Desarrollo del modelo computacional COPA LlenA Nacional, (cálculo óptimo de parámetros para el aprovechamiento
de lluvia en aplicaciones nacionales) para diseñar e implementar sistemas scall
como principal método de abastecimiento de agua en zonas de difícil acceso
El agua de lluvia es una alternativa para el suministro de agua
potable de la población, especialmente en regiones donde la cobertura en el
servicio de abastecimiento es baja y que por su situación geográfica y la
dispersión poblacional se dificulta la implementación de métodos convencionales
de distribución. El Plan Nacional Hídrico vigente plantea incrementar la cobertura
de los servicios de agua potable y alcantarillado en zonas urbanas y rurales
privilegiando a la población vulnerable, además de promover el suministro de
agua de calidad para uso y consumo humano mediante el aprovechamiento de nuevas
fuentes de abastecimiento, incluyendo el uso de fuentes de agua alternativas
como la cosecha de lluvia. En el mismo sentido, los sistemas de captación de
agua de lluvia (SCALL) son considerados como una fuente mejorada de
abastecimiento de agua (OMS y UNICEF 2000).
La instalación de los SCALL a nivel nacional se ha llevado a
cabo a través de diversas instituciones públicas (CONAGUA, IMTA, SAGARPA),
privadas (CHOICE, ISLA URBANA, ROTOPLAS) y asociaciones civiles (Fondo para la
Paz, Fundación Gonzalo Rio Arrionte, Ingenieros Sin Fronteras, Fundación Alstom).
Los estados que se han visto más beneficiados con estos sistemas son
Aguascalientes, BCS, Chihuahua, CDMX, Coahuila, Durango, Edo. de México,
Guanajuato, Guerrero, Hidalgo, Jalisco, Michoacán, Morelos, Nuevo León, Oaxaca,
Veracruz, San Luis Potosí, Querétaro, Campeche, Sonora, Tamaulipas y Zacatecas.
Estos sistemas fueron instalados principalmente para uso agropecuario y
consumo doméstico, además han sido aprobados para el uso industrial (Samano et.
al., 2016). Sin embargo, un problema que enfrentan dichas instalaciones, es
la falta de guías y reglamentación para implementar los lineamientos de
diseño, construcción, instalación, desempeño y operación. Esto hace imposible
conocer el estado que guarda cada uno de los sistemas así como el estado del
arte de éstos a nivel nacional, lo que limita conocer por un lado el uso responsable
de fondos públicos (y privados) y por otro los fundamentos de diseño que
puedan ser aplicados a las condiciones locales para garantizar su óptimo
funcionamiento. Ante esto, se desarrolló una herramienta informática
automatizada que genera los parámetros de diseño e información auxiliar necesaria
para la implementación de sistemas de captación de agua de lluvia acoplados a
un sistema de potabilización a partir de la integración de variables
geográficas, climatológicas y económicas propias del lugar para sustentar, de
forma técnico-científica, la viabilidad de los sistemas de captación derivados
del software denominado COPA LlenA Nacional, Cálculo Óptimo de
Parámetros para el Aprovechamiento de Lluvia en Aplicaciones Nacionales.
Desarrollo del Modelo computacional
Existe software de diseño de sistemas de captación de
agua de lluvia, por ejemplo Netuno Brasil (UFSC 2014), Water Harvester EUA
(Jones 2008), PluGriSost España (Gabarrell, et. al. 2010), y Tankulator
Australia (ATA 2010), sin embargo, alguno de ellos tienen la desventaja de
aceptar sólo datos climatológicos locales del país de origen y otros requieren
que el usuario provea sus propios datos climatológicos. Además, la mayoría de
estos software tienen como objetivo reducir los costos asociados con el
uso de agua de una red centralizada y no el de crear un sistema de captación
como fuente única o principal de abastecimiento como se requiere en la problemática
estudiada.
Aunque en México existe una metodología de cálculo oficial para
obras de captación superficiales, ésta requiere que el usuario tenga
conocimientos de ingeniería y obtenga los datos de precipitación pertinentes
por sus propios medios, lo que limita su aplicación (CONAGUA 2015) y muchas
veces lleva al fracaso del sistema.
El software generado,
COPA LlenA Nacional, contiene un algoritmo propio que toma en cuenta las
particularidades del país, dicho software considera elementos de entrada
como el número de habitantes de una vivienda (aspectos socio-económicos),
nivel de servicio deseado (consumo per cápita de agua al día), capacidad del
tanque de almacenamiento (según recursos y/o espacio disponible), tipo de
material del techo y área de captación (según recursos y/o espacio disponible)
los cuales están sujetos a la probabilidad de ocurrencia de lluvia en el área geográfica
donde se proyecte la instalación del SCALL (ver figura 1). Con dichos
parámetros el sistema desarrolla una estimación confiable del área de captación
y el volumen de almacenamiento requerido bajo dos criterios: a) personalizado
(con limitantes en las variables utilizadas) o b) ideal para su localidad (sin
ninguna restricción de las variables). De manera paralela, el sistema crea una
simulación de la cantidad de agua disponible durante el año que permitirá
visualizar el funcionamiento del SCALL para decidir sobre su viabilidad y el
costo de construcción (ver figura 2). Adicionalmente, el software cuenta
con un dispositivo para seleccionar tres opciones de barreras múltiples para su
potabilización y un manual del usuario para garantizar la operatividad del
sistema SCALL.
