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Universidad de La Salle Universidad de La Salle Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería 2017 Abastecimiento de recurso hídrico para modelo de granja Abastecimiento de recurso hídrico para modelo de granja autosostenible, combinando métodos no convencionales de autosostenible, combinando métodos no convencionales de captación de aguas captación de aguas Hernán Darío Gracia Mancera Universidad de La Salle, Bogotá Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil Part of the Civil Engineering Commons, and the Hydraulic Engineering Commons Citación recomendada Citación recomendada Gracia Mancera, H. D. (2017). Abastecimiento de recurso hídrico para modelo de granja autosostenible, combinando métodos no convencionales de captación de aguas. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil/134 This Trabajo de grado - Pregrado is brought to you for free and open access by the Facultad de Ingeniería at Ciencia Unisalle. 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HERNÁN DARÍO GRACIA MANCERA UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA INGENIERIA CIVIL BOGOTÁ D.C. - 2017 2 ABASTECIMIENTO DE RECURSO HIDRICO PARA MODELO DE GRANJA AUTOSOSTENIBLE, COMBINANDO METODOS NO CONVENCIONALES DE CAPTACION DE AGUAS. HERNÁN DARÍO GRACIA MANCERA COD. 40101089 Trabajo de grado presentado para el título de Ingeniero Civil ASESOR: EDDER ALEXANDER VELANDIA DURAN INGENIERO CIVIL UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA INGENIERIA CIVIL BOGOTÁ D.C. - 2017 3 Copyright © 2017 por Hernán Darío Gracia Mancera. Todos los derechos reservados. 4 Agradecimientos Esta Tesis va dedicada en agradecimiento a Dios por darme luz de vida, a mis Padres Rafael Eduardo Gracia Mancera y Gladys Mancera Gonzales que junto con mi Hermana Natalia Gracia Mancera que juntos me ayudaron a edificar lo que se construye día a día y este trabajo es muestra de lo que se puede lograr cuando se tiene apoyo incondicional. A mi director de tesis que es un vivo ejemplo que la constancia es la clave del éxito. Por ultimo esta tesis se realizó con el fin de ayudar a mejorar la calidad de vida de este bello municipio como lo es Cajica. 5 Tabla de Contenidos Introducción Parte 1. 1. Descripción del problema 2. Justificación 3. Marco legal 4. Objetivos 5. Alcance 6. Metodología general del estudio 7. Marco conceptual Parte 2 1. Estado del arte relacionado con captaciones por niebla 2. Granjas integrales 3. Riegos simplificados 4. Marco teórico Parte 3. 1. Marco contextual 2. Descripción tipo de suelos 3. Hidro-meteorología 4. Condiciones de la finca caso de estudio 5. Area de cultivos 6. Abastecimiento de agua potable de la casa Parte 4. 1. Diseño piloto captación de niebla. 2. Objetivos 3. Metodología toma de datos 4. Planteamientos dirección del flujo de niebla 5. Resultados toma de datos. 6. Cálculo demanda de agua para granja 7. Modelamiento red de riego. Parte 5 1. Concepto de viabilidad 2. Costos de la captación 3. Recomendaciones constructivas 4. manejo del agua. Parte 6. 1. Conclusiones 2. Bibliografía. 6 Lista Ilustraciones Ilustración 1. Imagen Satelital de Colombia en Infrarojo Ilustración 2. Levantamiento Ilustración 3. Esquema Captador Largo de Niebla Ilustración 4. Plano Prototipo Captación Largo Niebla Ilustración 5. Encabezado Toma de datos Ilustración 6. Captador Largo Niebla Ilustración 7. Nieblinometro Chungungo Ilustración 8 Captador Niebla NRP30 Ilustración 9. Captadores de Niebla Guatemala Ilustración 10 Clima Ilustración 11 Precipitación Ilustración 12 Modulo Cultivo Ilustración 13 Modulo Suelo Ilustración 14 Modulo Patrón de Cultivo Ilustración 15 Interface de Inicio EPANET Ilustración 16 Ejemplo de Red Ilustración 17 Unidades de EPANET Ilustración 18 Imagen Satelital Ilustración 19 Localización Proyecto Ilustración 20 Vista Sector Ilustración 21 Ubicación Captación de Niebla Ilustración 22 Via Acceso Ilustración 23 Geo-referencia Estaciones Meteorologicas Ilustración 24 Histograma de Precipitacion Ilustración 25 Mapa Geotecnico de Cundinamarca Ilustración 26 Consolidado Análisis de Suelo 7 Ilustración 27 Entrada Predio El Gavilancito Ilustración 28 Cerca Viva Ilustración 29 Árboles Frutales Ilustración 30 Huerta Ilustración 31 Lombricultura Ilustración 32 Red Abastecimiento Principal Ilustración 33 Cebolla Cropwat 8.0 Ilustración 34 Requerimiento Riego Cebolla Cropwat 8.0 Ilustración 35 Tomate Cropwat 8.0 Ilustración 36 Requerimiento Riego Tomate Cropwat 8.0 Ilustración 37 Lechuga Cropwat 8.0 Ilustración 38 Requerimiento Riego Lechuga Cropwat 8.0 Ilustración 39 Esquema Sistema Riego Ilustración 40 Red de Riego Cebolla EPANET Ilustración 41 Perfil del terreno Vs Perfil Piezomtrico Ilustración 42 Prototipo Captador Largo de Niebla Ilustración 43 Embudo Recolector Ilustración 44 Colector Primario Agua Niebla Ilustración 45 Relación Volumen Captado Cada Estructura Ilustración 46 Captador Polisombra 50% Ilustración 47 Captador Polisombra 80% Ilustración 48 Portal Meteoblue 8 Lista de Tablas Tabla 1 Código colores para imagen Satelitales Tabla 2 Coordenadas Estaciones meteorológicas Tabla 3 Estaciones Meteorológicas utilizadas Tabla 4 Precipitación promedio mensual multianual-El Gavilancito Tabla 5 Datos de entrada Cropwat 8.0 Tabla 6 Precipitación Mensual Cropwat 8.0 Tabla 7 Necesidades de riego de la Cebolla Tabla 8 Relación Precios Producción Cebolla Tabla 9 Necesidades de riego del Tomate Tabla 10 Relación Precios Producción Tomate Tabla 11 Necesidades de riego del Lechuga Tabla 12 Relación Precios Producción Lechuga Tabla 13 Características dosificación hídrica cultivo Cebolla Tabla 14 Requerimiento Hídrico del cultivo por turno Tabla 15 Elementos del sistema- Presión Tabla 16 Tubería de Red de Riego Tabla 17 Descripción perfil Red Riego Tabla 18 Resultados Captación de Niebla Tabla 19 Volumen Total Captado 9 Lista Ecuaciones Ecuación 1. Razones Promedio Datos Faltantes Ecuación 2. Precipitación Promedio Mensual del Mes. Ecuación 3. Diámetro Bulbo Humedecido Ecuación 4. Porcentaje Área Trabajo Ecuación 5. Intervalo de Riego Ecuación 6. Lamina Riego Ajustada Ecuación 7. Ciclo Riego Ecuación 8. Lamina Ecuación 9. Dosis Riego Bruto Ecuación 10. Horas Riego/Turno Ecuación 11. Máximo Turnos de Riego Ecuación 12. Horas de Riego Diario Ecuación 13. No Riegos Por Ciclo Ecuación 14. Superficie de Riego Ecuación 15. Volumen de Riego Bruto Ecuación 16. Caudal Requerido Ecuación 17. Ecuación Pérdidas. 10 Lista de Anexos Anexo 1 Estructuracaptación 1 - Plano. Anexo 2 Estructura captación 2 y 3 - Plano. Anexo 3 Distribución Sistema. Anexo 4. Programación Riego. Anexo 5 Tabla Recolección de datos captación de niebla. Anexo 6. Programación de riego por Volumen diario de riego Cebolla. Anexo 7. Programación de riego por Volumen diario de riego Tomate. Anexo 8. Programación de riego por Volumen diario de riego Lechuga. Anexo 9. Apique Caracterización Visual terreno. Anexo 10. Toma puntos para geo-referenciar levantamiento topográfico. Anexo 11. Huerta Lechuga 30m2 2016. Anexo 12. Cosecha Rábano 2015. Anexo 13. Manantial de Fisura de Roca. Este reservorio mantiene su nivel de agua entre la cota 30cm a 150cm. 11 Introducción Determinar la manera de dar abastecimiento interno a una granja integral, contribuyendo a un desarrollo de esta de una manera eficiente. Se generó un estudio respondiendo a la hipótesis “qué posibilidades tiene una granja integral en ser abastecida por captadores largos de Niebla y se determinó en qué medida son funcionales cuando a la hora de abastecer las demandas de una granja se trata. Esta estrategia se planteó usarla