar en el cálculo del volumen del tanque de
almacenamiento de aguas lluvia, en el caso específico del Colegio General Gustavo Rojas Pinilla,
localidad de Kennedy, y como a partir de los resultados obtenidos se puede aportar a la ingeniería
básica de planeación de los almacenamientos de aguas lluvias en los futuros diseños de colegios
para la SED?
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo general
Elaborar una metodología para definir el volumen del tanque de almacenamiento en los sistemas
de aprovechamiento de agua lluvia para los colegios de la secretaria de educación distrital de
Bogotá, aplicando esta metodología al caso específico del Colegio General Gustavo Rojas Pinilla.
1.2.2. Objetivos Específicos
Desarrollar una propuesta metodológica para la definición del volumen del tanque de
almacenamiento de aguas lluvia, que sirva para el uso de riego de jardines, descargas de
sanitarias y actividades que en su momento no requieran de uso de agua potable.
Realizar la comparación de la metodología escogida contra la infraestructura diseñada y
existente del colegio General Gustavo Rojas Pinilla.
Realizar un análisis de la relación costo/beneficio con base a los consumos de agua
potable del colegio General Gustavo Rojas Pinilla, localidad de Kennedy.
1.3. Justificación
La ingeniería civil es una ciencia que busca brindar soluciones a la comunidad ante problemas
que se generan con la evolución global, es por eso que nuestro país ha tratado de atender la
realidad de los efectos del cambio climático disminuyendo las dotaciones de consumo asignadas
a cada usuario del sistema, es decir, los litros por habitante y por día de cada habitante (l/hab/día)
e incluso sancionando de manera monetaria a los consumos altos o excesivos, lo anterior,
buscando estimular el ahorro de agua. Además, se han fortalecido la apelación de decretos y leyes
que establecen directamente el correcto uso eficiente del agua como lo son: Decreto 302 de 2000,
por el cual se reglamentara la Ley 142 de 1994, en materia de prestaciones de los servicios
públicos domiciliarios de acueducto y alcantarillado; Ley 373 de 1997, por la cual se establece el
programa para el uso eficiente y ahorro del agua; ley 9 de 1979, por la cual se dictan medidas
sanitarias; y generado nuevos decretos o lineamientos, uno de los más recientes para la ciudad de
Bogotá es el Acuerdo 002 de 2015, por el cual se aprueba el Plan Distrital de Gestión de Riesgos
y Cambio Climático para Bogotá D.C., 2015-2050 y se dictan otras disposiciones; en el cual,
puntualmente se establece que:” ARTÍCULO 58. Metas de corto, mediano y largo plazo para
la reducción del consumo de agua potable por el uso de agua lluvia. Para el desarrollo del
programa se establecen las siguientes metas de corto, mediano y largo plazo (ver Tabla N° 1):
Tabla N° 1. Plan de consumo de agua lluvia y estrategia hasta el año 2050.
Fuente: Acuerdo 002. - 2015
Por otro lado, en el caso particular de los ambientes educativos, las norma NTC 4595 (segunda
edición), también detalla: “El diseñador debe prever un sistema de Recolección, tratamiento y
reutilización de aguas lluvias cuando la factibilidad técnica lo permita”, todo lo anterior,
propendiendo por la reutilización de aguas lluvias.
La secretaria de educación distrital de Bogotá, no ha sido ajena a esta tendencia de ahorro y uso
eficiente de agua, teniendo en cuenta que desde aproximadamente una década atrás viene
implementando en los diseños de infraestructura educativa sistemas de aprovechamiento de aguas
lluvias, con los cuales se pretende utilizar los volúmenes de agua (escorrentía superficial)
proveniente de zonas no transitables, para almacenamiento y posterior distribución en la red que
abastece sanitarios, orinales y jardines; buscando una disminución de los consumos de agua
potable en los colegios, ahorro que con el tiempo termina compensando los costos de una doble
red en la inversión inicial; sin embargo, esta misma entidad se ha enfrentado a la multiplicidad de
criterios y en algunos casos al desconocimiento del tema por parte de las empresas de consultoría
y/o construcción a quienes se han encomendado los diseños de estos sistemas, dando como
resultado la variedad de dimensiones en las estructuras de almacenamiento, sistemas de bombeo,
redes, etc., ocasionando poca claridad para la SED sobre los costos y eficiencias de los mismos.
Es por esta razón que este trabajo pretende dar a conocer una metodología para el cálculo del
volumen del tanque de almacenamiento de aguas lluvia en el caso específico colegio General
Gustavo Rojas Pinillas y de esta manera hacer un aporte justificado que permita al departamento
de diseño de la SED planificar mejor esta infraestructura desde la ingeniería conceptual de cada
proyecto.
1.4. Alcance
Este proyecto será realizado en la ciudad de Bogotá con base a un problema específico
concerniente en la implementación en el Colegio General Gustavo Rojas Pinilla (localidad de
Kennedy, barrio Vergel Occidental CL 11 B 80 B – 61) de distintas metodologías existentes para
el cálculo del volumen del tanque de almacenamiento de aguas lluvia. Este Colegio cuenta con
un poco más de 3000 estudiantes.
La recolección de datos e información se tomaron de entidades como IDEAM, EAB, SED.
2. Marco Teórico
2.1. ¿Qué es la captación de aguas lluvia?
“La captación de agua de lluvia es la Captación, transporte y almacenamiento del agua de lluvia
que cae sobre una superficie de manera natural o hecha por el hombre. Las superficies que
captan el agua en las ciudades pueden ser techos de casas y edificios, techumbres de almacenes
y de tiendas, explanadas, etc. El agua almacenada puede ser usada para cualquier fin, siempre y
cuando utilicemos los filtros apropiados para cada uso, es decir, para usos básicos como
limpieza de ropa, de pisos, sanitarios y riego puede usarse un filtro muy sencillo; para aseo
personal y para agua que se pretenda beber, se deberá tener un sistema de filtros diferente,
adecuados para estos fines.” (Adler, I., Carmona, G., Bojalil, J.,2008 p.4).
2.2. Historia
El ser humano se ha beneficiado del agua superficial como fuente de todas las principales
actividades que garanticen su consumo, abastecimiento y vías de transporte. Es por eso que el
desarrollo de la civilización se dio a las orillas de los ríos ya que estos proporcionaban el recurso
hídrico de manera fácil y directa para las personas lo cual género que se crearan cultivos, para
mantener estos cultivos el hombre encuentra que el agua lluvia es una buena para el riego y el
cuidado de los cultivos, lo cual hizo que el agua superficial que se obtenía de los ríos se usara
principalmente para la supervivencia de las comunidades.
Las poblaciones empezaron a crecer demográficamente razón por la cual algunos pueblos
debieron empezar a desplazarse a zonas áridas o semiáridas trayendo consigo el desarrollo de
formas de captación de aguas lluvias.
Algunos de los ejemplos más relevantes de las formas de aprovechamiento de agua lluvia a través
de la historia son:
El Desierto de Negev, en Israel y Jordania, donde han sido descubiertos sistemas de captación de
agua de lluvia que datan de 4.000 años o más, estos sistemas consistían en el desmonte de
lomeríos para aumentar la escorrentía superficial, que era entonces dirigida a usos agrícolas en las
zonas más bajas .
Durante la República Romana (siglos III y IV a.C.) la ciudad de Roma en su mayoría estaba
ocupada por viviendas unifamiliares denominadas “la Domus” que contaba con un espacio
principal a cielo abierto (“atrio”) y en él se instalaba un estanque central para recoger el agua
lluvia llamado “impluvium”, el agua lluvia entraba por un orificio en el techo llamado
“compluvium”.
En Loess Plateau en la provincia de Gansu en China existían pozos y jarras para la captación de
agua lluvia desde hace más de 2000 años.
En Irán se encuentran los “abarbans”, los cuales son los sistemas tradicionales locales para la
captación y almacenamiento de aguas lluvias.
En Centroamérica el abastecimiento de agua para la población y el riego de los cultivos se hacía a
través una tecnología para el aprovechamiento de agua lluvia, el agua era recogida en un área de
100 a 200 m2 y almacenada en cisternas llamadas “Chultuns”. (Ballén Suárez, et al 2006).
2.3. Actualidad de los sistemas de captación de aguas lluvia.
Las soluciones como la captación de agua lluvia se ha impuesto en las principales Países del
mundo puesto que, al enfrentarse a un clima inestable, deben darle prioridad a usos que realmente
necesitan agua potable y encontrar usos para el recurso pluvial que puede tener una menor
calidad que satisfaga los requisitos básicos para usos como limpieza, procesos industriales,
sanitarios, riego y recarga de las reservas subterráneas.
La Captación y aprovechamiento del agua lluvia en Europa se debe al alto precio del agua en
muchos países, en donde tiene un mayor costo es Dinamarca (1.84 Euro/m³) y Alemania (1.73
Euro/m3). (Cortez González, C., Vite Vite, E.S, 2015).
