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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Ambiente Contenido didáctico del curso Sistemas de Abastecimiento de Agua
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE
358002 – SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA
DIANA MARCELA FUQUENE YATE Ingeniero Químico, Msc. Ing. Ambiental (Director Nacional)
RUTH ESPERANZA LÓPEZ MEDINA (Acreditador)
BOGOTÁ 2013
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ÍNDICE DE CONTENIDO
Lista de Tablas ............................................................................................................................... VI Lista de Figuras ............................................................................................................................ VIII Aspectos de propiedad intelectual y versionamiento ..................................................................... X Introducción ...................................................................................................................................... 1
UNIDAD 1 – SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA ......................................................... 4
Capítulo 1. CONCEPTOS BASICOS .................................................................................................. 4 Lección 1. Entidades territoriales .................................................................................................... 4 Lección 2. Georeferenciación .......................................................................................................... 5 Lección 3. Normatividad ................................................................................................................... 7 Lección 4. Oferta y demanda del recurso hídrico .......................................................................... 8 Lección 5. Enfermedades de origen hídrico................................................................................. 13
Capítulo 2. SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE .............................................. 15 Lección 6. Población y consumo de agua .................................................................................... 15 Lección 7. Fuentes de abastecimiento ......................................................................................... 19 Lección 8. Obras de captación y aducción – conducción .......................................................... 23 Lección 9. Sistemas y obras de tratamiento y almacenamiento ............................................... 27 Lección 10. Condiciones de operación y mantenimiento ........................................................... 30
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Capítulo 3. SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE .............................................. 32 Lección 11. Red de distribución ..................................................................................................... 33 Lección 12. Tuberías y accesorios ................................................................................................ 35 Lección 13. Conexiones domiciliarias ........................................................................................... 37 Lección 14. Instalaciones hidráulicas ........................................................................................... 39 Lección 15. Condiciones de operación y mantenimiento ........................................................... 42
UNIDAD 2 – CONDICIONES DE CALIDAD Y CANTIDAD EN SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA ...................................................................................................... 48
Capítulo 4. CALIDAD DEL AGUA POTABLE .................................................................................. 48 Lección 16. Conceptos de química y microbiología básica ....................................................... 48 Lección 17. Parámetros fisicoquímicos y microbiológicos del agua potable ........................... 52 Lección 18. Análisis físico .............................................................................................................. 55 Lección 19. Análisis químico .......................................................................................................... 58 Lección 20. Análisis microbiológico............................................................................................... 61
Capítulo 5. MEDICIÓN DE CAUDALES ........................................................................................... 65 Lección 21. Fundamentos de mecánica de fluidos e hidráulica ................................................ 65 Lección 22. Estaciones hidrológicas ............................................................................................. 69 Lección 23. Métodos de aforo de aguas superficiales................................................................ 72 Lección 24. Métodos de aforo de aguas subterráneas .............................................................. 77 Lección 25. Evaluación de la calidad del agua cruda y potable ................................................ 81
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Capítulo 6. MUESTREO DE AGUA POTABLE ............................................................................... 85 Lección 26. Sitios de muestreo ...................................................................................................... 85 Lección 27. Técnicas de muestreo................................................................................................ 89 Lección 28. Muestreos fisicoquímicos .......................................................................................... 93 Lección 29. Muestreos microbiológicos ........................................................................................ 97 Lección 30. Interpretación de datos de laboratorio ................................................................... 100
UNIDAD 3 – SISTEMAS DE BOMBEO DE AGUA POTABLE Y AGUAS SUBTERRANEAS ... 106
Capítulo 7. PRINCIPIOS DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO ..................................................... 106 Lección 31. Conceptos y términos utilizados en sistemas de bombeo .................................. 107 Lección 32. Hidráulica de bombas y sistemas de bombeo ..................................................... 109 Lección 33. Clases de equipos para bombeo de agua potable .............................................. 113 Lección 34. Esquemas de sistemas de bombeo ....................................................................... 116 Lección 35. Curvas características ............................................................................................. 119
Capítulo 8. ELEMENTOS DE ESTACIONES DE BOMBEO ....................................................... 124 Lección 36. Bombas ...................................................................................................................... 125 Lección 37. Cárcamo .................................................................................................................... 129 Lección 38. Tuberías de succión e impulsión ............................................................................ 132 Lección 39. Accesorios ................................................................................................................. 138 Lección 40. Instrumentación de estaciones de bombeo .......................................................... 140
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Capítulo 9. AGUAS SUBTERRANEAS .......................................................................................... 142 Lección 41. Fundamentos de hidrología y geología ................................................................. 143 Lección 42. Acuíferos .................................................................................................................... 148 Lección 43. Hidrodinámica del agua subterránea ..................................................................... 151 Lección 44. Pozos ......................................................................................................................... 155 Lección 45. Condiciones de operación y mantenimiento ......................................................... 159
Bibliografía .................................................................................................................................... 164 Glosario ........................................................................................................................................ 166