como plan piloto en una Finca llamada El Gavilancito ubicada en el sector La Cumbre, vereda Chuntame, municipio Cajica/Cundinamarca; con el fin de llevarles agua a las personas del sector y poder brindarles el abastecimiento alterno al acueducto municipal permitiéndoles utilizar un recurso hídrico adicional al del acueducto para desarrollar actividades agrícolas. Se construyeron en total tres estructuras cada una conformo un captador de niebla diferente variando configuración en cuanto a orientación y características del material de cada captador de niebla, determinando en qué medida esto logra abastecer necesidades de abastecimiento específicas de la granja. Con la información sobre precipitación y caracterización fisicoquímica del suelo, se realizó un análisis para tres cultivos obteniendo las necesidades de riego para cada uno, de acuerdo a una época y condiciones presentes en el suelo de estudio. Se determinó el total de agua captada mediante las estructuras de los captadores de niebla; adicional a esto se determina el agua que recolectaría una estructura interna del predio haciendo un análisis de la precipitación de la zona para ver mediante cual sistema de abastecimiento logra suplir las necesidades de riego que presenta la granja como lo es la huerta y la producción de compostaje partir de lombricultivo.. Como resultado se da un balance positivo para el uso de estas tecnologías, presentando los beneficios de implementar los captadores de niebla para la producción en masa de humus y compostaje a través de lombricultivos favoreciendo en el desarrollo de una granja pequeña. 12 Capítulo 1 1. Descripción del Problema: El campesino local al desarrollar alguna actividad agrícola presenta una necesidad hídrica adicional a la dotación necesaria para satisfacer sus necesidades básicas; la vereda tiene problemas de disponibilidad de agua potable y llevar agua para lograr dar desarrollo a una granja sostenible genera un aumento en los costos de abastecimiento. El Sector La Cumbre, Vereda Chuntame en el municipio de Cajica, se encuentra ubicado en el POT del Municipio es una zona ubicada a más de 2600 msnm, lo que indica que se ubica en un terreno de montaña y la cobertura del municipio en cuanto a los servicios de saneamiento básico son algo deficientes. Como fuentes naturales encontramos nacederos que por ser descuidado se ha venido disminuyendo su caudal, por lo que no es fuente representativa de abastecimiento y de los reservorios del sector no es posible sustraer agua para alimentar un cultivo ya que se estaría generando un desbalance hidrológico, desconociendo características fundamentales como lámina de agua mínima de dichos reservorios para mantener sin afectación la biodiversidad que los rodea y su capacidad de recuperación; dos factores que pueden afectar el ecosistema de reserva forestal que se encuentra en el sector. Por tanto el uso del agua es muy restringido para llegar a desarrollar actividades agrícolas económicamente benéficas para las personas locales. 13 2. Justificación A medida que avanza la globalización los pequeños agricultores van desapareciendo debido a la desventaja con la competitividad respecto de los grandes productores, puesto que a mayor escala mayor producción y mejor precio, lo cual no pueden decir los pequeños agricultores. Al generar unos productos netamente orgánicos se podrá entrar en competencia por que al ser orgánicos tienen más valor nutricional por lo que son productos de calidad. Dado a la tradición campesina que se tiene en el Municipio de Cajicá, genera una necesidad de preservar esta tradición y la parte más representativa del campesino son sus cultivos; debido a la expansión de la ciudad en el municipio han ido desapareciendo las zonas de cultivos, y es una tradición que se pretenden no dejar perder, es algo autóctono de la región. Los lotes donde anteriormente se cultivaba dentro del municipio han sido comprados por las grandes constructoras para desarrollar proyectos de vivienda, lo que ha generado una disminución en el desarrollo de la actividad agrícola en el sector. El recurso hídrico es una limitante que aqueja la región debido a las condiciones locales los reservorios localizados cerca a los predios no se permite el bombeo de estos para actividades agrícolas por pertenecer a zonas de reserva forestal. Se pretende diseñar un sistema sostenible de riego menor aprovechando la oferta hídrica entendiéndolo como el agua lluvia y el agua que se pueda captar a través de la captura de niebla. Lograr implementar el uso de alternativas para lograr obtener un mayor aprovechamiento de la oferta hídrica de cada zona, no solo permite una mejor calidad de vida, además logra despertar la conciencia en las personas que estén en contacto con estos proyectos, de que esto se está realizando por que los recursos naturales como el agua se deben aprovechar y cuidar de la mejor manera, este recurso permite dar vida, pequeñas soluciones como la de captar el agua niebla para determinado uso, logrando reunir agua donde antes no había. Esta es una estrategia para aprovechar el agua suspendida en aire la cual permite beneficios sin generar un impacto negativo para el 14 ambiente y permite desarrollar actividades a pequeña escala para mejorar la calidad de vida de quien produce y de quien consume los productos agrícolas. 3. Marco legal La Constitución Nacional incorpora este principio al imponer al Estado y a las personas la obligación de proteger las riquezas culturales y naturales (Art. 8), así como el deber de las personas y del ciudadano de proteger los recursos naturales y de velar por la conservación del ambiente (Art. 95); en su Art. 80 que: ¨ El Estado planificará el manejo y aprovechamiento de los recursos naturales para garantizar su desarrollo sostenible, su conservación o sustitución. Además, deberá prevenir y controlar los factores de deterioro ambiental, imponer las sanciones legales y exigir la reparación de los daños causados. Así mismo, cooperará con otras naciones en la protección de los ecosistemas situados en zonas fronterizas ¨. Lo anterior implica asegurar que la satisfacción de las necesidades actuales se realice de una manera tal que no comprometa la capacidad y el derecho de las futuras generaciones para satisfacer las propias. Decreto 2811 de 1974, Reglamentado con el Decreto Nacional 4688 de 2005, por el cual se dicta el Código Nacional de Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente da viabilidad al desarrollo de este proyecto ya que en su contenido aclara que los recursos naturales son patrimonio común, por tanto no vamos en contra del Código Nacionalde Recursos Naturales. A continuación citamos el artículo único y su primer párrafo: El ambiente es patrimonio común. El Estado y los particulares deben participar en su preservación y manejo, que son de utilidad pública e interés social. La preservación y manejo de los recursos naturales renovables también son de utilidad pública e interés social. El Decreto 1449 de 1977, por el cual se reglamentan parcialmente el inciso 1 del numeral 5 del artículo 56 de la Ley número 135 de 1961 y el Decreto-Ley número 2811 de 1974 donde se abarca 15 el cuidado del recurso hídrico. Aprovechar las aguas con eficiencia y economía en el lugar y para el objeto previsto en la resolución de concesión. El concepto de agua en bloque fue definido después de la expedición de la Ley 142 de 1994, a través del Decreto Reglamentario 302 de 2000, el cual en su artículo 3.461m lo definió como el servicio que se presta a entidades que distribuyen y/o comercializan agua a distintos tipos de usuarios; sistema mediante el cual el municipio de Cajicá recibe agua potable para su municipio. Objetivos General Evaluar la implementación de sistemas de captación no comunales de agua como abastecimiento de un modelo de granja pequeña auto sostenible. Específicos 1. Evaluar estado del arte respecto a la captación de niebla y precipitación regional. 