La herramienta final fue
diseñada usando el lenguaje R y su complemento ShinyStudio, que son OpenSource,
significa que no requieren software propietario y son gratis para usar.
La decisión para usar ese tipo de plataforma fue para hacer más transferible el
uso del software y se pueda usar en cualquier computadora. Además, así
se puede poner en línea para usarse con contraseña o libremente dependiendo de
las decisiones del grupo de investigación. Al mismo tiempo, también se decidió
incluir el análisis completo en la entrega de datos final para el proyecto. Eso
significa que todos los datos de precipitación para toda la república fueron
procesados y los resultados están en un formato accesible para su uso en el
programa. Finalmente, se hizo un algoritmo que calcula el uso diario para un
sistema diseñado por el usuario. En general, una de las razones más importantes
por la que los SCALL fallan es porque hay una brecha entre la cantidad de agua
que los usuarios piensan que van a recibir y la cantidad que en realidad
reciben. Por esa razón, se incluyó una visualización de uso diario que muestra
la cantidad por persona que deben usar para asegurar que hay agua suficiente
durante todo el año.
Conclusiones
La herramienta desarrollada permitirá a los usuarios (tomadores
de decisiones, ONG, sector público y privado así como la población en general)
decidir con parámetros propios del sitio, la conveniencia de adoptar estos
sistemas como único método de abastecimiento, como un sistema complementario o
en definitiva no optar por ellos.
El uso del software impactará
de forma directa sobre la planeación de sistemas de potabilización y permitirá
ampliar la cobertura de abastecimiento de agua potable en toda la República
Mexicana, con especial atención a las zonas de difícil acceso y bajos recursos.
Los resultados del modelo desarrollado permitirán el análisis del
aprovechamiento del excedente que precipita en usos agrícolas, forestales y
recreativos para fomentar su implementación. Con la aplicación de este sistema
es factible medir el impacto social a nivel nacional por el aprovechamiento
del agua de lluvia.
El desarrollo de un software
amigable cuya operación pueda llevarse a cabo por personas que no tengan
conocimiento en ingeniería de diseño y que contenga los datos necesarios sin
importar la región del país, simplificará el diseño, reducirá tiempo de cálculo
y hará accesible el diseño de captación acorde a las necesidades específicas
del sitio.
Es de vital importancia
contar con una herramienta de fácil acceso al usuario que permita el
desarrollo de un prototipo tanto para la captación de agua de lluvia como para
su potabilización, que pueda ser implementado fácilmente en cualquier zona del
país.
Agradecimientos
Este proyecto estuvo financiado por el fondo del Instituto de
Ingeniería, UNAM. Proyecto 6335. Aseguramiento de la cantidad y calidad del
agua almacenada en proyectos de captación de agua de lluvia en México.
Contacto
Dra. Alma Chávez Mejía
Referencias
Alternative Technology Association (ATA). 2010. The Tankulator. The Victorian Government Sustainability Fund. < http://tankulator.ata.org.au/questionnaire.php>
CONAGUA. 2015. Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento (MAPAS). CONAGUA.
Consejo Nacional de Población (CONAPO). 2011. Índice de marginación por entidad federativa y municipio 2010. CONAPO.
Gabarrell, X.; Morales-Pinzón, T.; Rieradevall, J.; Rovira, M. R.; Villalba, G.; Josa, A. y Martínez-Gasol, C. 2010. PluGriSost®: a model for design, economic cost and environmental analysis of rainwater harvesting in urban systems. Sostenipra. <http:// icta.uab.cat/ecotech/jornada/fitxers/plugrisost.pdf>
Jones, Matthew. 2008. Rainwater Harvester 1.5. North Carolina State University (NCSU), Biological and Agricultural Engineering (BAE) Stormwater Engineering Group. < http:// www.bae.ncsu.edu/topic/waterharvesting/model.html>
Organización Mundial de Salud (OMS) y Fondo de las Naciones Unidas para la Infancia (UNICEF). 2000. Evaluación Global de los Servicios de Agua y Saneamiento 2000. Programa Conjunto de Monitoreo para el Abastecimiento de Agua y Saneamiento.
Sámano-Romero G, Mautner M, Chavez-Mejía A., Jiménez- Cisneros B. (2016) Assessing Marginalized Communities in Mexico for Implementation of Rainwater Catchment Systems. Water,8,140; DOI:10.3390/w8040140.