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Normas de calidad de agua ...................................................................................................... 7 Tabla 2. Reducción por irregularidad temporal ................................................................................... 11 Tabla 3. Bacterias y protozoos que causan enfermedades asociadas con el agua ...................... 14 Tabla 4. Requisitos del nivel del servicio de agua para promover la salud ..................................... 16 Tabla 5. Distribución de la Superficie de Área, Población y Agua Disponible para Diferentes Rangos de Altura en Colombia .............................................................................................................. 20 Tabla 6. Cobertura de Agua Segura para Consumo en la Parte Urbana de una Muestra de 641 municipios de Colombia en 1997 .......................................................................................................... 21 Tabla 7. Tecnologías de tratamiento de aguas usadas en áreas urbanas de Colombia ............... 22 Tabla 8. Periodo de diseño de la captación de agua superficial ....................................................... 24 Tabla 9. Periodo de diseño de la captación de agua subterránea.................................................... 25 Tabla 10. Periodo de diseño de las aducciones o conducciones ..................................................... 26 Tabla 11. Criterios de calidad para destinación del recurso para consumo humano y doméstico, mg/L........................................................................................................................................................... 27 Tabla 12. Procesos de purificación de agua ........................................................................................ 28 Tabla 13. Diámetros internos mínimos en la red matriz ..................................................................... 35 Tabla 14. Diámetros mínimos de la red menor de distribución ......................................................... 36 Tabla 15. Diámetros comunes comerciales para las tuberías de una red de distribución ............ 36 Tabla 16. Tiempo límite para reparaciones ......................................................................................... 45 Tabla 17. Diferencias y similitudes de las células procariotas y eucariotas .................................... 50 Tabla 18. Clasificación de las aguas duras ......................................................................................... 59 Tabla 19. Descripción de los sitios de monitoreo ................................................................................ 87 Tabla 20. Ejemplos de selección de sitios de monitoreo de acuerdo al objetivo del programa de monitoreo .................................................................................................................................................. 88 Tabla 21. Posibles parámetros a analizar de acuerdo al objetivo del programa de monitoreo .... 96 Tabla 22. Resultados ordenados en forma creciente ....................................................................... 100 Tabla 23. Resultados de Q................................................................................................................... 101 Tabla 24. Resultados de las mediciones de alcalinidad................................................................... 102 Tabla 25. Alturas máximas de succión ............................................................................................... 132 VI
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Tabla 26. Diámetro de la tubería de succión en función a la velocidad ......................................... 133 Tabla 27. Valores del coeficiente C de Hazen - Williams ................................................................ 134 Tabla 28. Valores aproximados de K (pérdidas de carga locales) ................................................. 139 Tabla 29. Periodo de diseño para las obras de captación de agua subterránea ......................... 155
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Georeferenciación con el API v3 de Google Maps .............................................................. 6 Figura 2. Caracterización probabilística de los caudales promedios de estiaje ............................. 10 Figura 3. Participación departamental en la demanda potencial de agua en Colombia ................ 12 Figura 4. Sistema por gravedad ............................................................................................................ 34 Figura 5. Nivel de servicio con conexión domiciliaria fuera de la vivienda ...................................... 38 Figura 6. Instalaciones de agua............................................................................................................. 39 Figura 7. Escherichia coli ....................................................................................................................... 53 Figura 8. Cultivo de estreptococos fecales .......................................................................................... 54 Figura 9. Áreas del conducto en flujos confinados y a superficie libre............................................. 66 Figura 10. Estación de aforo de la red de la Diputación Floral de Gipuzkoa .................................. 70 Figura 11. Método volumétrico .............................................................................................................. 73 Figura 12. Secciones de control artificiales para aforar corrientes naturales.................................. 73 Figura 13. Método de velocidad – área o aforo con flotadores ......................................................... 74 Figura 14. Venturímetro .......................................................................................................................... 77 Figura 15. Medidor de orificio con las tomas de radio ........................................................................ 78 Figura 16. Distintos tipos de orificio, de acuerdo a la forma del agujero ......................................... 79 Figura 17. Tubo de Pitot ......................................................................................................................... 80 Figura 18. Medidor de flujo, tipo turbina ............................................................................................... 81 Figura 19. Posibles sitios de monitoreo................................................................................................ 87 Figura 20. Muestreo manual de agua en las playas vizcainas .......................................................... 89 Figura 21. Muestreo automático de agua............................................................................................. 90 Figura 22. Parámetros hidráulicos en una conducción con superficie libre .................................. 108 Figura 23. Sistema de bombeo sin tratamiento ................................................................................. 117 Figura 24. Sistema de bombeo con tratamiento ............................................................................... 118 Figura 25. Curvas características de una bomba ............................................................................. 120 Figura 26. Curvas del sistema y puntos de operación de la bomba ............................................... 120 Figura 27. Curvas del sistema de acuerdo a la antigüedad de las tuberías.................................. 121 VIII
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Figura 28. Curvas del sistema y punto de operación de la bomba para un sistema de tuberías en serie ......................................................................................................................................................... 122 Figura 29. Curvas del sistema y puntos de operación de la bomba para un sistema de tuberías en paralelo con descargas al mismo nivel ......................................................................................... 123 Figura 30. Curvas del sistema y puntos de operación de la bomba para un sistema de tuberías en paralelo con descargas a distinto nivel ......................................................................................... 123 Figura 31. Curvas del sistema y puntos de operación de la bomba para un sistema de extracción de agua subterránea ............................................................................................................................. 124 Figura 32. Dimensionamiento de la cámara de succión .................................................................. 131 Figura 33. Trazado de isoyetas ........................................................................................................... 146 Figura 34. Trazado de los polígonos de Thiessen ............................................................................ 147 Figura 35. Tipos de Acuíferos .............................................................................................................. 149
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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO
El contenido didáctico del curso académico Sistemas de Abastecimiento de Agua se diseña en su primera versión en el año 2011 por Diana Marcela Fuquene Yate, Ingeniera Química de la Fundación Universidad de América, Especialista en Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Colombia y magíster en Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Colombia.