2. Identificar necesidades del proyecto (área huerta, cultivo, suelo, análisis hidro - meteorológico) 3. Proponer alternativa para el abastecimiento. Diseño sistema de captación de niebla. 4. Experimentalmente cuantificar la captación de niebla. 5. Valorar económicamente la propuesta atendiendo al análisis de si se pude suplir o no la demanda de agua solicitada para los cultivos. 16 Alcance. La oferta hídrica de agua superficial del sector La Cumbre del Municipio de Cajicá, es deficiente para lograr el desarrollo agrícola, razón por la cual se evidencia la necesidad de encontrar sistemas de abastecimiento del recurso hídrico para lograr desarrollar estas actividades. El efecto que tienen implantaciones de especies no nativas como eucalipto y pino durante bastante años y en gran extensión de esta vereda, ha generado alteraciones en el ecosistema que existía el cual albergaba quebradas y vegetación logrando que las quebradas se secaran con el tiempo y la vegetación de paramo desapareciera en casi su totalidad. Se generó un método de análisis experimental para determinar en qué medida la combinación de captadores no convencionales de aguas lograban abastecer las demandas hídricas de una granja pequeña orientando su abastecimiento y funcionamiento de la manera más adecuada y generando productos con la mayor eficiencia posible, para implementarlo como alternativa de abastecimiento y poder llevar agua a las personas del sector. Se realizaron durante 6 meses las actividades que incluyeron levantamiento topográfico para conocer el contexto físico donde se trabajó. Este estudio implico generar estructuras de captación de niebla con sus respectivas estructuras de almacenamiento y la toma de datos cuyos costos fueron generados por el desarrollador de la investigación. 17 Metodología Para el desarrollo de la investigación se utilizó la metodología cuasi-experimental con un enfoque cuantitativo, estudiando la relación causa-efecto con la cual podemos aproximarnos a la realidad en situaciones que no es posible tener control de todas las variables, ya que esta se presenta en situaciones naturales. Fase 1. Revisión del estado del arte y normatividad asociada a los objetivos de estudio. Se revisó bibliografía respecto a los temas de captación de niebla que se han venido desarrollando en los diferentes sitios con la misma necesitar abastecer o desarrollar alguna actividad partiendo de la recolección de agua, incluyendo datos de recolección, ubicación, características técnicas y climáticas de cada sitio; de aguas lluvias, esta captación es la más común por lo que se toma un ejemplo de modelo implementado para una actividad similar a la que queremos desarrollar, respecto al abastecimiento de huertas, obteniendo información sobre normatividad asociada al objeto de estudio que regulan el uso y condicionan la disposición de los recursos naturales. Se realizó una revisión del marco legal de esta práctica enfocada al uso y disposición de los recursos naturales, en este caso el agua. Dentro del estado del arte se revisó documentación de niebla, granjas integrales y riegos simplificados. Fase 2. Selección de la zona implementación y caracterización climatológica Se realizó una verificación del sector al cual destinamos la ubicación del proyecto; en este espacio se determinó mediante el análisis de imágenes como la mostrada en la Ilustración 1 la cual pertenece a tomas satelitales infrarrojas del satélite GOES, el sistema GOES (Geostationary Operational Environmental Satelite), pertenece a la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration – U.S.A.), orbita en el eje ecuatorial de la tierra. La Ilustración 1 es un ejemplo de las imágenes infrarrojas tomadas mediante el satélite las cual permite identificar la presencia y densidad de nubes según la altura y temperatura de las mismas. 18 Ilustración 1. GOES (2015) Se comprobó que el sitio seleccionado cumple con las condiciones necesarias de presencia de nubes bajas o niebla al encontrar que en la parte de Cundinamarca se tiene presencia de color gris, esto indica presencia de nubes bajas con temperaturas entre los 10 °C y 0°C. El sitio se geo- referencio mediante un levantamiento topográfico para amarrarlo a las coordenadas geográficas MAGNA del territorio Nacional. Este levantamiento se realizó con una estación topográfica, dos prismas y el trípode. Ilustración 2. Levantamiento Topográfico Predio El Gavilancito, Cajica Cundinamarca. 19 Se encontró ya recolectada la información expresada mediante los datos pertenecientes a las estaciones pluviométricas cercanas a las zonas y los valores de la precipitación, información de dirección y velocidades de viento, temperatura del sitio. Las estaciones relacionadas con la obtención de la precipitación de esta zona son las descritas en la Tabla N 1. Tabla N 1. Tipo de estaciones meteorológicas utilizadas Estación Tipo de estación Latitud Longitud Altura (m.s.n.m.) Santillana ME 4°54'51.00"N 74° 6'29.80"O 2575 La Cosecha ME 4°59'21.20"N 74° 0'4.30"O 2600 Tabio GJA PM 4°55'59.10"N 74° 3'56.20"O 2600 Tabio CAR CP 4°54'51.41"N 74° 3'49.04"O 2620 Fase 3. Planteamiento del funcionamiento del sistema se realiza una vez obtenida la información topográfica y meteorológica de la zona. Con los datos topográficos se realizó la proyección y ubicación de las estructuras de captación de niebla, ubicación de la huerta y la distribución del sistema de riego contemplando un solo sistema que conecta las estructuras de captación de niebla, reservorios de almacenamiento, la huerta y el tanque de abono. Para la recolección de agua niebla se decidió implementar los captadores largos de niebla, los cuales funciona con una estructura a forma de pórtico con una superficie de captación conformada por una poli sombra de una densidad específica para permitir la captación de la niebla. 20 Estos captadores se ubicaron teniendo encuentra la facilidad de aparición de nubes según la elevación del terreno respecto a nivel del mar y el comportamientode los vientos en la zona. El sistema de riego se establece partiendo de las coordenadas entregadas por el levantamiento topográfico realizado y que da funcionando de tal manera que conecte desde la estructura de captación hasta el final de la cinta de riego y asegurando el funcionamiento del sistema en conjunto por gravedad. Fase 4. En la etapa inicial se implementó un captador de niebla en una dirección sentido paralelo al lindero Este - Oeste del predio, posterior de esta estructura se localizó una segunda y tercera estructura ambas ubicadas en sentido perpendicular a la estructura anterior y en sentido paralelo una de la otra; cada una tiene poli sombra de diferente densidad, con lo que se logró determinar que densidad es más eficiente para captar niebla. Se realizan planos para tener clara las especificaciones técnicas y realizar la construcción de los modelos como se muestra en la ilustración 3. Ilustración 3 Esquema Captadores Largos. SKETHUP 21 Para la recolección de datos de captación de niebla se realizó experimentalmente por medio de la construcción e instalación de una serie de prototipos de captadores largos de nieblas, los cuales se construyen manejando áreas de captación iguales, pero variando su orientación y especificaciones técnicas; de los cuales se obtuvieron