En Alemania el gobierno ofrece apoyo y da subsidios para que las personas se comprometan con
la instalación de sistemas de Captación de agua lluvia, y además permite que las personas que
utilizan estos sistemas reciban beneficios en descuentos en la tasa anual que se cobra por la
descarga del escurrimiento pluvial de los drenajes.
En países de Asia, tenemos a China en la provincia de Gansu una de las zonas más pobres de este
país en su pasado existían pozos y jarras para la captación de agua lluvia desde hace más de 2000
años, pero entre los años 1995 – 1996 el gobierno implemento un proyecto llamado “121”, el
cual, para la captación de agua lluvia de esta zona contaba con canaletas para recolectar el agua
de los techos, tanque de almacenamiento en cemento, y planchas de plástico para recolectar la
lluvia en el suelo, estos elementos que formaban todo el sistema eran suministrados a cada
familia de la zona. (Ballén Suárez, et al 2006).
En Japón, actualmente en la ciudad de Tokio los edificios con más de 10.000 m2 de superficie
construida o más de 3.000 m2 de superficie de terreno solo reciben el permiso de construcción si
implementan el reciclaje de aguas, en 1994 en la ciudad de Sumida ubicada en el área
metropolitana de Tokio, realizo el congreso internacional más grande sobre el uso de aguas lluvia
y en marzo de 1996 publicó su guía de principios del uso de las aguas pluviales, en donde se
manifiesta la construcción de sistemas de usos de aguas pluviales en todos los edificios públicos,
además la municipalidad apoyará a los habitantes y empresas en la planificación y la instalación
de sistemas si la superficie comprende más de 1.000 m2. Es muy común encontrar en los barrios
de esta ciudad el sistema rojizo, este sistema recibe el agua lluvia de los techos, la almacena en
un pozo subterráneo y luego esta agua puede ser extraída por una bomba de manera manual.
(Margot Franken, 2007).
En la India, donde su población ha aumentado cinco veces en las últimas décadas, lo cual ha
causado un gran problema ya que las fuentes donde se abastecían de aguan están desapareciendo
a causa del aumento desenfrenado del nivel de demanda, las fuentes de las cuales se abastecen
son subterráneas, razón por la cual el gobierno se ha visto obligado aplicar leyes en ciudades
como Chemai y Nueva Delhi donde los sistemas de aprovechamiento de aguas lluvia son
obligatorios.
En África, debido a problemas de costos, precipitación estacional, dificultad para encontrar los
materiales, se utilizan sistemas de Captación de agua lluvia subterráneos, la calidad del agua no
es apta para beber, pero sirve para limpieza y riego de cultivos. En Zimbabue se utiliza un
sistema de captación denominado Fanya juus que consiste en hacer canaletas de 50 a 60 cm de
profundidad en la tierra que conducen a un sistema de almacenamiento que, a su vez, está
conectado con cultivos locales para ser regados teniendo en cuenta que los cultivos son la mayor
fuente de ingreso de sus habitantes. (Captación en el mundo, S.F).
En Norte américa se estima que más de medio millón de personas utilizan los sistemas de
Captación de aguas lluvia y se cuenta con más de 50 compañías encargadas del diseño y
construcción de los mismos, Texas es el estado donde más se utilizan los sistemas de
aprovechamiento de agua lluvia. Una casa típica en Texas tiene un área de 200 m2 de cubierta y
puede producir más de 150.000 litros de agua. (Ballén Suárez, et al 2006).
En Canadá se llevó a cabo un proyecto que tomo como nombre “HEALTY HOUSE”, en esta
casa autosuficiente, que es capaz de suministrar su propia agua atreves de la recolección de agua
lluvia de este sistema, el hogar consume aproximadamente 1/10 del agua de un hogar típico.
Aproximadamente el 80% del agua utilizada en el hogar se logra a través de este reciclaje. Un
hogar típico de una familia de tres consume unos 1.050 litros por día, o alrededor de 350 litros
por persona y día. Por el contrario, una familia de tres viviendo en esta casa consume sólo
alrededor de 120 litros por día. (CMHC HELATHY HOME, Martin Liefhebber).
A continuación, se destacan en Colombia algunos importantes proyectos donde se implementaron
sistemas de Captación de aguas lluvia que generan ahorros parciales de agua potable:
Hipermercado Alkosto Venecia en Bogotá: la cubierta de 6.000 m2 capta alrededor de
6.000 m3 de agua lluvia al año, con lo cual se satisface el 100% de la demanda de agua
potable de la edificación. El líquido acopiado es tratado en una planta compacta con
capacidad de 40 m3 por día- para después ser inyectada al sistema hidráulico del edificio.
Almacén Alkosto de Villavicencio: la cubierta de 1.061 m2 capta agua lluvia para ser
almacenada en un tanque de 150 m3. Posteriormente, el líquido es tratado por medio de
procesos de floculación, filtrado y cloración en una planta de tratamiento. El resultado es
agua potable para todas las necesidades del establecimiento durante el año.
Edificio de Postgrados de Ciencias Humanas de la Universidad Nacional en
Bogotá: una cubierta protegida con grava capta agua lluvia que es llevada a tanques
subterráneos, desde los cuales se bombea agua para la descarga de los inodoros y la
alimentación de fuentes y espejos de agua.
Complejo Acuático Simón Bolívar en Bogotá: La cubierta recoge el agua lluvia y la
envía a un tanque de purificación. Luego de ser procesado, el líquido pasa a un tanque de
aguas tratadas para que un sistema especializado verifique su saneamiento y finalmente la
inyecte al sistema hidráulico, para labores de limpieza y adecuación de baños, cocinas y
jardines. (Marco Andrés Osuna Vargas 2010).
En Buenaventura, Cali, Vichada, San Andrés, Cartagena, donde se sufren grandes problemas de
desabastecimiento de agua potable, las personas recogen el agua lluvia en canecas con las cuales
suplen sus necesidades básicas, obviamente al no tener sistemas tecnificados la calidad de agua
no es la mejor para uso de consumo humano, pero si ayuda a suplir demandas de agua potable
como descargas de sanitarios. Las aplicaciones de sistemas de aguas lluvias aplicados en el país,
descritas anteriormente, tienen importantes similitudes como la implementación de tratamientos
primarios y secundarios a través de plantas de almacenamiento, e incluso grandes volúmenes de
almacenamiento con es el caso de Alkosto (Bogotá), donde el volumen de almacenamiento suple
hasta un año de funcionamiento. En los ítems siguientes se presentan los componentes básicos de
esta infraestructura.
2.4. Componentes de un Sistema de Captación de aguas lluvia:
El aprovechamiento de agua lluvia es muy importante en las instituciones educativas puesto que
permite la disminución del uso agua potable para el uso de este sistema se deben definir los
componentes básicos del sistema, los cuales están dados en la siguiente imagen.
Figura N° 1 Componentes básicos sistemas de un sistema de captación de aguas lluvia.
Fuente: Guía de diseño para la captación del agua lluvia Lima, 2004
.
1. Captación:
Es el techo o la superficie destinada para recolectar el agua lluvia. Estos deben tener una
pendiente superior al 5%, para que se facilite el escurrimiento del agua. Los materiales
empleados en la construcción de techos para la captación de agua de Lluvia pueden ser
metálicos, tejas de arcilla, o paja, etc. Los techos recolectan agua de la siguiente manera.
Figura N° 2 Áreas de captación para diferentes tipos de techos.
Fuente: The Texas Manual on Rainwater Harvesting. Texas Water Development Board.
2. Recolección:
Esta se realiza por medio de canaletas las cuales están en la parte perimetral de los techos
conduciendo el agua a las bajantes, deben ser de una material liviano y resistente a
diversos factores climáticos. Puede ser de materiales como: bambú, madera, metal o PVC.
Figura N° 3. Canaletas de recolección.
Fuente: Guía de diseño para la captación del agua lluvia Lima, 2004.
3. Interceptor :
Realiza la descarga de las primeras aguas provenientes del lavado del techo y que
contiene todos los materiales que en él se encuentren en el momento del inicio de la
lluvia. Este dispositivo impide que el material indeseable ingrese al tanque de
almacenamiento y de este modo minimizar la contaminación del agua almacenada y de la
que vaya a almacenarse posteriormente.
4. Tanque de almacenamiento:
En el cual se debe tener mayor cuidado puesto que se debe tener en cuenta el factor
humano es decir el número de personas que serán beneficiadas con este sistema para
diseñar el tanque de almacenamiento y así no tener que usar agua potable para que este
tanque quede sin agua.
A este elemento se encuentra unida la red de distribución de agua lluvia la cual se
encuentra paralela a la red del acueducto, esta red se abastece por medio del sistema de
bombeo. (Guía de diseño para la captación del agua lluvia Lima, 2004).
Figura N° 4. Tanque de almacenamiento.
Fuente: http://www.hortalizas.com/horticultura-protegida/recomendaciones-para-integrar-el-agua-de-
lluvia-en-su-macrotunel/.