Para citar este material por favor hacerlo de la siguiente manera:
Fuquene Yate, Diana Marcela (2013). Sistemas de Abastecimiento de Agua. Módulo didáctico. Bogotá. Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD.
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INTRODUCCIÓN El agua es un elemento esencial para la existencia de los seres vivos y para el bienestar del entorno ambiental en el que estos desarrollan sus actividades sociales y productivas; el desarrollo de estas actividades, impacta directa o indirectamente las fuentes proveedoras de agua.
En este sentido, los científicos de diversos países advierten que es importante para las labores de planificación sostenible del recurso hídrico conocer la cantidad de agua disponible ofrecida por la fuente de agua, los niveles de demanda y las condiciones de interacción hidráulica necesarias para mantener la salud de la fuente abastecedora de agua. (IDEAM 2007)
Pero en Colombia, la Defensoría del Pueblo reveló un informe que concluye que el 89 por ciento de los municipios y más de la mitad de la población total del país afronta problemas en materia de abastecimiento de agua potable. La investigación también revela que hay más de 14 millones de habitantes que en estos momentos viven en sitios con índice de escasez que llegan a los niveles medio y alto.
La Defensoría advirtió que en los próximos años seguirá aumentando la demanda de agua para los usos humanos y económicos, y lo grave es que la oferta aprovechable del recurso puede verse reducida si continúan las tendencias actuales de deforestación y la ausencia casi total de tratamiento de las aguas residuales. (Caracol, Marzo de 2009)
Es por esto que para el tecnólogo e ingeniero ambiental es prioritario adquirir conocimientos que le permitan llevar diseños de sistemas de abastecimiento de agua que afecten de manera positiva en la salud pública de los habitantes y su medio ambiente.
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En este módulo didáctico se describen las etapas necesarias para el abastecimiento de agua potable, desde su nacimiento, recolección y conducción hasta su entrega al consumidor final, teniendo en cuenta no sólo los conceptos básicos de la hidráulica, si no la necesidad o no de realizar un tratamiento al agua, para lo cual se distribuye el contenido del curso Sistemas de Abastecimiento de Agua en tres unidades, equivalentes a nueve capítulos (tres por unidad) y 45 lecciones (cinco por capítulo)
En la Unidad 1 se desarrolla el tema de sistemas de abastecimiento de agua como un sistema o un conjunto de sistemas acoplados que permiten transportar agua en forma de flujo continuo desde el lugar en el que ésta es accesible en la naturaleza hasta el punto de consumo, se reconocen las entidades territoriales, la georeferenciación, la normatividad, las condiciones de oferta y demanda del recurso y las enfermedades originadas por el uso de agua de mala calidad.
En la Unidad 2 se desarrolla el tema de condiciones de calidad y cantidad en los sistemas de abastecimiento de agua haciendo énfasis en la calidad del agua potable, su afectación por la variación de los caudales y la importancia de realizar un muestreo que asegure la cadena de custodia de la muestra, con el fin de evitar errores en esta parte del proceso de medición.
En la Unidad 3 se desarrolla el tema de sistemas de bombeo del agua potable y aguas subterráneas como eje principal para transportar el agua de un lugar a otro, se identifican sus elementos constitutivos, se reconocen los elementos y procesos que intervienen en una estación de bombeo y se comprende la importancia y aplicabilidad del sistema.
¡Bienvenidos!
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UNIDAD 1 Nombre de la Unidad
Sistemas de abastecimiento de agua
Introducción
En esta unidad se desarrolla el tema de sistemas de abastecimiento de agua como un sistema o un conjunto de sistemas acoplados que permiten transportar agua en forma de flujo continuo desde el lugar en el que ésta es accesible en la naturaleza hasta el punto de consumo, se reconocen las entidades territoriales, la georeferenciación, la normatividad, las condiciones de oferta y demanda del recurso y las enfermedades originadas por el uso de agua de mala calidad.