datos de volumen diario captado por cada prototipo, en el sitio se tomaron datos de temperatura. La toma de datos se realizó entre 4 am y 6 am y se realizó la lectura de las temperaturas. Estos datos fueron registrados en un formato realizado el cual se encuentra en los anexo 20 En el formato de toma datos se completó con: la fecha, presencia de lluvia en el transcurso del día o no, presencia de niebla y el volumen captado por cada una de las estructuras, esos formatos se encuentran en el anexo 20. Con la información obtenida de los captadores largos de niebla se realizó un análisis de la captación de niebla experimental. El resultado final las recomendaciones de las variables técnicas evaluadas entre los tres modelos de captadores largos de niebla determinando cuál es la configuración que permita la mayor cantidad de niebla. Para determinar el agua que se podría llegar a obtener mediante la precipitación se evaluó la precipitación de cada mes y con esto se sacó el volumen que se podría almacenar de acuerdo al área de captación de una casa en adobe localizada dentro del predio. Para determinar las necesidades de riego de los cultivos se utilizó el Programa Cropwat 8.0; este programa incorpora datos como la precipitación, características del suelo de la zona, parámetros de cada cultivo contemplado en la propuesta y genera las necesidades hídricas de cada cultivo en un lapso de tiempo, indicando no sólo la cantidad total de agua si no que presentó la programación de riego para lograr un cultivo de máximo rendimiento en todas sus etapas. Una vez obtenidos los datos de captación de agua por niebla, captación de agua por precipitación y necesidades hídricas de cada especie, se procede hacer una valoración entre los tres 22 cultivos tomando como factor de selección que cultivo permitía mayor área de cultivo y producción con la cantidad de agua prevista para abastecerlo. FASE 5. Para realizar la evaluación se hizo una comparación del costo de implementación de los sistemas de captación no convencionales para el abastecimiento del cultivo que permitió mas área de cultivo con la cantidad de agua disponible, de donde se concluyó la funcionalidad de implementar o no la mezcla de los métodos no convencionales de captación de agua para generar abastecimiento para las actividades de esta pequeña granja Marco Conceptual A continuación se presentan los conceptos claves del presente proyecto para consolidar su entendimiento. Aguas lluvias: Aguas provenientes de la precipitación pluvial (Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico, 2000). Área de captación: Área de terreno cuya escorrentía suministra un campo, río, lago o un acuífero (FAO). Área de estudio: Área geográfica en la cual se realizan los relevamientos que tienen por finalidad el diagnóstico ambiental (Sánchez, 2011). Área regable: Es el área equipada de un sistema, la cobertura del sistema. Área regada: comprende la puesta en riego y el desarrollo físico a nivel de parcela Caudal: Es el agua que pasa por un sitio a determinada velocidad, producto por la convergencia de aguas superficiales. Canal: Estructura hidráulica para el transporte y conducción de aguas entre dos puntos. Cuenca hidrográfica: Entiéndase por cuenca u hoya hidrográfica el área de aguas superficiales o subterráneas que vierten a una red hidrográfica natural con uno o varios cauces naturales, de 23 caudal continuo o intermitente, que confluyen en un curso mayor que, a su vez, puede desembocar en un río principal, en un depósito natural de aguas, en un pantano o directamente en el mar (Decreto 1640, 2012). Demanda hídrica: En la ingeniería del riego, hace referencia a la intensidad de consumo de agua en un cultivo inducida por la atmósfera (Villasante, 2005). Desarrollo sostenible: Aplicado a la agricultura del riego, se refiere al que es compatible con un determinado crecimiento económico capaz de conservar los recursos naturales y agrícolas (Villasante, 2005). Intensidad de precipitación: Cantidad de agua lluvia caída sobre una superficie durante un tiempo determinado (Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico, 2000). Necesidad de agua de los cultivos de riego: Cantidad de agua de riego sin la cual no es posible satisfacer en un momento dado la transpiración T, o el consumo Et, inducida por la atmósfera para conseguir una determinada intensidad de producción. El agua lluvia o la de condensación o la aportada por ascenso capilar pueden satisfacerla parcialmente, y el resto corresponde a las necesidades netas, que resultan pues de deducir a la anterior la lluvia efectiva, es decir, equivalen al déficit pluviométrico (Villasante, 2005). Niebla: Es un fenómeno meteorológico que consiste en nubes muy bajas, cerca o a nivel del suelo y formadas por partículas de agua de pequeño volumen en suspensión. (Villasante, 2005) Nivel freático: Límite superior de las aguas subterráneas en las aguas subterráneas en las que la presión del agua es igual a una atmosfera, es decir, profundidad del nivel del agua en un sondeo cuando el agua subterránea puede entrar libremente en el suelo (Prieto Bolívar, 2004). 24 Nube: se forman por el enfriamiento del aire. Esto provoca la condensación del vapor de agua, invisible, en gotitas o partículas de hielo visibles. Las partículas son tan pequeñas que las sostienen en el aire corrientes verticales leves. (Villasante, 2005) Pluviosidad: Cantidad de lluvia que recibe un sitio en un período determinado de tiempo, intensidad de lluvia (Villasante, 2005). Precipitación: Cantidad de agua lluvia caída en una superficie durante un tiempo determinado (Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico, 2000). Recurso hídrico: Corresponde a las aguas superficiales, subterráneas, meteóricas y marinas (Decreto 1640, 2012). Recurso natural: Recurso natural a cada bien y servicio que surge de la naturaleza de manera directa, es decir, sin necesidad de que intervenga el hombre. Recurso hídrico: Recurso natural a cada bien y servicio que surge de la naturaleza de manera directa asociado al agua. Sistema alternativo de producción: Modo de producción alternativo al convencional. Todos los sistemas de producción agrícola de tipo ecológico, como la agricultura orgánica, son alternativas al sistema dominante de la agricultura industrial (FAO, 2009). Uso sostenible de los Recursos Naturales: Los recursos naturales constituyen la basesobre la que descansan los tres pilares del desarrollo sostenible: el económico, el social y el medioambiental. Sin embargo, las reservas físicas pueden escasear y agotarse, lo que puede socavar el desarrollo económico y social futuros. Además, el modo en que se utilizan los recursos puede mermar la calidad del medio ambiente hasta el punto de suponer una amenaza para los ecosistemas y para la calidad de la vida humana (FAO, 2009). 25 Capítulo 2 Antecedentes Captadores de Niebla San Antonio, Cundinamarca, Colombia. Ilustración 4 Captador aislado niebla. (Garcia, 2013) Factibilidad técnica y de salud pública de la recolección de aguas nieblas: (Estudio de caso); Los Objetivos Evaluación para consumo humano de la captación de aguas nieblas en el municipio de San Antonio (Cundinamarca). En la ilustración 5 se observa un captador aislado de niebla compuesto por geo textil y tubo metálico, el cual esta embebido en el suelo en pilotes de cemento y tensados en sus extremos con guaya anclada a pequeñas estacas ancladas al suelo. Método: Se recolectó agua niebla mediante un prototipo de captador de 6 m2, que se instaló en el área durante 53 días consecutivos y se analizó el agua recolectada para evaluar su viabilidad para consumo humano. 