3. Marco Legal
Dentro del desarrollo del trabajo se tendrá en cuenta la normatividad que interfiera para el diseño
del volumen del tanque de almacenamiento de aguas lluvia, dentro de las cuales encontramos:
Decreto 302 de 2000, El presente decreto contiene el conjunto de normas que regulan las
relaciones que se generan entre la entidad prestadora de los servicios públicos de
acueducto y alcantarillado y los suscriptores y usuarios, actuales y potenciales, del
mismo.
Ley 142 de 1994, Por la cual se establece el régimen de los servicios públicos
domiciliarios y se dictan otras disposiciones.
Ley 373 de 1997, por la cual se establece el programa para el uso eficiente y ahorro
del agua.
Resolución 1508 de 2010, Por la cual se establece el procedimiento para el recaudo de los recursos provenientes de las medidas adoptadas por la Comisión de Regulación de
Agua Potable y Saneamiento Básico para promover el uso eficiente y ahorro del agua
potable y desestimular su uso excesivo y su respectivo giro al Fondo Nacional
Ambiental (Fonam).
ley 9 de 1979, Por la cual se dictan Medidas Sanitarias.
Acuerdo 002 de 2015, Por el cual se aprueba el Plan Distrital de Gestión de Riesgos y Cambio Climático para Bogotá D.C., 2015-2050 y se dictan otras disposiciones.
Norma Técnica Colombiana NTC 1500 – Código Colombiano De Fontanería.
Norma Técnica De Servicio NS 085 Criterios De Diseño De Sistemas de Alcantarillado.
Reglamento Técnico Del Sector De Agua Potable Y Saneamiento Básico RAS 2010 Titulo B – Sistemas de Alcantarillado.
Reglamento Técnico Del Sector De Agua Potable Y Saneamiento RAS 2010 Titulo D Sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales domésticas y aguas lluvia.
4. Metodología
Para el desarrollo de este trabajo se eligió el Colegio General Gustavo Rojas Pinilla ubicado en la
ciudad de Bogotá - CL 11 B 80 B – 61 perteneciente a la estratificación socioeconómica 3, que
cuenta con todo los servicios públicos. El servicio de agua potable y alcantarillado es
suministrado por la EAB.
Figura N° 5. Colegio General Gustavo Rojas Pinilla.
Fuente: Propia.
La metodología del trabajo se forjará de la siguiente manera:
Compilación y procesamiento de las memorias – planos Hidráulicos del colegio,
suministradas por la SED.
Determinar la población del colegio:
El colegio tiene dos jornadas, en las cuales se distribuye la población de la siguiente
manera:
Tabla N° 2.Distribución de la población – Colegio General Gustavo Rojas Pinilla.
Fuente: Elaboración propia – información suministrada por la SED.
20
TOTAL POBLACION 3050
1470
# Estudiantes JORNADA Rectora
49 1
EMPLEADOS
DIURNA
NOCTURNA
1510
# Profesores -
Coordinadores
Definir el área útil para el aprovechamiento del agua lluvia:
Para determinar la superficie que recolectara el agua lluvia, se usaron los planos del
colegio obteniendo
Tabla N° 3Área de cubierta aprovechable – Colegio General Gustavo Rojas Pinilla.
Fuente: Elaboración propia – información obtenida de los planos del colegio.
Figura N° 6. Colegio General Gustavo Rojas Pinilla.
Fuente: Propia.
Cabe destacar que el área aprovechable se considera solo para cubiertas y zonas no
transitables, lo anterior, en aras de garantizar que la calidad del agua a ser recogida, tenga
la menor contaminación posible y con esto establecer tratamientos primarios
(desarenadores), que permite mantener la fiabilidad del sistema al disminuir
mantenimientos costosos que no puedan ser sostenidos por las Instituciones Educativas
Distritales.
Cantidad de aparatos sanitarios del colegio.
En cuanto a las instalaciones sanitarias del colegio estas se encuentra distribuidas de la
siguiente forma.
ÁREA APROVECHAMIENTO
DE CUBIERTA
5351 m2
Tabla N° 4Aparatos Sanitarios– Colegio General Gustavo Rojas Pinilla.
Fuente: Elaboración propia – información suministrada por la SED.
Obtención de información pluviométrica por parte del IDEAM.
Revisión de la normatividad vigente.
Modelamiento de cálculos:
Seguidamente a la recolección de la información se plantea la aplicación de 3
metodologías existentes para la obtención de un volumen de almacenamiento de aguas
lluvias, las cuales se resumen en la Tabla N° 5:
Tabla N° 5. Metodologías aplicadas para estimar volumen de almacenamiento de aguas lluvias.
Fuente: Elaboración Propia.
Estandarización de nuestra propuesta metodológica:
A partir del análisis de las tres propuestas metodológicas, se definirá la que a nuestro
criterio será la metodología más óptima para aplicar a nuestro caso de estudio.
Comparación con la metodología usada por la SED.
Revisión de la relación costo/beneficio.
SANITARIO CANTIDAD
Fluxometro 52
Tanque 23
ORINALES CANTIDAD
Fluxometro 20
LAVAMANOS 143
N° 2 CURVAS IDF - EAAB BLOQUE ALTERNO
RACIONAL
N° 3 CEPIS GUIA DE DISEÑO DE
CAPTACION DE AGUAS
METODOLOGIA ID METODO
N° 1 CURVAS IDF - IDEAM BLOQUE ALTERNO
RACIONAL
5. Resultados
5.1. Metodología N° 1
Se realizó Las curvas de Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF) por el método de Díaz –
Granados y Vargas la cual está dada por la siguiente ecuación:
𝑖 =a ∗ 𝑇𝑏 ∗ 𝑀𝑑
(𝑡60⁄ )𝑐
(5.1)
Dónde:
𝑖 = 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛 (𝑚𝑚ℎ𝑟⁄ )
𝑇 = 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜, 𝑒𝑛 𝑎ñ𝑜𝑠
𝑀 = 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑒𝑛 24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑎 𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙
𝑡 = 𝐷𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎, 𝑒𝑛 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠
a, b, c, d = Parámetros de ajuste de la regresión, Estos parámetros fueron regionalizados como se
presenta en la siguiente Figura y sus valores se presenta en la siguiente Tabla N°6.
REGIÓN a b c d
Andina (R1) 0.94 0.18 0.66 0.83
Caribe (R2) 24.85 0.22 0.50 0.10
Pacifico (R3) 13.92 0.19 0.58 0.20
Orinoquia (R4) 5.53 0.17 0.63 0.42
Tabla N° 6. Valores de los coeficientes a, b, c y d para el cálculo de las curvas IDF sintéticas.
Fuente: Manual de drenaje vial de 2011 Cap.2 tabla 2.12.
Figura N° 7. División de Regiones para la definición de los parámetros a, b, c y d
Fuente: Manual de drenaje vial de 2011 figura 2.13.
Con los datos tomados de la estación pluviométrica del IDEAM nombrada INEM KENNEDY
código de referencia 21206560, se procede a la estimación de las curvas IDF sintéticas. Cabe
destacar que esta estación solo cuenta con aproximadamente 10 años de datos (1998-2016).
Para la realización de la curva IDF se utilizaron los valores máximos mensuales de precipitación
en 24 horas los cuales se encuentran en el anexo A, mientras que los parámetros a,b,c,d, se
obtienen para la región Andina.
El resumen de los valores de precipitación máxima anual se aprecia en la Tabla N°7:
Tabla N° 7Precipitación máxima por año
Fuente: Elaboración Propia.
Con estos datos se procede a calcular las Curvas IDF con sus respectivos periodos de retorno las cuales
dieron como resultado la siguiente. Grafica N°1
Año Pmax (año)
1998 47.5
1999 20.7
2000 32.2
2001 17.2
2002 60
2003 46.4
2004 28.3
2005 25.8
2006 27.8
2007 20.2
2008 80.6
2009 43
2010 37.4
2011 26
2012 40.7
2013 34.6
2014 30
2015 30
Grafica N° 1. Curvas I-D-F Estación INEM - KENNEDY
Fuente: Elaboración propia.
En donde tenemos como resultado según el método de Díaz Granados y Vargas (1998) la
ecuación (5.2):
𝑖 =0.94 ∗ 𝑇0.18 ∗ 36.020.83
(𝑡60⁄ )0.66
(5.2)
Con base en esta fórmula se introduce el periodo de retorno y el tiempo de concentración para así
tener el valor de la intensidad de la zona. Para Bogotá, el periodo de retorno según la norma
técnica de servicio NS 085 de EAB es una variable que depende del área de drenaje y la
pendiente del área de drenaje (en nuestro caso el área de cubierta no transitable); resultando un
periodo de retorno de 5 años, ya que el área de drenaje el menor a 3Ha y la pendientes inferior al
1%.