Justificación
Se desarrolla el tema “Sistemas de abastecimiento de agua”, como un sistema que se compone por las diferentes partes, componentes, actividades y operaciones técnicas que permiten el abastecimiento de agua a una población determinada. Para el tecnólogo e ingeniero ambiental es prioritario reconocer su importancia (ambiental y sanitaria), conocer las leyes hidráulicas y de fluidos en las que se basa su funcionamiento y operación, las obras complementarias requeridas, así como la normatividad que debe cumplir una obra de este tipo.
Intencionalidades Formativas
Conocer los conceptos básicos para operar y mantener un sistema de abastecimiento de agua potable, incluyendo el sistema de bombeo del mismo.
Capítulo 1
Conceptos básicos
Lección 1 Lección 2 Lección 3 Lección 4 Lección 5 Capítulo 2 Lección 6 Lección 7 Lección 8 Lección 9 Lección 10 Capítulo 3 Lección 11 Lección 12 Lección 13 Lección 14 Lección 15
Entidades territoriales Georeferenciación Normatividad Oferta y demanda del recurso Enfermedades de origen hídrico Sistemas de tratamiento de agua potable Población y consumo de agua Fuentes de abastecimiento Obras de captación y aducción – conducción Sistemas y obras de tratamiento y almacenamiento Condiciones de operación y mantenimiento Sistemas de distribución de agua potable Red de distribución Tuberías y accesorios Conexiones domiciliarias Instalaciones hidráulicas Condiciones de operación y mantenimiento
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UNIDAD 1 – SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA
Capítulo 1. CONCEPTOS BASICOS Empecemos este módulo definiendo un acueducto como un sistema o un conjunto de sistemas acoplados que permiten transportar agua en forma de flujo continuo desde el lugar en el que ésta es accesible en la naturaleza hasta el punto de consumo.
A continuación el estudiante encontrará los conceptos básicos para entender el funcionamiento de los sistemas de abastecimiento de agua.
Lección 1. Entidades territoriales Se entiende como una entidad territorial las personas jurídicas de derecho público, que componen la división político – administrativa del Estado, gozando de autonomía en la gestión de sus intereses. Son entidades territoriales los departamentos, municipios, distritos y los territorios indígenas y eventualmente, las regiones y provincias (BRC INVESTOR SERVICES S.A – 2007)
Revisar el siguiente video con el fin de entender mejor las entidades territoriales.
http://www.youtube.com/watch?v=rp4NAqLxl60&feature=related
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Lección 2. Georeferenciación La georreferenciación es el proceso de determinar la ubicación (latitud 1, longitud2) de un lugar en la tierra (JORGE IVÁN MEZA – 2011). Básicamente es una técnica geográfica, que consiste en asignar mediante cualquier medio técnico apropiado, una serie de coordenadas geográficas procedentes de una imagen de referencia conocida, a una imagen digital de destino.
El nivel de precisión alcanzado en la georeferencia depende en gran medida de la fuente de información geográfica utilizada (mapas temáticos, cartografía oficial, puntos de GPS, entre otros) y de la escala a la cual se vaya a realizar el trabajo. La elaboración de mapas a partir de imágenes involucra conocer la localización geográfica de los elementos y características de la Tierra, transformar estas localizaciones sobre la Tierra a una posición sobre un mapa plano requiere el uso de una proyección de mapa a una simbolización gráfica de estos elementos.
La tierra se puede considerar un volumen esférico no uniforme, aunque se puede aproximar a una figura geométrica, a la que se denomina Geoide, pero para su mejor concepción se le intenta adaptar a una figura más uniforme como es la de un elipsoide. El elipsoide WGS843, es uno de los más utilizados en la actualidad ya que se conformo a partir de datos procedentes de
los satélites
que constituyen el Sistema de
Posicionamiento Global – GPS. Con WGS84, se logra obtener un único sistema de referencia en coordenadas geográficas para todo el mundo. Los grandes distribuidores de cartografía privados y públicos se han acogido a este sistema rápidamente (MIGUEL ROMERO FERNÁNDEZ – 2011)
1
Distancia desde cualquier punto de la superficie terrestre al ecuador, medida en grados de meridiano.
2
Distancia de cualquier punto de la Tierra respecto del meridiano cero, que pasa por Greenwich, medida en grados de paralelo. 3
World Geodetic System 84, desarrollado por el Departamento de Defensa de los EEUU. Tiene como origen el centro de masas de la Tierra. Su popularidad se debe a que es el utilizado por el sistema de posicionamiento global por satélite GPS.