26 Resultados: El volumen promedio diario de captación en la zona fue de 43,26 L/día y los parámetros de potabilidad evaluados cumplen con los valores mínimos establecidos en el Reglamento de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS 2000, con excepción del pH. Conclusión: Esta alternativa para captación y uso de agua plantea opciones alternativas y puede escalarse para producir las cantidades necesarias en comunidades asentadas en zonas de baja precipitación, adicionalmente, la calidad del agua recolectada en esta zona es adecuada para consumo humano, por lo que mejora las condiciones de salud de la población. Se sugiere realizar una evaluación de factibilidad económica para su aplicación y sostenibilidad. Revista de Salud Pública ISSN 0124-0064, 2013. - En la costa de Sudamérica occidental (principalmente en el norte de Chile y Perú), el clima es condicionado por el anticiclón del Pacífico, el cual genera una situación de aridez costera y vientos cargados de humedad desde el océano hacia el continente. En contacto con las aguas frías de la corriente de Humboldt, la humedad da origen a densa nubosidad que se desplaza hacia el continente, entre 600 y 1.200 m de altitud (Cruzat-Gallardo, 2004). Las primeras cadenas de montañas de la Cordillera de los Andes representan un obstáculo a los estratocúmulos formados en el océano. Soto (2000) describe que donde estas nubes encuentran las montañas, parte de ellas son detenidas; otra parte se interna por los valles, formando bancos de niebla de altura, o sea, nubes rasantes o nieblas. En áreas con nieblas persistentes y rasantes, es posible que las gotitas suspendidas (< 40 micrones) sean captadas por medio de paneles ensamblados con malla atrapanieblas y su volumen aprovechado para diferentes finalidades de consumo (Cereceda, 2011). 27 Ilustración 6 Captador Largo Niebla Fuente: CAPTACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE AGUA DE LLUVIA, (Cereceda, 2011). El sistema implementado por el proyecto de Chungungo en Chile, Este consiste en un conjunto interconectado de paneles atrapa nieblas localizados a unos 900 msnm. Los paneles se ubican a dos metros de la superficie del suelo y están formados por una malla doble de polipropileno (malla de sombra tipo “Raschel”, al 35%). Totalizan 3.528 m2 de superficie de captación de niebla, los cuales producen 10,6 lt diarios, estos están soportados por dos varas de madera elevadas con tensores de guaya anclados a pedestales de concreto. El agua captada es transportada por gravedad, mediante tuberías, a una distancia de 6,2 km, con 750 m de diferencia de cota, hacia un estanque de almacenamiento, de donde es distribuida en la red de agua para la población. Los costos de instalación dependen básicamente del número y del tamaño de los paneles que deben ser construidos para captar el volumen de agua necesario, así como de la distancia y dificultades para hacer llegar la tubería de conducción hasta los puntos de utilización. Los paneles se ubican en las crestas de las lomas y la población generalmente vive en áreas más bajas. Soto (2000) presenta los costos del proyecto en donde la conducción representó 28 aproximadamente el 36% del presupuesto total, mientras que la captación el 23%. Los demás costos corresponden a los ítems de almacenamiento (13%), tratamiento del agua (1,5%) y distribución al pueblo (27%). El presupuesto total fue de USD 122.000 para una producción diaria de 10.600 litros. El sistema es cerca del 34% más barato que la distribución con un camión cisterna, que es la modalidad más común en la región. - En España también se han desarrollado diferentes técnicas para la elaboración de los prototipos de captar niebla, encontrando sitios con condiciones de escases y donde por su localización la fuerte más asequible la niebla. Ilustración 8 Captado Niebla Modelo Captadores NRP 3.0. (Canarias, 2013) Las nieblas, producidas normalmente por nubes bajas que impactan contra una orografía escarpada, se pueden captar mediante la colocación de mallas especiales sobre una estructura de sustento. Estas mallas retienen las minúsculas gotitas de agua que flotan en el aire imitando al proceso que realizan las copas de los árboles y que da lugar al fenómeno conocido como "precipitación horizontal". Es una técnica estudiada desde hace más de 50 años en muchos lugares del mundo y que permite el aprovechamiento de este recurso hídrico sostenible. Fue en Chile, y 29 más concretamente en el desierto de Atacama, donde se comenzó a investigar y a desarrollar instrumentos de captación sobre todo entre los años 1960 a 1980, de la mano de investigadores de la Universidad Católica del Norte. Así surgieron los "atrapa nieblas" planos o tipo chileno, que se han venido empleando hasta la actualidad. Aunque económicos y sencillos, estos captadores presentan ciertos inconvenientes como la baja producción, superficie ocupada, las pérdidas de agua fuera de la estructura y problemas de estabilidad y roturas. Esta empresa se dedicó a estudiar las el modelo chileno para generar un prototipo mejorado en cuanto eficiencia tanto en captación y producción de agua como en su fácil manejo e instalación. Tras años de experimentación y mejoras, los captadores NRP 3.0 constituyen en la actualidad el mayor avance técnico y productivo a nivel mundial de los últimos 50 años en este sector, con una obtención máxima de 1.074 litros/día y una vida útil superior a 10 años. Los captadores NRP 3.0 poseen una enorme superficie captadora de 56 m2 ocupando el mínimo espacio, sólo 1,6 m2, reduciendo así la superficie ocupada en un 90% y minimizando el impacto visual. Canarias (2013). - En Guatemala – Tojquia, según la organización FogQuest adelanto un proyecto en el Altiplano Occidental Guatemalteco con el objetivo de proporcionar suministro de agua potable a pequeñas aldeas rurales. El proyecto se enfocó en la aldea llamada Tojquia, que se encuentra en la región de nombre los Cuchumatanes, a una altura de 3.300 msnm. Este proyecto es parte de la iniciativa en el altiplano occidental. Captadores de Niebla Guatemala, según la información más reciente se tienen instalados (30) colectores de niebla largos. La comunidad se ha concentrado en el uso y aprovechamiento de estas tecnología, comprando y trasladando materiales para construir más de estos colectores largos y haciendo mantenimiento a los ya existente. Los captadores de niebla han demostrado ser 30 una tecnología eficaz para proporcionar agua limpia a las familias. La producción de agua de niebla diariatotal actual se estima en alrededor de 6000 litros. Soto (2000) - Trasladandonos a la región de Columbine, en la Costa Este africana, se han realizado experincias durante unos cuatro años, en 10 estaciones recolectoras diferentes. Aprovechando las nieblas provenientes del mar, se ha llegado a una media superior a los 3 litros por metro cuadrado .En esa región, la humedad se recibe unos 120 días por año, lo cual basta para las necesidades normales, acondicionando depósitos convenientes. Jana Oliver, del Departamento de Geografía de Sudáfrica, realizó un interesante estudio (en inglés), sobre la captación de agua en la región de Cabo Columbine, llevado a cabo por un excelente grupo que posteriormente colaboró con la formación del informe final sobre la viabilidad del proyecto, de grandes proporciones. Existe asi mismo una versión poliédrica, realizada para utilizar en zonas donde el viento es cambiante. Mediante esta investigación se estableció el diseño óptimo para la captación de agua por medio de la niebla y el rocío para el abastecimiento de la población del barrio