El paso siguiente consiste en evaluar el tiempo de concentración, o tiempo en que tarda toda la
cuenca de estudio en aportar. En el cálculo del tiempo de concentración es evaluado por diversas
expresiones detalladas en la bibliografía y aceptadas por la comunidad científica. La primera
expresión a evaluar es la ecuación de Kirpich (1940) (V.T Chow, 1994):
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Inte
nsi
dad
(m
m/h
)
Tiempo (h)
Curvas I-D-F Estación INEM - KENNEDY
Tr= 5 años
Tr= 10 años
Tr= 25 años
Tr=50 años
Tr= 100 años
tc = 0.06628(L/S0.5)0.77 (5.3)
Dónde:
𝑇𝑐 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛, 𝑒𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (ℎ𝑟)
𝐿 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑢𝑐𝑒 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙, 𝑒𝑛 𝐾𝑖𝑙𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 (𝐾𝑚)
S = Pendiente entre las evaluaciones maximas y minima ( pendiente total)del cauce principal, en (mm⁄ )
Reemplazando los valores tenemos en la ecuación (5.3) se tiene:
𝑡𝑐 = 0.06628(0.1937/0.0050.5)0.77
𝑡𝑐 = 0.1440 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ≅ 8.64 𝑚𝑖𝑛
La siguiente ecuación evaluada es la ecuación de Témez, (INVIAS, 2009)
𝑡𝑐 = 0.30(𝐿/𝑆0.25)0.76 (5.4)
Dónde:
𝑇𝑐 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛, 𝑒𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (ℎ𝑟)
𝐿 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑐𝑢𝑐𝑒 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙, 𝑒𝑛 𝑘𝑖𝑙𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 (𝐾𝑚)
𝑆 = 𝑃𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑢𝑐𝑒 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙, 𝑒𝑛 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 (%)
Reemplazando los valores en la ecuación (5.4) tenemos:
𝑡𝑐 = 0.30(0.1937/0.50.25)0.76
𝑡𝑐 = 0.098 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ≅ 5.90 𝑚𝑖𝑛
Otra ecuación analizada es propuesta por (V.T. Chow, 1994)
𝑡𝑐 = 0.273(𝐿/𝑆0.5)0.64 (5.5)
Dónde:
𝑇𝑐 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛, 𝑒𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 (ℎ𝑟)
𝐿 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑢𝑐𝑒 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙, 𝑒𝑛 𝑘𝑖𝑙𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 (𝑘𝑚)
𝑆 = 𝑃𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑢𝑒 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙. 𝑒𝑛 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 (𝑚𝑚⁄ )
Reemplazando los valores en la ecuación (5.5) tenemos:
𝑡𝑐 = 0.273(0.1937/0.0050.5)0.64
𝑡𝑐 = 0.119 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ≅ 7.15 𝑚𝑖𝑛 El resumen de resultados para el tiempo de concentración se aprecian en
la, nótese que ninguno supera el tiempo de concentración mínimo de 15 minutos, establecido en la tabla
N°8 la norma NS – 085 (EAB) y la normativa RAS (2010), en el literal D.4.4.3.4.2. Por lo anterior se
decide tomar como tiempo de concentración el mínimo de 15 minutos.
TIEMPO DE CONCENTRACION
ECUACION TC (min)
KIRPICH 8.64
TEMEZ 5.90
CHOW 7.15
Tabla N° 8. Cuadro resumen de los tiempos de concentración calculados.
Fuente: Elaboración Propia.
Con la obtención de estos datos (intensidad – tiempo de concentración – periodo de retorno), se
procede a calcular el volumen de almacenamiento del tanque de agua lluvia implementando los
siguientes métodos:
Método Del Bloque Alterno:
El método del bloque alterno consiste en obtener un hietograma que especifica la profundidad de
precipitación que ocurre en “n” intervalos de tiempo sucesivos de duración, a partir de valores
puntuales de precipitación; para estimar la duración de tormenta se toma como referencia el
estudio para el análisis y caracterización de tormentas en la sabana de Bogotá (INGETEC,
2006), donde se estima una duración típica de una tormenta en la Sabana de Bogotá entre 120 y
180 minutos (2-3 horas). Para el caso de estudio se toma un valor de 2 horas (120 minutos). La
implementación del método se resume en la en la Tabla N° 9.
Duracion Intensidad (mm/h) Profundidad acumulada (mm) Profundidad incremental (mm) Tiempo (min) Precipitación (mm)
10 80.25 13.38 13.38 0-10 0.96
20 50.79 16.93 3.55 10-20 1.11
30 38.86 19.43 2.50 20-30 1.32
40 32.14 21.43 2.00 30-40 1.69
50 27.74 23.12 1.69 40-50 2.5
60 24.60 24.60 1.48 50-60 13.38
70 22.22 25.92 1.32 60-70 3.55
80 20.34 27.12 1.20 70-80 2
90 18.82 28.23 1.11 80-90 1.48
100 17.56 29.26 1.03 90-100 1.2
110 16.49 30.23 0.96 100-110 1.03
120 15.57 31.13 0.91 110-120 0.91
.Tabla N° 9 Calculo de hietograma por método del bloque alterno.
Fuente: Elaboración Propia.
Grafica N° 2. Hietograma Estación INEM - KENNEDY, periodo de retorno de 5 años.
Fuente: Elaboración propia
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Pre
cip
ita
ció
n (
mm
)
Tiempo (min)
HIETOGRAMA INEM KENNEDY
Observando el grafico N° 2 y la Tabla N° 9, se aprecia para la zona un valor de la precipitación
cercano a los 14 mm de precipitación en los 10 minutos más cargados de la lluvia. Mientras que
el total de lluvia caída en 2 horas es de 31.13mm. El volumen de captación para una tormenta se
tiene al multiplicar la profundidad de lluvia sobre el área no transitable de cubiertas.
𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = ∑ 𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑖𝑛𝑐𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 (mm)
𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 31.13 𝑚𝑚 ≅ 0.031 𝑚
𝐴𝑟𝑒𝑎 = 5351 𝑚2
𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 = 165.88 𝑚3 ≅ 166 𝑚3
Este volumen representa la cantidad de lluvia aprovechable en una tormenta tipo de 2 horas en el
sector de análisis, cabe anotar que, al comparar este volumen con el consumo promedio de agua
del colegio Gustavo Rojas Pinilla, consumo total de 78 m3 y a partir de dicho consumo establecer
un porcentaje conservador del 70% para atender sanitario y orinales (55 m3), este volumen
alcanzaría a abastecer cerca de 3 días sin requerir ingreso de agua potable, cumpliendo con el
mínimo de almacenamiento de 3 días para instituciones educativas.
Método Racional:
El método racional, según el manual de drenaje vial del INVIAS (Instituto Nacional De Vías),
calcula el caudal pico de aguas lluvias con base en la intensidad media del evento de
precipitación con una duración igual al tiempo de concentración del área de drenaje y un
coeficiente de escorrentía. De acuerdo con el método racional, el caudal pico ocurre cuando toda
el área de drenaje está contribuyendo. Este método esta formulado en la siguiente ecuación:
𝑄 = 𝐾𝐶 ∗ 𝐼 ∗ 𝐴 (5.6)
Dónde:
𝑄 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑃𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎𝑠 𝑙𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎𝑠 𝑚3
𝑠⁄
𝐶 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑖𝑚𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑓𝑖𝑛𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 (𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙)
𝑖 = 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑙 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 (𝑚𝑚ℎ⁄ )
𝐴 = 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑇𝑟𝑖𝑏𝑢𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑟𝑒𝑛𝑎𝑗𝑒 ( 𝑚2)
𝐾 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛
El coeficiente de escorrentía está dado por el RAS en la Tabla D.4.7 coeficientes de
impermeabilidad el cual para este caso son cubiertas que tiene un valor equivalente a 0.9
Tabla N° 10Coeficiente de impermeabilidad – Titulo D tabla D.4.7 - RAS
Fuente: Elaboración Propia.
Reemplazando los valores en la ecuación (5.6) tenemos:
𝑄 = 0.9 ∗ 0.000017 ∗ 5351
𝑄 = 0.081 𝑚3/𝑠 ≅ 81.87 𝑙/𝑠
Con este valor del caudal despejamos el que sería el volumen del tanque de almacenamiento de
agua lluvia por este método:
𝑄 =𝑣𝑜𝑙𝑚𝑒𝑛
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 = 𝑄 ∗ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 = 0.08 ∗ 900
𝒗𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 = 73.9 𝑚³
El volumen de almacenamiento obtenido a partir de la aplicación del método racional, toma como
referencia los 15 minutos del tiempo de concentración, cuando se supone el aporte del toda el
área de drenaje. Al comparar este valor de almacenamiento con los consumos para sanitarios y
orinales del colegio en estudio resulta una autonomía cercana a los 1.5 días de abastecimiento, la
mitad del volumen requerido.
5.2. Metodología N° 2
Utilizando las curvas IDF suministradas por la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de
Bogotá (EAB), y aplicado de igual forma el método del bloque alterno y el método racional,
discutidos anteriormente. Se desarrollaron las curvas IDF (Intensidad – Duración –Frecuencia)
mediante el método de la EAAB, documentado en la norma NS – 085 (EAB), el primer dato de
entrada fueron las coordenadas Norte y Este del colegio obtenidas a través de ArcGIS v 10.2
(ESRI).