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En la Figura 1 se presentar el programa “API Javascript versión 3 de Google Maps” (dar click en la Figura para ingresar al programa) con el fin de que ustedes encuentren la correspondiente ubicación en términos de latitud y longitud de diferentes lugares. Figura 1. Georeferenciación con el API v3 de Google Maps
Fuente: Desarrollado por el Ing. Jorge Iván Meza 2011
Para verificar la correcta utilización del programa, verifique la ubicación de los siguientes sitios:
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1. Madrid, España: latitud 40.416, longitud -3.700 2. Santa Marta, Colombia: latitud 11.247, longitud -74.201 3. Amazonas, Colombia: latitud -.442, longitud -71.572
Tenga en cuenta que para buscar la latitud y longitud del sitio, deben colocar el nombre de la ubicación a localizar y dar click en “Buscar”
Lección 3. Normatividad A continuación se presenta una tabla con las normas de calidad del agua vigentes: Tabla 1. Normas de calidad de agua Nombre NTC 813 Decreto 2105 del 26 de Julio de 1983 Decreto 475 del 10 de Marzo de 1998 Decreto 1575 del 09 de Mayo de 2007 Resolución 2115 del 22 de Junio de 2007 Resolución 0811 del 05 de Marzo de 2008
Descripción Norma oficial para la calidad del agua en Colombia Potabilización del agua Decreto del Ministerio de Desarrollo Económico por lel cual se expiden normas técnicas de calidad del agua potable Decreto del Ministerio de Protección Social por el cual se establece el sistema para la protección y control de la calidad del agua para consumo humano Por medio de la cual se señalan las características, instrumentos básicos y frecuencias del sistema de control y vigilancia para la calidad del agua para consumo humano Por medio de la cual se definen los lineamientos a partir de los cuales la autoridad sanitaria y las personas prestadoras, concertadamente definirán en su área de influencia los lugares y puntos de muestreo para el control y la vigilancia de la calidad del agua para consumo humano en la red de distribución Fuente: Autor 2011
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Lección 4. Oferta y demanda del recurso hídrico Según el IDEAM (2010), los seres humanos utilizan intensivamente el recurso hídrico tanto para sus necesidades biológicas y culturales básicas como para las diferentes actividades económicas. Cada uno de los diferentes usos tiene unos requerimientos de calidad o características físico químicas y biológicas particulares, por lo cual en análisis de oferta y demanda no puede realizarse exclusivamente en términos cuantitativos de rendimientos o caudales.
En el caso colombiano sólo una fracción relativamente pequeña de las necesidades hídricas de la agricultura es atendida por distritos de riego que toman el recurso directamente de cursos o cuerpos de agua. Los grandes distritos, pese a que en Colombia constituyen un número y una cobertura relativamente pequeña, se concentran en cultivos agroindustriales de alta significación para la economía nacional.
El agua utilizada por usos domiciliarios e industriales y que constituye una proporción mínima respecto a la empleada por los distritos de riego y consumos pecuarios, a diferencia de estos últimos, retorna los volúmenes usados al sistema hídrico, pero con características de calidad sensiblemente inferiores afectando la disponibilidad del recurso aguas abajo.
Por su parte, aunque algunas industrias intensivas en el uso de agua toman el recurso de agua subterránea y fuentes diferentes a los acueductos urbanos, una parte de las industrias utiliza agua potable y tratada suministrada por las empresas de acueducto municipal.
Como indica el IDEAM (2011), la excesiva presión sobre una fuente de agua puede conducir a su desaparición, en este sentido es importante para la planificación sostenible del recurso hídrico conocer la cantidad de agua disponible, los niveles de demanda y las restricciones de uso necesarias para mantener la salud de la fuente abastecedora de agua. Esto indica, que además de ofrecer agua para el consumo 8
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humano y el abastecimiento de las actividades productivas, es necesario que las corrientes abastecedoras mantengan un remanente de agua para atender los requerimientos hídricos de los ecosistemas asociados a sus cauces, preservando así su biodiversidad, productividad y estabilidad.
La alta variabilidad temporal de las fuentes abastecedoras también afecta la disponibilidad real de agua. Una corriente con un régimen hidrológico muy inconstante es poco confiable como fuente abastecedora de agua por lo que la irregularidad temporal debe ser tenida en cuenta al estimar la oferta neta de una corriente de agua. El cálculo se realiza de acuerdo con la siguiente ecuación:
Donde, On: Oferta hídrica neta, m3 Ot: Oferta hídrica superficial total, m3 Re: Factor de reducción para mantener el régimen de estiaje 4 Rit: Factor de reducción por irregularidad temporal de la oferta hídrica Tal como se aprecia en la anterior ecuación, el cálculo de la oferta neta requiere conocer la oferta hídrica total, la cual se obtiene a partir de la siguiente ecuación:
Donde, Qo: Caudal modal de la fuente abastecedora, m3/s T: Cantidad de segundos en un año
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Aguas bajas
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Para definir el factor de reducción con el fin de mantener el régimen de estiaje, Re, se construye la curva de densidad de densidad probabilística (CDP) de los caudales de estiaje Qmin. De esta curva se extrae el caudal de estiaje con el 97.5% de probabilidad de excedencia Qmin 97,5% de modo que la reducción para mantener el régimen de estiaje se realiza tal como se presenta en la siguiente figura. Figura 2. Caracterización probabilística de los caudales promedios de estiaje