La Esperanza, con el fin de lograr este objetivo se implementó un modelo de recolección de rocío y niebla que permitió calcular la cantidad de agua recolectada, para ello se dispuso de un neblinómetro. Este dispositivo está compuesto por: mallas de polipropileno y Raschel (polietileno) de 1.00 m x 1.00 m a una altura de 2 m del nivel del suelo con postes de madera hincados a un 1m que permite sostener las mallas, una canaleta en tubo de 4” que recibe el agua condensada que desciende por las mallas, una bajante de 2” que transporta el agua hacia los garrafones de 22 litros que recolecta el agua, los garrafones fueron enterrados para evitar que se derrame el agua al ser derribados por la acción del viento o del hombre. Una vez instalados los sistemas en el lugar de estudio se pudo determinar que el material que presento mayor eficiencia es la malla tipo Raschel recolectando en promedio 2.66 L/m²-dia. (Castillo y Cabeza, 2016) 31 - De un trabajo de grado para Especialización de Recursos Hídricos de la Universidad Católica por parte de B. Mendoza y f. Castañeda Álvarez, documento donde recopiló información acerca de la excelente acogida que ha tenido la Captación de agua de niebla y roció se ha extraído las siguientes experiencias que son evidencia de ser una tendencia bastante prometedora a la hora de solucionar problemas de abastecimiento; algunas implementaciones reportadas en este estudio se describen a continuación: En la ciudad del sultanato de Omán, se tienen registros de una serie de atrapa nieblas que alcanzaron a colectar 30 m3 /día, pero ´la demanda era superior a la cantidad de agua captada, por lo que el proyecto ha sido abandonado. En Namibia (África), se han instalado una serie de atrapa nieblas con los que se aprovecha la niebla costera, presenta registros de colección de 1m3 /día, en época seca, pero durante los episodios de niebla alcanza los 12m3 /día; en la actualidad se pretenden instalar equipos que puedan resistir la fuerza del viento. En Israel se aprovecha el rocío que sucede 200 días al año con colectores de niebla, en el norte del país, el agua obtenida se ha usado en el hogar, jardinería y en agricultura, por lo que se espera un aumento en la instalación. Al noreste de Africa, en Yemen, hay baja disponibilidad de agua en los meses de enero a marzo, pero hay una niebla espesa que domina el paisaje, para aprovecharla se instalaron 26 colectores, entre los que se lograban resultados de 180 litros por día para un solo colector, con lo que se abastecía a 26 personas. Al noreste de África, cerca de Asmara, se instalaron 10 colectores para aprovechar la niebla que se ubicaba a altitudes aproximadas de 2000 a 2500 litros, entre los beneficios de 32 este sistema está el abastecimiento de uno de los colegios, por lo que hay expectativa por aumentar el número de colectores. En Etiopia, se instalaron atrapanieblas para abastecer a 700 personas de la Iglesia ortodoxa del Monasterio Zuquala. No hay reportes que indiquen los resultados del proyecto. Marco Teórico La niebla se puede explicar cómo una nube que está en contacto con el suelo, la niebla es una forma visible del vapor de agua en la que no alcanza a presentarse precipitación; está conformada por gotas de agua con diámetros demasiados finos que se forman por la condensación del vapor de agua (Vasquez, Solis, Sibaja, Valdes, 2012). La niebla es captada naturalmente por la vegetación e investigaciones que demuestran que también se puede captar de manera artificial, la explicación de la captación artificial se retomara más adelante. La niebla se caracteriza por disminuir la visibilidad dependiendo si se está a un nivel de la rasante del terreno. La niebla se presenta más frecuentemente en montañas, costas e islas. Los tipos de niebla se dan debido a los procesos físicos y condiciones meteorológicas que hacen que se presente la niebla. Ilustración 9 Niebla de radiacion (Ramundo,2013) 33 Niebla de radiación: En este caso el aire se enfría por pérdida de calor desde el suelo durante la noche (por irradiación de calor al espacio) ver ilustración 9. Este enfriamiento del suelo hace que el aire en contacto con él también se enfríe. La capa afectada, resulta ser de unos pocos metros de espesor, ya que el aire es pésimo conductor de calor. Para ello es necesario que el cielo esté claro o casi claro y que las velocidades del viento sean muy bajas (entre 3 y 13 Km/h) con una humedad relativa alta. (Ramundo,2013) Estas nieblas ocurren preferentemente en invierno y en general se disipan una o dos horas después de la salida del sol. (Ramundo,2013) Ilustración 10 Niebla de advección (Ramundo,2013) Niebla de advección: Se genera cuando una corriente de aire cálido y húmedo se desplaza sobre una superficie más fría, ver ilustración 10. El aire se enfría desde abajo, su humedad relativa aumenta, pudiendo llegar a la saturación. Para su formación, es necesario que los vientos sean moderados (entre 8 y 24 km/h.) de manera que pueda mantenerse el flujo constante de aire cálido y húmedo. (Ramundo,2013) 34 Ilustración 11 Descripción Niebla Vapor (Ramundo,2013) Niebla Vapor: Este tipo de niebla se origina cuando una corriente de aire frío se desplaza o permanece sobre el mar o espejos de agua relativamente más calientes, ver ilustración 11. En estas condiciones, se produce una incorporación de vapor de agua desde el mar al aire. Este vapor satura enseguida al aire frío y se condensa formando nieblas. Son comunes en las zonas polares, cuando el aire muy frío (-15 ºC o – 20 ºC) se mueve sobre el mar libre de hielos (con una temperatura alrededor de 0 ºC). (Ramundo,2013) Ilustración 12 Descripción Niebla Vapor (Ramundo,2013) 35 Nieblas frontales: Este tipo de niebla se genera delante de un frente caliente. Cuando llueve, si el agua que cae tiene mayor temperatura que el aire de su entorno, las gotas de lluvia se evaporan y el aire tiende a saturarse, ver ilustración 12. Se forman así nubes bajas o nieblas dentro del aire frío. Son nieblas generalmente espesas y muy persistentes. Se disipan luego del paso del frente. (Ramundo,2013) Medición de Niebla Ilustración 13 Neblinómetro Simple Pantalla Godínez ( 2013) El neblinómetro más sencillo es elaborado con mallas de Nylon o polipropileno, con un área no mayor de ,25 m2. Estos están soportados por una estructura de hierro de 1 cm de diámetro apoyado en postes de 2 m de altura. El agua atrapada pasa por un canal recolector que conduce el líquido a una estructura de almacenamiento donde es posible medir la cantidad de agua generada. 