Cubierta 0.9
TIPO DE
SUPERFICIE C
La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos al ingresar las coordenadas del caso de
estudio:
Norte Este
1,035,699 1,005,916
Norte Este
1,006,254 993.114
32,108.39
Tr (años)
C1 X0 C2
3 1660.00 18.80 -0.94
5 1741.80 15.00 -0.93
10 1963.60 12.60 -0.93
25 2278.70 10.80 -0.92
50 2463.40 9.70 -0.92
100 2726.90 9.10 -0.92
Coordenadas punto a
buscar:
Nodo más cercano:
Distancia a punto deseado (m):
Parámetros curva IDF
Tabla N° 11. Calculo de curvas IDF de la EAB
Fuente: EAB.
Los parámetros C1, X0, C2 dados en los resultados aplicando el método de la EAAB modelan
las curvas de Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF), las cuales se desarrollan a través de la
ecuación 5.7 dada por la Norma Técnica De Servicio criterios diseño de sistemas de
alcantarillado NS 085 literal 4.2.1.2 , “ La intensidad de la lluvia se determinará a partir del
periodo de retorno, frecuencia y duración de la tormenta de diseño, los datos para los diferentes
periodos serán suministrados por la empresa a través de los datos técnicos del proyecto”.
𝐼𝑁𝑇𝐸𝑁𝑆𝐼𝐷𝐴𝐷 = 𝑐1 ∗ (𝐷𝑈𝑅𝐴𝐶𝐼Ó𝑁 + 𝑋0)𝐶2
(5.7)
Una vez aplicada la ecuación los resultados que se obtendrán son expresados en milímetros por
hora (mm/hr).
A partir de estos cálculos se obtiene las curvas IDF las cuales son las siguientes para el caso de
estudio:
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00
Inte
nsi
dad
(m
m/h
r)
Tiempo (h)
CURVAS IDF - EAAB
Tr= 3 años
Tr= 5 años
Tr= 10 años
Tr= 25 años
Tr= 50 años
Tr= 100 años
Grafica N° 3. Curvas I-D-F método EAAB
Fuente: Elaboración propia
Nótese que los valores y formas de la IDF del acueducto resultan ser bastante similares a las
curvas IDF sintéticas halladas anteriormente siendo estas últimas ligeramente mayores, y en este
caso se puede aplicar cualquiera de las IDF generada. A continuación se aplican los métodos del
bloque alterno y racional descritas anteriormente.
Método Del Bloque Alterno:
Analizando la tormenta por medio de un hietograma ejecutado por el método del bloque alterno
con un periodo de retorno de 5 años obtenemos la siguiente Tabla N° 12
Duracion Intensidad (mm/h)Profundidad acumulada
(mm)
Profundidad
incremental (mm)Tiempo (min) Precipitación (mm)
10 87.28 14.55 14.55 0-10 0.63
20 63.83 21.28 6.73 10-20 0.84
30 50.53 25.26 3.99 20-30 1.21
40 41.92 27.95 2.69 30-40 1.96
50 35.89 29.91 1.96 40-50 3.99
60 31.42 31.42 1.51 50-60 14.55
70 27.97 32.63 1.21 60-70 6.73
80 25.22 33.62 1.00 70-80 2.69
90 22.98 34.47 0.84 80-90 1.51
100 21.11 35.19 0.72 90-100 1.00
110 19.54 35.82 0.63 100-110 0.72
120 18.19 36.38 0.56 110-120 0.56
Tabla N° 12. Calculo de hietograma por método del bloque altero
Fuente: Elaboración Propia
Grafica N° 4. Hietograma –IED Gustavo Rojas Pinila.
Fuente: Elaboración propia.
Teniendo en cuenta la teoría del método del bloque alterno descrita anteriormente se obtiene el
siguiente valor del volumen del tanque de almacenamiento de agua lluvia:
𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = ∑ 𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑖𝑛𝑐𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 (mm)
𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 36.38 𝑚𝑚 ≅ 0.037 𝑚
𝐴𝑟𝑒𝑎 = 5351 𝑚2
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
Pre
cip
itac
ion
(m
m)
Tiempo (min)
Hietograma IED Gustavo Rojas Pinilla
𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 = 194.65 𝑚3 ≅ 195 𝑚3
Este volumen aprovechable resulta ser un 18% mayor al establecido con las IDF sintéticas
permitiendo un almacenamiento de agua que permite una autonomía de hasta 3.5 días.
Método Racional:
Se reemplazan los valores en la ecuación N° 5.6 teniendo en cuenta la teoría descrita
anteriormente, el coeficiente de escorrentía está dado por la tabla N° 10 tenemos:
𝑄 = 0.9 ∗ 0.0000264 ∗ 5351
𝑄 = 0.098 𝑚3/𝑠 ≅ 9.87 𝑙/𝑠
Con este valor de caudal se despeja el dato del volumen del tanque:
𝑄 =𝑣𝑜𝑙𝑚𝑒𝑛
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 = 𝑄 ∗ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 = 0.098 ∗ 900
𝒗𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 = 88.7 𝑚³
Este volumen de almacenamiento resulta ser un 20% mayor al volumen producto de la
implementación en la metodología N° 1 del método racional, permitiendo una autonomía de 1.60
días muy similar a lo calculado anteriormente.
5.3.Metodología N° 3
Esta metodología se desarrolla en base a lo propuesto por la Guía de diseño para la captación del
agua lluvia, Lima 2004. La cual consta de los siguientes pasos:
1. DETERMINACION DE LA PRECIPITACION PROMEDIO MENSUAL:
Datos promedios mensuales de precipitación de los últimos 10 ó 15 años se obtiene el
valor promedio mensual del total de años evaluados, capaz de ser recolectado en la
superficie horizontal del techo.
𝑃𝑃𝑖 = ∑ 𝑃𝑖𝑖=𝑛
𝑖=1
𝑛 (5.7)
Dónde:
𝑛 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑎ñ𝑜𝑠 𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑑𝑜𝑠
𝑃𝑖 = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 "i" (𝑚𝑚) 𝑃𝑝𝑖 = 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑃𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑀𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 "i" 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑑𝑜𝑠 𝑙𝑜𝑠 𝑎ñ𝑜𝑠 𝑒𝑣𝑎𝑙𝑢𝑎𝑑𝑜𝑠 (𝑚𝑚
𝑚𝑒𝑠⁄ )
2. DETERMINACION DE LA DEMANDA:
Cantidad de agua necesaria para atender necesidades de los usuarios del sistema en cada
uno de los meses.
𝐷𝑖 = 𝑁𝑢 ∗ 𝑁𝑑 ∗ 𝐷𝑜𝑡
1000 (5.8)
𝑁𝑢 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑢𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑁𝑑 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜
𝐷𝑜𝑡 = 𝐷𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 (L/persona∗ 𝑑𝑖𝑎)
𝑁𝑑 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜 (𝑚3)
El valor de la dotación se toma en base a la tabla B.2.8 (consumo para uso escolar) título
B del RAS 2010.
Tabla N° 13Valores de Dotación para uso escolar.
Fuente: Titulo B RAS 2010.
3. DETERMINACION DEL VOLUMEN (VLM) DEL TANQUE DE
ALMACENAMIENTO DE ABASTECIMIENTO:
Con los datos obtenidos de precipitación promedio mensual, el coeficiente de escorrentía
que se haya escogido para la cubierta, se procede a determinar la cantidad de agua que
será captada
𝐴𝑖 = 𝑃𝑝𝑖 ∗ 𝐶𝑒 ∗ 𝐴𝐶
1000 (5.9)
𝑃𝑝𝑖 = 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑃𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑀𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 (𝑙𝑚2⁄ )
𝐶𝑒 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑖𝑎
𝐴𝑐 = 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 ( 𝑚2)
𝐴𝑖 = 𝑂𝑓𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 "i" (𝑚3)
Procesamiento de los datos:
Tipo de instalacion consumo de agua
20 L/alumno/jornadaEducacion Elemental
Determinación de la precipitación promedio mensual:
Para estimar los valores de precipitación promedio mensual se usaron los datos Precipitación
total mensual de los últimos 15 años, suministrados por el IDEAM, datos de la estación INEM –
KENNEDY ver anexo B. Los cálculos se realizaron mediante la ecuación 5.7 y se resumen en la
tabla N°14.
.Tabla N° 14 Valores de precipitaciones promedio mensuales (2001 – 2015).
Fuente: Elaboración Propia.
Grafica N° 5. Valores de precipitaciones promedio mensuales.
Fuente: Elaboración Propia.