Fuente: Estudio Nacional del Agua – ENA 2008
En cuanto a la aplicación de la reducción, Rit, la reducción por irregularidad temporal se deduce utilizando mapas de coeficiente de variación, los cuales se construyen para los periodos de referencia. La reducción por irregularidad temporal de la oferta hídrica se debe estimar a través de un funcional de la forma:
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Donde Cv, Cs, ρ representan los coeficientes de variación y de asimetría de los caudales promedio anuales y el radio de correlación de los caudales diarios. La estructura explícita de la ecuación anterior es de antemano desconocida, por ello como primera aproximación para obtener Rit se recomienda aplicar la tabulación de la siguiente tabla. De acuerdo con (Domínguez, Rivera, Vanegas, & Moreno – 2008), los porcentajes de reducción fueron tomados de la comparación entre las magnitudes de los coeficientes de variación de la escorrentía anual y la desviación estándar de los caudales diarios alrededor de la media anual multianual. Este análisis mostró que la variabilidad de los caudales diarios es del doble de la magnitud de la variabilidad de la escorrentía promedio anual, lo que permite asegurar que los valores de Cv para caudales anuales sirven como indicador de la variabilidad diaria. Se observó que a Cv mayores a 0.6 les corresponde una variabilidad diaria mayor al 100%, debido a que esta variabilidad arroja despliegues en ambos sentidos, hacia los máximos y hacia los mínimos, se aplicó un valor de reducción correspondiente a la mitad de la variabilidad total en caudales diarios, esto observando que la reducción por estiaje ya toma medidas sobre los caudales necesarios para garantizar caudales mínimos. Para los Cv menores a 0.6 se asignaron reducciones siguiendo el mismo principio. Tabla 2. Reducción por irregularidad temporal CV
Rit, [%]
0 – 0.2 0.2 – 0.3 0.3 – 0.4 0.4 – 0.6 >0.6
15 25 35 40 50
Fuente: Dominguez, Rivera, Vanegas & Moreno 2008
La demanda potencial de agua estimada para los diferentes sectores de uso: doméstico, agrícola, industrial, comercial e institucional, se estima para la unidad administrativa municipal permitiendo ser agregados, de tal forma, que pueda tener el 11
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comparativo del porcentaje de participación de cada sector en la demanda total estimada por departamento (SIAC5 – 2011)
Los departamentos de Colombia con mayor demanda de agua para el desarrollo de sus actividades socio – económicas son Magdalena, Atlántico, Bolívar y Cundinamarca. La capital de Colombia se ubica en un sexto lugar con aproximadamente el 6% (IDEAM – 2008) Figura 3. Participación departamental en la demanda potencial de agua en Colombia
Fuente: Estudio Nacional del Agua 2008
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Sistema de Información Ambiental de Colombia
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Lección 5. Enfermedades de origen hídrico Según la Organización Mundial de la Salud – OMS (2011), el agua, el saneamiento y la higiene tienen consecuencias importantes sobre la salud y la enfermedad.
Las enfermedades relacionadas con el uso de agua incluyen aquellas causadas por microorganismos y sustancias químicas presentes en el agua potable; enfermedades como la esquistosomiasis, que tiene parte de su ciclo de vida en el agua; la malaria, cuyos vectores están relacionados con el agua; el ahogamiento y otros daños, y enfermedades como la legionelosis transmitida por aerosoles que contienen microorganismos.
La baja calidad del agua sigue siendo una gran amenaza para la salud humana. Las enfermedades diarreicas representan 4,3% (62,5 millones de AVAD6) de la carga mundial total de años de vida ajustados en función de la discapacidad (OMS – 2002). Las observaciones indican que 88% de esa carga se puede atribuir al abastecimiento inseguro de agua y al inadecuado saneamiento e higiene, que afecta principalmente a los niños de los países en desarrollo.
Las enfermedades transmitidas por medio del agua contaminada pueden originarse por agua estancada con criadero de insectos, contacto directo con el agua, consumir agua contaminada microbiológica o químicamente y usos inadecuados del agua. Las enfermedades transmitidas por medio de aguas contaminadas, insectos y bacterias son: Cólera, tifoidea y paratifoidea, disentería bacilar y amebiana, diarrea, hepatitis infecciosa,
parasitismo,
filariasis,
malaria,
tripanosomiasis,
oncocercosis,
schistosomiasis, tracoma, conjuntivitis, ascariasis, entre otras. El agua de piscina también puede transmitir enfermedades como pie de atleta, garganta séptica, infecciones del oído y ojos.
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Años de Vida Ajustados en función de la Discapacidad
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La enfermedad transmitida, los síntomas y su tratamiento dependen del tipo de microorganismo presente en el agua y de su concentración.
Las bacterias y los protozoos más comunes seguidas por la enfermedad/infección causada y los síntomas son: Tabla 3. Bacterias y protozoos que causan enfermedades asociadas con el agua Bacteria
Enfermedad/ Infección
Aeromonas sp
Enteritis
Campylobacter jejuni
Campilobacteriosis
Escherichia coli
Plesiomonas shigelloides Salmonella typhi Salmonella sp. Streptococcus sp.