36 Este tipo de neblinometro mide la niebla o precipitación horizontal de manera unidireccional. Se ubica tal como semuestra en la ilustración 8. Estos neblinómetro pueden permitir periodos largos de toma de datos, permitiendo también implementar en sus instalaciones aparatos para medir posteriormente la calidad del agua recolectada; es de gran ayuda para la toma de datos que los neblinómetro cuenten con un anemoetro para medir la velocidad del viento y una veleta para medir la dirección de este mismo. Para determinar los cálculos de agua recolectada se debe tener el promedio de agua captada diaria durante la época de año de estudio, la dirección de viento y la altura del neblinómetro. Ilustración 14 Neblinómetro Cilindrico Juvik. Ideam (2009) Otro tipo de neblinómetro es el cilíndrico Juvik; mide la niebla o precipitación de manera multidireccional. Se se conforma con mallas de material de aluminio pintado de color negro formadas por alambres separados 1,42 mm, con dimensiones de 40,6cm de alto y 12,7 cm de diámetro. Los cilindros se instalan sobre un embudo metálico de 15cm de diámetro y se conecta a 37 un pluviografo. Los cilindros deben estar cubiertos con un techo que no permita la entrada de la precipitación vertical, garantizando que se mida exclusivamente la niebla captada, por lo general se ubica la boca superior del captador se ubica a 2 m sobre el nivel del terreno. Ver ilustración 9. Ilustración 15 Neblinómetro Cuatro Paredes. (IDEAM, 201) Otro neblinómetro es el de cuatro caras, la descripción fue dada por el Instituto de Estudios Ambientales, IDEA; este neblinómetro se compone de 4 mallas de 1 m2, ubicadas sobre una estructura con cubierta para evitar el ingreso de la lluvia. Una de las mallas es provista con un pluviómetro para registrar la variabilidad temporal de neblina, cada una de las mallas drena el agua recibida hacia un recipiente colector que acumula el agua proveniente de la niebla (IDEAM, 2011). Tal cual se muestra en la ilustración 15. De este neblinómetro se obtienen dirección predominante con mayor potencial hídrico y velocidad del viento, cuyos datos permiten determinar el potencial de captura de agua niebla en cm3 por m2 de malla por día. 38 Parámetros relacionados con la niebla Los parámetros fundamentales para la formación de niebla son la temperatura, punto de rocío, humedad, velocidad y dirección del viento; dentro de los cuales los más influyentes son la velocidad media del viento, el punto de rocío, la temperatura y la humedad relativa; debido que para las temperaturas bajas y humedades relativas mayores a 95% se tiene mayor probabilidad de condensación y formación de niebla. Tabla 3 Información Hidro - Climática de la Zona (Gutiérrez, 2016) Mes Temp Min Temp Max Humedad Viento Insolación Rad ETo °C °C % km/día horas MJ/m²/día mm/día Enero -6.3 21.2 58 173 9.5 22.4 4.10 Febrero -5.1 21.0 58 173 10.1 24.4 4.31 Marzo -4.6 26.6 56 173 13.0 29.7 5.69 Abril -2.2 23.1 59 173 12.7 29.0 5.15 Mayo -1.0 21.6 61 173 12.7 27.9 4.77 Junio -2.9 20.5 60 173 11.4 25.2 4.34 Julio -2.0 19.5 62 173 11.3 25.3 4.20 Agosto -2.6 19.2 61 173 10.8 25.5 4.26 Septiembre -4.4 19.1 60 173 9.7 24.3 4.15 Octubre -3.6 20.0 60 173 10.5 25.1 4.26 Noviembre -3.6 21.4 59 173 11.0 24.7 4.36 Diciembre -7.1 21.0 57 173 9.0 21.2 3.99 Promedio -3.8 21.2 59 173 11.0 25.4 4.47 Tenemos que la formación de nubes altas genera un incremento térmico de la superficie terrestre, este estrato de nubes altas permite pasar parte de la radiación solar la cual es absorbida por la superficie terrestre, mientras que las nubes bajas tienen un efecto rebote con la radiación emitida por la superficie terrestre que se devuelve de nuevo hacia el suelo. En esta relación se ve la interacción de las variables descritas en la Tabla 3. 39 Captadores de niebla Desde que se empezó adoptar los captadores de niebla como fuentes de abastecimiento se han generado avances en su estructura combinando diversos materiales y formas, encontrando formas de pentágonos, panales, cubos, conos; todos diseñados para atrapar niebla en más o menor cantidad dependiendo del sitio donde se implementan y el material captador que se utilice. Las variables para la implementación de un captador de niebla eficiente son: - Orientación respecto a los vientos: para asegurar la mayor intercepción de flujo de niebla por los captadores los paneles o las áreas de captación deberán formar un ángulo recto en lo posible con la dirección de los vientos. Una figura con múltiples caras lograría una mayor captación al controlar los flujos en todas las direcciones. - Área captación: esta deberá ser en un material que permita el paso del aire logrando captar a su paso las gotas suspendidas en las corrientes de aire, condensando en su superficie el agua que al escurrir será captada. - Estructura captador: la estructura dependerá de la configuración geométrica del captador, lo recomendado será siempre rigidizar la estructura ya sea con tensores o desde su cimiento para evitar movimientos de la estructura. - La estructura de recolección deberá estar a una distancia no mayor de 10 cm del borde inferior de la superficie de captación y conducirá a la estructura de almacenamiento del captador de niebla. Captador Bidimensional: El material más utilizado es la polisombra, una malla de polietileno de alta densidad que permite generar una pantalla que filtra el aire captando su humedad, está la encontramos en diferentes presentaciones desde 35%, 50%, 65%, 80%; valores que indican 40 la cobertura de cada hueco en toda la malla, teniendo que la poli sombra que da más sombra es la de 80% y la que permite más paso de luz es la de 35%. Las estructuras de captación de niebla están diseñadas como una barrera que se enfrenta a las corrientes de aire reteniendo la humedad que estas contienen, condensando atreves de pequeños orificios el agua que al llegar a la saturación en cada punto escurre; en la parte inferior maneja una canaleta para recoger el agua a lo largo de la extensión de la estructura de captación y conducirá el agua hasta un embudo que conecta con la estructura de recolección. La longitud de cada captador es libre debido a que no se ha estandarizado ningún modelo por ley, lo que se debe asegurar es la tensión de la poli sombra para obtener una mejor captación de agua; por lo que una distancia de 4 a 6 metros es suficiente entre dos parales. Tal como se muestra en la ilustración 16. Ilustración 16. Captador Bidimensional (Soriano, 2015) 41 Captador Cilíndrico: Este captador tiene registros desde 1980, el primer desarrollador de esta tecnología fue Nazareno Carvajal, La forma típica de esta estructura se da por un cilindro de dos metros de altura rodeado por miles de hilos verticales muy finos, los cuales se montan sobre un recipiente que recoge el agua captada. Esta estructura tiene la ventaja que recoge el agua en todas las direcciones debido a que es funcional en cualquier posición y ubicación que se localice, siempre y cuando las condiciones meteorológicas faciliten la formación de niebla. El captador cilíndrico permite disponer de muchos materiales a la hora de conformar la superficie de captación, ventaja que no presenta el captador bimodal, debido a su forma circular y diámetros pequeños se pueden usar fibras de nailon, seda como medias veladas entre otros lo que permite lograr captaciones mayores al permitir superficies de captación mucho mas densas que en otros captadores. La estructura se muestra en la ilustración 17. Ilustración 17 Captador Cilíndrico (Aranguiz y Morales, 2009) 42 Captador Macrodiamante: este captador se desarrolló desde 1950 por unos investigadores en la Universidad de Chile, este consiste en una estructura tridimensional poliédrica formada por tubos y mallas tipo Raschel, como se muestra en la Ilustración 18. Al poseer varias caras en diferentes direcciones reduceel problema de la dirección de los vientos e incrementa la eficiencia de la recolección, debido a su robustez brinda una mayor resistencia al empuje del viento, por su particular forma puede elevar a grandes alturas. Una desventaja es que su costo es considerablemente más alto que los demás captadores presentando eficiencias similares a más bajos costos. Ilustración 18 Captador Tipo Macro-diamante. (Soriano, 2014) Torre Vittori: Un captador que está revolucionando el abastecimiento en desiertos. Se trata de una torre de 10 metros de altura, fabricada a mano a partir de materiales naturales como se indica en la ilustración 19, que tiene la capacidad de recoger hasta 100 litros de agua potable desde el aire en las zonas rurales de los países en desarrollo. Diseñado por Architecture and Vision, el concepto ha sido implementado en los últimos 2 años a