AÑO ENERO FEBRE MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOST SEPTI OCTUB NOVIE DICIE
2001 11.3 14 20.8 10.1 82.9 24.9 32.5 9.8 39.4 18.5 48.2 51.4
2002 10.5 15.5 59.1 54.2 66.8 37.1 13.4 21.8 83.6 62.2 54.1 31.1
2003 1.7 12.1 48.9 50.7 20.1 44.7 31.7 13.2 24.3 100.6 88.5 20.2
2004 16.5 52.3 40.8 140.2 121 61.3 11.7 87.1 60.2 13.9
2005 15.6 29.4 38.5 63.4 119.2 26.8 35.3 45.3 53.8 86.9 44.4 40
2006 22.7 10.4 97.5 109.2 114 102.7 30.2 41.3 76.1 65.8 14.1
2007 30.5 68 40.2
2008 16 48.4 84.3 168.1 168.3 108.8 75.9 57.1 26.8 91.5 126 54.2
2009 60.6 96.7 48.1 30.4 34.3 32.5 14 148.2 61.5 10.6
2010 0.8 18.5 30.9 177.8 159.1 90.7 118.8 44.3 69.7 119.8 214.3 175.5
2011 38.1 43.5 128.9 194.9 112.3 42.6 38.5 57.9 24.8 126.8 160.5 97.7
2012 20.6 53.3 106.2 174.9 37.9 32.5 32.9 42.2 11.9 102.6 46.3 47.7
2013 2.5 62.5 100.3
2014 18.2 52.9 49.9 64 66.7 48.2 22.6 19.3 44.8 88.9 105.4 97.1
2015 42.5 17.5 57.2 49.3 27 42.7 37 24.7 30.3
PROMEDIO 16.69 34.76 66.13 100.37 86.59 54.66 40.88 33.19 38.73 92.43 89.6 54.46
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
ENERO FEBRE MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOST SEPTI OCTUB NOVIE DICIE
Pre
cip
itac
ion
(m
m/m
es)
Meses del año
PRECIPITACION PROMEDIO MENSUALES (mm /mes)
Determinación De La Demanda:
Para la determinación de la demanda mensual no se utilizó la ecuación 5.8 por que se lograron
adquirir los datos de consumos suministrados por la EAAB desde el 2013 hasta julio del 2016
los cuales fueron promediados mensualmente obteniendo los siguientes valores:
Tabla N° 15Consumos mensuales de agua.
Fuente: Elaboración Propia.
Grafica N° 6. Consumos de agua Colegio Gustavo Rojas Pinilla.
Fuente: Elaboración Propia.
ENERO 604
FEBRERO 1653
MARZO 1653
ABRIL 1940
MAYO 1940
JUNIO 687
JULIO 687
AGOSTO 1050
SEPTIEMBRE 1050
OCTUBRE 871
NOVIEMBRE 871
DICIEMBRE 604
Consumo (m3)MESES
0
500
1000
1500
2000
2500
Co
nsu
mo
s (m
3)
Meses del año
CONSUMOS COLEGIO GUSTAVO ROJAS PINILLA
Determinación Del Vlm Del Tanque De Almacenamiento:
Para este cálculo se tomó el valor de coeficiente de escorrentía con base a la tabla D.4.7
Coeficientes de impermeabilidad del título D del RAS 2015.
Tabla N° 16. Valor del coeficiente de escorrentía.
Fuente: Titulo D del RAS 2015.
Reemplazando valores en la ecuación 5.9 se obtiene los siguientes resultados de oferta para cada
mes:
Tabla N° 17. Valores de oferta del agua de casa mes.
Fuente: Elaboración propia.
Nótese que los mayores valores de oferta de agua coinciden con el comportamiento bimodal
característico de las precipitaciones de la región Andina, donde se aprecian picos de precipitación
en los meses de Marzo – Abril para el primer periodo del año y picos en los meses de Octubre-
Septiembre para el segundo semestre del año.
Luego de obtener los valores de oferta y demanda por mes, se realizó el cálculo del volumen
del tanque como se aprecia en la Tabla N° 18 y se resume de la siguiente manera: en la primera
columna se ubica el mes con el mayor valor de precipitación promedio mensual, los siguientes
meses se distribuyen de manera consecutiva y se establecen valores de oferta acumulada y
Tipo de superficie c
Cubiertas 0.9
ENERO 16.69 0.9 5351 80.39
FEBRE 34.76 0.9 5351 167.40
MARZO 66.13 0.9 5351 318.48
ABRIL 100.37 0.9 5351 483.38
MAYO 86.59 0.9 5351 417.02
JUNIO 54.66 0.9 5351 263.26
JULIO 40.88 0.9 5351 196.85
AGOST 33.19 0.9 5351 159.85
SEPTI 38.73 0.9 5351 186.50
OCTUB 92.43 0.9 5351 445.15
NOVIE 89.60 0.9 5351 431.50
DICIE 54.46 0.9 5351 262.27
MESESPrecipitacion promedio mensual
(Litros/m2)
Coeficiente de
escorrentia
Área de captacion
(m2)
Oferta de agua en el
mes (m3)
demanda acumulada de modo que la diferencia de estos parámetros nos arroja el volumen del
tanque para cada mes.
Tabla N° 18. Volumen del tanque de almacenamiento (m3/mes).
Fuente: Elaboración propia.
Grafica N° 7. Volumen del tanque de almacenamiento (m3/mes).
Fuente: Elaboración propia.
Parcial Acumulado Parcial Acumulada
ABRIL 100.37 417.02 417.02 1940.17 1940.17
MAYO 86.59 263.26 680.28 687.17 2627.33
JUNIO 54.66 196.85 877.13 687.17 3314.50
JULIO 40.88 159.85 1036.98 1050.25 4364.75
AGOSTO 33.19 186.50 1223.47 1050.25 5415.00
SEPTIEMBRE 38.73 445.15 1668.62 870.75 6285.75
OCTUBRE 92.43 431.50 2100.13 870.75 7156.50
NOVIEMBRE 89.60 262.27 2362.39 604.25 7760.75
DICIEMBRE 54.46 80.39 2442.78 604.25 8365.00
ENERO 16.69 167.40 2610.18 1652.50 10017.50
FEBRERO 34.76 318.48 2928.66 1652.50 11670.00
MARZO 66.13 483.38 3412.04 1940.17 13610.17
MESESPRECIPITACION EN
PROMEDIO(mm)
OFERTA (m3 /mes) DEMANDA (m3/mes )VOLUMEN (m3/mes)
-10198.13
-1523.15
-1947.06
-2437.37
-3327.77
-4191.53
-4617.13
-5056.37
-5398.36
-5922.22
-7407.32
-8741.34
-12000.00
-10000.00
-8000.00
-6000.00
-4000.00
-2000.00
0.00
VOLUMEN (m3/mes)
Como se observa en la columna siete de la tabla N° 18, y en la gráfica N° 7 los valores del
volumen para cada uno de los 12 meses del año son negativos lo que demuestra que la demanda
acumulada supera a la oferta acumulada, una de las razones por las cuales se obtienen estos
resultados es que las precipitaciones son muy bajas en la zona, en comparación con la cantidad
de personas que demandan consumo de agua en el colegio.
5.4.Metodología Suministrada por la SED
Esta metodología aplicada en la consultoría oficial del Colegio General Gustavo Rojas Pinila se
basa en los porcentajes de consumos de agua potable por parte de lavamanos, cocinas, bebederos
etc, y los volúmenes de aparatos sanitarios donde no se requiere estrictamente el uso de agua
potable, como es el caso de sanitarios y orinales. La metodología se resume a continuación.
Con la información de dotación y población se obtiene el volumen de almacenamiento
diario.
Tabla N° 19. Consumo m3 SED.
Fuente: Elaboración propia.
En esta metodología se recomienda que el tanque de almacenamiento tenga una capacidad de
reserva para 3 (tres) días, para tal caso su volumen será:
Tabla N° 20.Volumen m3 SED.
Fuente: Elaboración propia.
Este volumen se obtiene con un almacenamiento de agua potable, del 60% y el restante 40%,
se conseguirá con el agua lluvia procedente de las cubiertas del colegio La Pampa. El volumen de
agua almacenada será:
Tabla N° 21 Volumen de agua potable y Volumen de agua lluvia m3 SED.
Fuente: Elaboración propia.
POBLACION DOTACION (L/est-dia) Consumo m3
3050 20 61
Vlm m3
183
Vlm m3 agua potable Vlm m3 agua lluvia
110 73
TOTAL Vlm m3 183
Esta metodología fue suministrada de las memorias de cálculo hidráulicas del Colegio General
Gustavo Rojas Pinilla, en las cuales no se suministra una justificación clara de la proporción
porcentual del 60% de agua potable y el 40 % de agua lluvia. Inicialmente se cree que debe estar
relacionado con otras metodologías donde se relaciona el volumen de descarga de aparatos
sanitarios con los volúmenes de descarga de los lavamanos, resultando una relación aproximada
de 1 a 3.
6. Relación Beneficio / Costo
Antes de comentar acerca de los volúmenes obtenidos y la aplicación de la metodología de diseño
se decide evaluar en esta investigación el impacto de implementar tanques de almacenamiento de
aguas lluvia en los colegios de la SED, para ello se tuvo acceso a la información de un colegio
con área de construcción y cantidad de estudiantes muy similares al colegio de estudio (Gustavo
Rojas Pinilla), pero donde no implementan reutilización de aguas lluvia. Esto permite apreciar
notables diferencias en los consumos promedios mensuales, llegando en algunos casos a duplicar
el consumo de agua de la institución piloto de estudio. La institución analizada corresponde al
Colegio Kimy Pernía localizado en Bosa en la dirección Calle 82 Sur # 89-21, que tiene un área
aprovechable de cubiertas cercana a los 5000 𝑚2 y una población estudiantil de alrededor de
3100. Como puede apreciarse el colegio Kimmy Pernia, duplica el consumo de agua del colegio
Gustavo Rojas Pinilla y por tanto los costos de operación.