Síntomas Diarrea muy líquida, con sangre y moco Gripe, diarreas, dolor de cabeza y estómago, fiebre, calambres y náuseas
Infecciones del tracto Diarrea acuosa, dolores de urinario, meningitis cabeza, fiebre, uremia, daños neonatal, enfermedades hepáticos intestinales Náuseas, dolores de estómago y Plesiomonas-infección diarrea acuosa, a veces fiebre, dolores de cabeza y vómitos Fiebre tifoidea Fiebre Mareos, calambres intestinales, Salmonelosis vómitos, diarrea y a veces fiebre leve Enfermedad (gastro) Dolores de estómago, diarrea y intestinal fiebre, a veces vómitos
Vibrio El Tor (agua Cólera (forma leve) dulce) Enfermedad/ Protozoo Infección
Amoeba
Disenteria ameboide
Cryptosporidium parvum
Criptosporidiosis
Giardia lamblia
Giardiasis
Fuerte diarrea Síntomas Fuerte diarrea, dolor de cabeza, dolor abdominal, escalofríos, fiebre; si no se trata puede causar abscesos en el hígado, perforación intestinal y muerte Sensación de mareo, diarrea acuosa, vómitos, falta de apetito Diarrea, calambres abdominales, flatulencia, eructos, fatiga 14
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Protozoo
Toxoplasma gondii
Enfermedad/ Infección
Síntomas Gripe, inflamación de las glándulas linfáticas; en mujeres embarazadas, aborto e infecciones cerebrales.
Toxoplasmosis
Fuente: Contaminación, purificación y agua. Modificado por el autor 2011
Las principales enfermedades que causa el agua son las diarreicas, especialmente en los países que el tratamiento de las aguas servidas es inadecuado. Los desechos humanos se evacúan en letrinas abiertas, canales y corrientes de agua, o se esparcen en las tierras de labranza causando contaminación microbiológica de coliformes fecales. Según las estimaciones, todos los años se registran 4.000 millones de casos de enfermedades diarreicas, que causan 3 a 4 millones de defunciones, sobre todo entre los niños.
Capítulo
2.
SISTEMAS
DE
TRATAMIENTO
DE
AGUA
POTABLE La purificación del agua es uno de los problemas de las ingenierías civil y ambiental de más urgente solución. El objetivo inmediato es proveer a toda la sociedad de agua potable, porque de esta manera cada comunidad satisface un requerimiento fundamental para su bienestar y comodidad. En Colombia existen más de mil municipios, muchos de ellos sin ningún sistema de purificación del agua (Romero Rojas Jairo – 2002)
Lección 6. Población y consumo de agua La cantidad de agua que se provee y que se usa en las viviendas es un aspecto importante de los servicios de abastecimiento de agua domiciliaria que influye en la higiene y, por lo tanto, en la salud pública (OMS – 2003) 15
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La necesidad básica de agua incluye el agua que se usa en la higiene personal, no resulta significativo establecer una cantidad mínima ya que el volumen de agua que usen las viviendas dependerá de la accesibilidad, la que se determina principalmente por la distancia, el tiempo, la confiabilidad y los costos potenciales. La accesibilidad se puede categorizar en términos del nivel de servicio.
La Tabla 4 resume el grado en el que los diferentes niveles del servicio pueden atender los requisitos para mantener una buena salud y las intervenciones que garantizarían los máximos beneficios. También indica la cantidad de agua que se usa en los diferentes niveles del servicio. Las cantidades estimadas de agua en cada nivel pueden ser menores si el abastecimiento de agua es intermitente, lo que incrementará el riesgo de que ingrese agua contaminada a los sistemas de abastecimiento de agua. Si el acceso es óptimo pero el abastecimiento es intermitente, la operación de los sistemas de saneamiento relacionados con el abastecimiento de agua podría verse afectada y generar mayores riesgos de salud (OMS – 2003)
Tabla 4. Requisitos del nivel del servicio de agua para promover la salud
Nivel del servicio Sin acceso (cantidad recolectada generalmente menor de 5 l/r/d)
Medición del acceso
Más de 1.000 m ó 30 minutos de tiempo total de recolección
Necesidades atendidas
Nivel del efecto en la salud
Consumo – no se puede garantizar Higiene – no es posible (a no ser que se practique en la fuente)
Muy alto
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Nivel del servicio
Medición del acceso
Necesidades atendidas
Nivel del efecto en la salud
Entre 100 y 1.000 m ó de 5 a 20 minutos de tiempo total de recolección
Consumo – se debe asegurar Higiene – el lavado de manos y la higiene básica de la alimentación es posible; es difícil garantizar la lavandería y el baño a no ser que se practique en la fuente
Alto
Consumo – asegurado Higiene Acceso Agua abastecida a – la higiene básica intermedio través de un grifo personal y de los (cantidad público (o dentro de alimentos está promedio de 100 m ó 5 minutos asegurada; se debe aproximadamente del tiempo total de asegurar también la 50 l/r/d) recolección) lavandería y el baño
Bajo
Acceso básico (la cantidad promedio no puede superar 20l/r/d)
Acceso óptimo (cantidad promedia de 100 l/r/d y más)
Consumo – se Agua abastecida de atienden todas las manera continua a necesidades través de varios Higiene – se deben grifos atender todas las necesidades
Muy bajo
Fuente: Organización Mundial de la Salud – OMS 2003
Los beneficios a la salud pública que ofrece el uso de mayores volúmenes de agua generalmente dan como resultado dos mejoras principales. La primera se refiere a la superación de la falta de acceso básico debido a las distancias y al tiempo de recolección del agua que dan lugar al uso de volúmenes inadecuados para la higiene básica personal y para el consumo humano. Otra mejora significativa para la salud ocurre cuando se dispone de agua en la vivienda. Otros beneficios derivados de mejorar el acceso incluyen la disposición de más tiempo, por ejemplo, para el cuidado de niños 17
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y la preparación de alimentos y actividades productivas. Si bien los beneficios para la salud debido al mayor acceso al agua podrían parecer limitados, se debe tener en cuenta los beneficios de tener más tiempo, inclusive para la educación, ya que pueden ser importantes para el desarrollo. También puede haber otras mejoras en niveles más altos del servicio relacionadas con el mayor acceso, el control de la calidad del agua potable y un mejor nivel socioeconómico.
Si no se logra un nivel básico de acceso al servicio, no se podrá asegurar la higiene y se podrían poner en riesgo los requisitos para el consumo. Por lo tanto, proveer un nivel básico de acceso es la más alta prioridad para los sectores de agua y de salud.
En la población que recibe niveles básicos de servicio, los beneficios para la salud pública se logran principalmente mediante la protección de las fuentes de agua, la promoción de buenas prácticas de higiene, el manejo y tratamiento domiciliario del agua y otras conductas clave de higiene en situaciones críticas (especialmente el lavado de manos y cara)
Todo individuo tiene derecho al agua, lo que implica el acceso a la cantidad mínima necesaria para satisfacer sus necesidades básicas. El progreso para lograr este nivel de servicio en todo el mundo está relacionado con beneficios significativos para la salud y sigue siendo uno de los principales intereses en las iniciativas de política internacional a través de los objetivos de la Declaración del Milenio y de las actividades de monitoreo a través del Programa Conjunto de Monitoreo de la OMS y de la UNICEF.
En los casos en los que no se ha logrado el acceso universal a un nivel básico del servicio, las iniciativas de las políticas deberán centrarse en aumentar la cantidad de viviendas con este nivel de servicio. Para obtener los máximos beneficios para la salud se deberán asignar recursos para asegurar que todas las viviendas tengan acceso a fuentes mejoradas de agua y en algunos casos para mejorar directamente el acceso en el nivel domiciliario (generalmente a través de tuberías). También se pueden obtener beneficios significativos al lograr que las viviendas con acceso a fuentes mejoradas 18
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tengan conexión domiciliaria. Comparativamente, los beneficios para la salud que ofrece el acceso a fuentes mejoradas fuera de la vivienda podrían ser limitados. El avance de las políticas de todos los países debería apuntar hacia la conexión domiciliaria, principalmente en aquellos países que han atendido las necesidades básicas. Los beneficios para la salud, entre otros, que ofrece el abastecimiento mejorado de agua son significativamente mayores cuando hay una continuidad en el acceso al agua potable segura dentro de la vivienda. En este caso, el nivel del servicio se considera óptimo.
En la práctica no es fácil distinguir en el nivel domiciliario entre el uso casero del agua y el uso productivo, principalmente en las comunidades urbanas pobres. El uso casero del agua forma parte de las estrategias de supervivencia de los pobres en el nivel domiciliario. El aseguramiento de la calidad adecuada del servicio para mantener el uso productivo de pequeña escala también puede generar beneficios sociales y de salud significativos, por ejemplo, en la producción de alimentos. Por lo tanto, el acceso al agua de calidad adecuada para la actividad productiva de pequeña escala en tales áreas es importante en la lucha contra la pobreza y puede dar lugar a beneficios indirectos pero significativos para la salud (OMS – 2003)
Lección 7. Fuentes de abastecimiento Según Luis Darío Sanchez7, Por su topografía y geografía, Colombia tiene una precipitación promedia anual de 3.000mm y el 88% del territorio presenta valores arriba de 2.000mm. Estos valores están por encima del promedio para América Latina de 1.600mm/año y del promedio global de 900mm/año (Ministerio del Medio Ambiente, 1996). Como se aprecia en la Tabla 5, la zona templada entre 1.000 y 3.000 metros sobre el nivel del mar (msnm) representa el 35% de la superficie del país, con un 34% de oferta de agua y soporta el 66% de la población. De otra parte el 38% de la agricultura y una significante parte de las factorías están en esta zona. Para el año 2016 si el patrón presente de incremento de la demanda persiste y se reduce la oferta debido 7
Tecnologías en abastecimiento de agua para pequeños sistemas de suministro de agua. Instituto Cinara, Universidad del Valle, Cali – Colombia
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a la pobre protección de las áreas de captación, el 19% de las municipalidades colombianas y el 38% de la población sufriría de desabastecimiento de agua. Tabla 5. Distribución de la Superficie de Área, Población y Agua Disponible para Diferentes Rangos de Altura en Colombia Altura (msnm) >3.000 1.000 – 3.000