Figura N° 8. Ubicación Colegio Kimmy Pernia.
Fuente: Google Earth.
Tabla N° 22. Consumos promedios mensuales colegio Kimmy Pernia..
Fuente: Elaboración propia.
Grafica N° 8. Consumos colegio Kimmy Pernia.
ENERO 1157
FEBRERO 1496
MARZO 1527
ABRIL 1690
MAYO 2126
JUNIO 2233
JULIO 1805
AGOSTO 1291
SEPTIEMBRE 1245
OCTUBRE 1345
NOVIEMBRE 1317
DICIEMBRE 809
MESES Consumo (m3)
0
500
1000
1500
2000
2500
Co
nsu
mo
s (m
3)
Meses
CONSUMOS COLEGIO KIMY PERNIA
Fuente: Elaboración propia.
Grafica N° 9. Comparación consumos colegio Gustavo rojas pinillas – colegio Kimmy Pernia.
Fuente: Elaboración Propia.
En la gráfica N° 9 se puede comprobar lo anteriormente dicho en cuanto a las diferencia de los
consumos promedios mensuales para los dos colegios, llegando hasta a duplicar los consumos el
colegio Kimmy Pernia respecto al Gustavo rojas pinillas en los meses de junio y julio.
Para tener otra medida de revisión del impacto de un almacenamiento y reutilización de aguas
lluvias en los consumos de operación de los colegios de la SED, resulta ser una comparación del
ahorro potencial de agua considerando por ejemplo una disminución promedio igual al volumen
de almacenamiento de aguas lluvia, con lo cual se puede obtener una aproximación inicial y/o un
orden de magnitud del ahorro anual. Se aprecia en la Tabla N°23 como un ejercicio básico
considerando solo una lluvia aprovechable mensual generaría un ahorro cercano anual a los diez
millones de pesos, lo cual se considera considerable teniendo en cuenta que a partir de la
información del IDEAM se tiene para este sector un promedio anual de 4 lluvias siendo el ahorro
bastante considerable.
En la última columna de la tabla se estipula el ahorro mensual del costo de agua potable.
0.00
500.00
1000.00
1500.00
2000.00
2500.00
Co
nsu
mo
s (m
3)
meses
COMPARACION CONSUMOS GUSTAVO ROJAS PINILLA - KIMY PERNIA
CONSUMOS GUSTAVO ROJAS PINILA
CONSUMOS KIMY PERNIA
Tabla N° 23. Relación Beneficio / Costo.
Fuente: Elaboración propia.
7. Análisis De Resultados:
La metodología N° 3 consiste en la aplicación del principio de conservación de la masa no es
óptima para ser aplicada en este caso de estudio ya que genera déficit en todo el año como se ve
en la gráfica N° 7, debido a que la comparación entre oferta acumulada contra la demanda
acumulad, genera siempre valores de déficit, siendo muy grande los rangos de valores de
consumo contra los valores de agua aprovechable en cada mes, resultando un volumen para
almacenamiento anual superior a 10000 𝑚2. Un ejercicio, en el área de estudio sugeriría que para
obtener un volumen de almacenamiento de agua razonable durante un año, se requerirían
precipitaciones mayores a los 200 – 220 (mm/mes), que en este caso no se tiene. Cabe destacar
además que un volumen de almacenamiento muy grande puede traer consigo muy poca
renovación de agua almacenada, con un riesgo de descomposición y por tanto de salud pública en
las instituciones educativas.
ENERO 604 4,661.69$ 2,816,826.18$ 195 32.27 909,029.55$
FEBRERO 1653 4,661.69$ 7,703,442.73$ 195 11.80 909,029.55$
MARZO 1653 4,661.69$ 7,703,442.73$ 195 11.80 909,029.55$
ABRIL 1940 4,661.69$ 9,044,455.55$ 195 10.05 909,029.55$
MAYO 1940 4,661.69$ 9,044,455.55$ 195 10.05 909,029.55$
JUNIO 687 4,661.69$ 3,203,357.98$ 195 28.38 909,029.55$
JULIO 687 4,661.69$ 3,203,357.98$ 195 28.38 909,029.55$
AGOSTO 1050 4,661.69$ 4,895,939.92$ 195 18.57 909,029.55$
SEPT 1050 4,661.69$ 4,895,939.92$ 195 18.57 909,029.55$
OCTU 871 4,661.69$ 4,059,166.57$ 195 22.39 909,029.55$
NOV 871 4,661.69$ 4,059,166.57$ 195 22.39 909,029.55$
DIC 604 4,661.69$ 2,816,826.18$ 195 32.27 909,029.55$
Volumen
del tanque
% Consumo de
ahorro de agua $ m3 del
agua $ Ahorro mensual $ Costo mensual MESES
Consumo
(m3)
. Grafica N° 10. Análisis de oferta y demanda acumuladas.
Fuente: Elaboración propia.
En la gráfica N° 10 se nota que los valores de la demanda acumulada sobrepasan en una
proporción promedio del 3.88 a la oferta acumulada, lo cual indica que el sistema tendría un
sobredimensionamiento importante generando grandes inversiones iniciales, , adicional a los
problemas de salud pública referidos anteriormente.
Por estas razones esta metodología se descarta para ser aplicada en este caso de estudio.
Por otro lado, analizando la tabla N° 24 y la gráfica N° 11las cuales indican el porcentaje de
ahorro de agua potable con respecto a los consumos ya analizados y procesados en la tabla N° 15
en la cual se hizo un promedio de los consumos mes a mes en un periodo determinado puesto que
los datos entregados fueron limitados, se observan los porcentajes de ahorro de cada metodología
realizada y se puede apreciar como los porcentajes de ahorro más altos están dados por el método
del bloque alterno, en comparación con el método racional solo tiene en cuenta los 15 minutos de
mayor intensidad, para el caso de estudio se recomendaría la aplicación del método del bloque
alterno utilizando las IDF de EAB
0.00
2000.00
4000.00
6000.00
8000.00
10000.00
12000.00
14000.00
16000.00
Oferta Acumulada
Demanda Acumulada
Ya descartado el volumen del tanque de aguas lluvia por medio de la metodología N° 3, se pasa analizar las metodologías N°1 y N° 2.
Tabla N° 24. % consumos de ahorro de agua potable..
Fuente: Elaboración Propia.
ENERO 604 166 27.47 73.90 12.23 195 32.27 88.70 14.68
FEBRERO 1653 166 10.05 73.90 4.47 195 11.80 88.70 5.37
MARZO 1653 166 10.05 73.90 4.47 195 11.80 88.70 5.37
ABRIL 1940 166 8.56 73.90 3.81 195 10.05 88.70 4.57
MAYO 1940 166 8.56 73.90 3.81 195 10.05 88.70 4.57
JUNIO 687 166 24.16 73.90 10.75 195 28.38 88.70 12.91
JULIO 687 166 24.16 73.90 10.75 195 28.38 88.70 12.91
AGOSTO 1050 166 15.81 73.90 7.04 195 18.57 88.70 8.45
SEPT 1050 166 15.81 73.90 7.04 195 18.57 88.70 8.45
OCTU 871 166 19.06 73.90 8.49 195 22.39 88.70 10.19
NOV 871 166 19.06 73.90 8.49 195 22.39 88.70 10.19
DIC 604 166 27.47 73.90 12.23 195 32.27 88.70 14.68
Volumen del tanque por la
metodologia N°2 (Racional) m3
% Consumo de ahorro de
agua potable - tanque
Consumo
(m3)MESES
% Consumo de ahorro de agua
potable - tanque
Volumen del tanque por la metodologia N°1
(Bloque alterno) m3
% Consumo de ahorro de
agua potable - tanque
Volumen del tanque por la
metodologia N°1 (Racional) m3
% Consumo de ahorro de
agua potable - tanque
Volumen del tanque por la metodologia
N°2 (Bloque alterno) m3
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
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% D
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% DE AHORRO DE AGUA POTABLE
% De Ahorro Metod. N° 1 BA
% De Ahorro Metodo. N° 1 RA
% De Ahorro Metodo N° 2 BA
% De Ahorro Metodo. N° 2 RA
Grafica N° 11. Análisis % de ahorro de agua potable.
Fuente: Elaboración propia.
Los meses en los cuales se da menor ahorro es cuando los estudiantes empiezan su año escolar a
partir del mes de febrero hasta mayo después de este periodo se normaliza el consumo y se
pueden llegar a dar mayores porcentajes de ahorro de uso de agua potable.
Por lo dicho anterior mente se dice que la metodología más óptima es la N°2 analizada por el
método del bloque alterno y se deja a continuación la metodología a seguir por medio del
siguiente diagrama de flujo.
DIAGRAMA DE FLUJO DE LA METODOLOGIA A SEGUIR PARA EL CASO ESPECÍFICO
Figura N° 9. Diagrama de flujo de la Metodología Elegida.
Fuente: Elaboración propia.
7.1.Análisis comparación Metodología SED – Metodología elegida:
La metodología N°2 por el método del bloque alterno escogida bajo nuestro criterio el volumen
del tanque es:
Tabla N° 25. Vlm del tanque
Fuente: Elaboración Propia.
En comparación con la metodología de la SED, la metodología N° 2 se justifica con la
implementación de curvas IDF de la zona exacta del colegio, y estimado este volumen para una
tormenta tipo en Bogotá de 2 horas, este volumen de 195 m3 genera un mayor ahorro de agua
potable debido a que en la metodología de la SED el volumen de agua lluvia es solo 73 m3 -
tabla N° 21 que están almacenados para tres días lo cual indica se estarían almacenando
diariamente solo 24 m3.
7.2. Análisis relación costo Beneficio:
Almacenando 195 m3 de agua lluvia que fue el supuesto analizado para una sola tormenta
mensual típica en Bogotá de 2 horas el cual sería el caso más crítico, se logra obtener un ahorro
constante mensual de $ 900.000 aproximadamente, lo cual en un año nos daría una relación
porcentual de ahorro del 20 % del costo del servicio cuando no se usa un tanque de recolección
de agua lluvia.
Vlm m3
195
Conclusiones
Se logró diseñar una metodología funcional con modelamiento de cálculos para el
aprovechamiento de aguas lluvias en el Colegio General Gustavo Rojas Pinilla la cual
genera un beneficio en el ahorro de consumo de agua potable en la descarga de sanitarios
y riego de jardines, si el colegio quiere usar esta agua lluvia para descarga de lavamanos o
usos de consumo humano se recomienda realizar un estudio de tratamiento
microbiológico para descartar cualquier problema de salud pública y tal vez de esta
manera se logre aumentar el porcentaje de ahorro de agua potable.
La metodología elegida está diseñada para las condiciones hidrológicas descritas en el
desarrollo del trabajo, las cuales pueden variar por fenómenos macro climáticos como el
fenómeno de la niña y el niño generando volúmenes mayores o menores.
Se debe implementar un sistema que indique el momento en el cual el tanque no tenga
suficiente agua lluvia recolectada para que este pueda ser llenado con agua potable, y no
se generen daños en el sistema de distribución.
Se obtuvo una relación de costo/ beneficio aproximadamente del 20 % anual del costo
total del servicio de agua potable suministrado por la EAAB, demostrando así que si se
genera un ahorro de dinero para el colegio, se recomienda realizar un plan de los costos de
inversión en relación con tasa interna de retorno.
Debido a que este proyecto se enfocó en el cálculo del volumen del tanque de
almacenamiento de agua lluvia del Colegio General Gustavo Rojas Pinilla se recomienda
realizar un estudio para la red de distribución de esta agua que cumpla con el
requerimiento establecidos en la NTC 1500 – código colombiano de fontanería.
Recomendaciones
Se recomienda que el diseñador tenga en cuenta el siguiente diagrama de flujo antes de
aplicar algún tipo de metodología para el caso de estudio al cual quiera aplicar un sistema
de almacenamiento de aguas lluvia.
Figura N° 10. Diagrama de flujo ingeniería conceptual.
Fuente: elaboración propia.
El diseñador debe considerar que el tanque de almacenamiento no puede tener
dimensiones demasiados grandes para generar mayores porcentajes de ahorro de agua
potable puesto que se debe evaluar el tiempo de renovación del agua que normativamente
establece 3 días, debido a que si esta variable no se tiene en cuenta se pueden generar
problemas de descomposición y salubridad para el colegio.
El diseñador debe verificar el tipo de cubierta con el que se trabajara para garantizar que
sean zonas no transitables y que no sean cubiertas que puedan proliferar algún tipo de
agente biológico patógeno.
Se recomienda hacer un análisis dependiendo de la cantidad de área aprovechable que se
tenga para realizar la recolección del agua lluvia ya que si se tiene áreas muy pequeñas no
se tendrá suficiente aprovechamiento de ahorro de agua potable, lo cual podría generar
inversiones de dinero grandes, sin beneficios a lo largo del tiempo, el tiempo de
renovación del agua será demasiado corto,.
La elección de alguna de las metodologías que se presentaron en el trabajo, dependerá del
caso específico de estudio para el cual el diseñador desea implementar un sistema de
recolección de agua lluvia.,
Bibliografía
Adler, I., Carmona, G., Bojalil, J., (2008). MANUAL DE CAPTACIÓN DE AGUAS DE
LLUVIA PARA CENTROS URBANOS
Ballen Suarez – Galarza Garcia – Ortiz Mosquera. José – Miguel – Rafael. (2006).
Historia de los sistemas de aprovechamiento de agua lluvia.
Cortez González Cecilia - Vite Vite Estefany Saray (2015).
Captación de aguas lluvia.
Captación en el mundo sin fecha (s.f.)
http://hidropluviales.com/captacion-en-el-mundo/
Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente., Organización
Panamericana de la Salud, and Organización Mundial de la Salud. Guía de diseño para la
captación del agua lluvia Lima, 2004.
Estudio para el análisis y caracterización de Tormentas en la Sabana de Bogotá.
Libro de hidrología aplicada de Vente Chow.
Margot. Franken. (2007). Gestion de agua conceptos para el nuevo milenio.
Marco Andrés Osuna Vargas (2010). Reciclaje Hídrico y Construcción.
Martin Liefhebber Architect - CMHC HEALTHY HOME Toronto, Ontario.
Manual de drenaje para carreteras, 2009.
Norma Técnica Colombiana NTC 1500 – Código Colombiano De Fontanería.
Norma Técnica De Servicio NS 085 Criterios De Diseño De Sistemas de Alcantarillado.
Reglamento Técnico Del Sector De Agua Potable Y Saneamiento Básico RAS 2010 Titulo B – Sistemas de Alcantarillado.
Reglamento Técnico Del Sector De Agua Potable Y Saneamiento RAS 2010 Titulo D
Sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales domésticas y aguas lluvia
Secretaria de Educación Distrital De Bogotá - SED
VARGAS M.R., DÍAZ-GRANADOS O.M., Universidad de los Andes, “Curvas
Sintéticas Regionalizadas de Intensidad-Duración-Frecuencia para Colombia”, Santafé de
Bogotá, 1998.
Anexos
Anexo A. Datos del IDEAM Estación INEM KENNEDY – Valores Máximos De Precipitación en 24
Horas.
SIST
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1998
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1999
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20.7
2000
201
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2001
201
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16.3
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13.8
7.710
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2002
201
8.69.5
11.3
9.917
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.214
.68.4
60.0
2003
101
1.75.0
14.8
10.0
11.3
7.53.8
9.146
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.08.5
46.4
2004
101
10.0
28.0
28.3
7.13.5
14.2
11.9
4.928
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2005
101
4.610
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13
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15.8
13.7
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13.6
11.4
25.8
2006
101
8.22.9
16
.521
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.816
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11.2
20.2
27.8
2007
101
11.8
17.4
20.2
20.2
2008
101
14.1
10.4
25.5
43.6
80.6
32.6
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12.6
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.6
2009
101
13.0
29.6
11.0
17.6
16.0
*6.3
9.643
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.57.7
43.0
2010
101
.47.7
7.331
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.329
.224
.27.6
20.4
22.3
31.0
37.4
37.4
2011
101
9.214
.124
.922
.820
.018
.816
.522
.29.3
20.4
26.0
24.7
26.0
2012
101
6.821
.023
.340
.710
.35.6
8.110
.43.2
32.1
15.3
12.5
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2013
101
2.515
.634
.634
.6
2014
101
13.6
14.5
13.5
14.1
27.1
12.5
7.88.2
20.3
23.6
30.0
28.4
30.0
2015
101
13.1
10.7
18.0
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11.5
12.2
9.56.7
18.5
30.0
MED
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7.913
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28.0
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Anexo B. Datos del IDEAM Estación INEM KENNEDY – Valores Totales mensuales de precipitación.
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2065
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1998
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2000
21
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2001
21
11.3
14.0
20.8
10.1
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2002
21
10.5
15.5
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2003
11
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12.1
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20.1
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2004
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11.7
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2005
11
15.6
29.4
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9.2
26.8
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6
2006
11
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2008
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2009
11
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10.6
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2010
11
.818
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20.2
2011
11
38.1
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919
4.9
112.
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160.
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2012
11
20.6
53.3
106.
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4.9
37.9
32.5
32.9
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11.9
102.
646
.347
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2.5
62.5
100.
316
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11
18.2
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49.9
64.0
66.7
48.2
22.6
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105.
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2015
11
42.5
17.5
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2
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SIST
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N
NACI
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Anexo C. Plano de cubiertas ¼ - Suministrado por la SED.
Anexo D. Plano de cubiertas2/4 - Suministrado por la SED.
Anexo E. Plano de cubiertas2/4 - Suministrado por la SED.
Anexo F. Plano de cubiertas2/4 - Suministrado por la SED.