través de varios prototipos experimentales construidos. En las zonas de montaña, las mujeres y los niños de Etiopía caminan todos los días 43 durante varias horas para recolectar agua de fuentes inseguras, a menudo compartidas con animales, en permanente riesgo de contaminación. Se trata de una estructura vertical con un tejido perforado que cuelga en el interior para recoger agua potable del aire por condensación. La estructura de malla triangular está hecha de materiales naturales como el junco y puede ser construido por los habitantes de la aldea. La estructura, que pesa sólo 60 kg, se compone de 5 módulos que se instalan desde el fondo hasta la parte superior y se pueden levantar y ser montados por 4 personas, sin necesidad de andamios. La torre puede obtener hasta 100 litros de agua potable por día. El objetivo es que en el año 2015 el proyecto ya esté instaurado en Etiopía. (Vittori, 2014). Ilustración 19 Captador Warka Whater. (Vittori, 2014) 44 Ilustración 20 Captador Torre Captación. (Fernández, 2008) Torre de Niebla: Esta torre captadora de niebla mostrada en la ilustración 20, de los arquitectos chilenos Alberto Fernández y Susana Ortega. Su estructura helicoidal y una altura de 200 m es capaz de absorber, canalizar y repartir el agua en forma de niebla del tipo camanchaca. La Torre de Niebla produce entre 20.000 y 200.000 litros al día. Traducido en viviendas serían entre 1.000 y 10.000 viviendas. Para ser realmente viable en el abastecimiento humano la captación de niebla necesita de proyectos de una gran escala. Las soluciones pierden su utilidad debido a la gran cantidad de recursos que necesitarían para su construcción, sin embargo, la original forma de las propuestas combinada con un profundo conocimiento de los procesos técnicos de captación y distribución del agua los convierten en proyectos de una gran belleza. (Fernandez, 2008). 45 Ilustración 21 Captador WatAir. (Cory, 2009) Captador WatAir: Cada unidad WatAir mostrado en la ilustración 21 cuenta con 96 metros cuadrados de paneles de recolección de rocío ligeros que gravitatoriamente dirigen el agua captada mediante la estructura en forma de embudo generando una captación colectiva entre varios paneles. Los diseñadores estiman que cada unidad puede recoger aproximadamente 48 litros de agua en lugares remotos o lugares que no tienen fuentes de agua limpia. Los paneles son flexibles, fáciles de reparar cuando no están en uso, y fácilmente disponibles para proporcionar sombra e incluso algún refugio. (Cory, 2006). El diseño fue realizado por Joseph Cory de Geotectura y Eyal Malka de Malka Architects de Haifa, Israel. Captador GroosLa captación de niebla es una alternativa de abastecimiento que no implica que sus estructuras siempre deban ser robustas; un diseño que permite generar confort y ser indispensable para el excursionista aventurero o el montañero experto. Como se observa en la ilustración 22, el diseño inspirado en el escarabajo Stenocara captador de niebla. El colector de rocío está hecho de un laminado especial que atrae las gotas de rocío. A pesar de sólo recoger agua por la noche, el colector de rocío es muy eficaz. Pesa sólo 400 gramos, sin embargo, puede recoger 46 hasta 1,5 litros de agua limpia por noche. Es más eficiente cuando se coloca en el suelo en condiciones de 50% de humedad o más. (Gross, 2008) Como las condiciones extremas a veces pueden dañar el papel laminado que recoge el rocío, Gross ha desarrollado una solución tecnológicamente avanzada que detecta los cambios atmosféricos y utiliza sensores para abrir y cerrar cuando las condiciones son correctas. Para ser lo más accesible posible, está diseñado para ser compatible con un gran número de programas comunes de Internet, como Internet Explorer y Flash. (Gross, 2008) Ilustración 22 Captador Gross. (Gross, 2008) 47 Oferta hídrica por precipitación En la revisión del estado de arte se encontró que un trabajo ya tenía los datos de precipitación para el municipio de Cajica, Cundinamarca; por lo que se omite la relación de datos y se utiliza la precipitación brindada de dicho trabajo de grado. Presentándose un clima bimodal como se muestra en la Tabla No 4 donde encontramos meses de alta precipitación como lo son Mayo, Abril y Octubre, Noviembre, para la estimación del agua recolectada de la precipitación, cuyo valor puede ser expresado en mm/mes, litros/m2/mes, lo que es recolectado en la superficie horizontal del techo de las estructuras ubicadas en el predio. Tabla 4 Precipitación Mensual Precipit. Prec. efec mm mm Enero 45.2 41.9 Febrero 53.3 48.8 Marzo 70.8 62.8 Abril 111.2 91.4 Mayo 107.2 88.8 Junio 61.5 55.4 Julio 69.3 61.6 Agosto 55.2 50.3 Septiembre 72.8 64.3 Octubre 126.7 101.0 Noviembre 119.3 96.5 Diciembre 65.4 58.6 Total 957.9 821.5 Aparte de la precipitación se tienen encuenta variables las cuales conforman todas la información Hidro - Climatológica de la zona; esta información se compone por la temperatura, humedad, viento, insolación, radiación solar, evo transpiración. Esta información es obtenida a partir de los datos y análisis brindados por estaciones meteorológicas mencionadas en la Tabla 2. 48 La variación de alguno de ellos puede desequilibrar respecto a la niebla, alterar la aparición de niebla según sea la variación genera más o menor captación teniendo en cuenta que si la temperatura varia, genera un cambio en la formación de niebla que a su vez causa una variación de la radiación, humedad vientos. La demanda hídrica en las granjas La granja sostenible contiene una variedad de actividades las cuales en su conjunto generan un producción que como resultado dan sostenibilidad a sus mismas actividades y quien la trabaja; cada actividad presenta un uso de agua diferente. La granja presenta un sistema de compostaje utilizando lombrices para su descomposición, debido a que la humedad es un factor muy influyente en esta actividad. Las camas con el sistema de lombricultivos necesitan estarse regándose periódicamente; lo que genera un consumo de agua. Esta actividad es ideal para lograr abastecerla con un sistema de captador de niebla dado que debido al entorno que requiere se debe hacer retirado de la vivienda haciendo complicado el abastecimiento y creando una necesidad de abastecimiento localizado que se puede suplir con los captadores de niebla. La actividad principal de la granja es el cultivo de alimentos, esta actividad es la que más presenta uso de agua debido a que los cultivos necesitan una cantidad de agua para asegurar su desarrollo en cada una de las etapas; esta huerta no presenta un área extensa de cultivo, debido a que por lo general estas son administradas por los mismos propietarios ya que son áreas manejadas por una persona permitiendo el desarrollo de las demás actividades. Para la obtención de las necesidades de riego es preciso modelar bajo lascondiciones de cada cultivo obteniendo así los requerimientos de riego en cada una de sus etapas. Para obtener las necesidades de riego de un cultivo se utiliza el programa Cropwat 8.0. 49 Cropwat es un programa de computación que es utilizado para establecer por medio de diferentes variables los requerimientos de agua de los cultivos, que permite la elaboración de calendarios de riego bajo diferentes escenarios y patrones de cultivo. Los datos de entrada son: temperatura máxima, mínima, humedad, velocidad del viento y radiación solar; por otra parte, con la base de datos Climwat se pueden determinar los valores anteriores. Además, es necesario el cálculo de la precipitación efectiva requiriendo datos de precipitación, y características propias del cultivo. Es de tener en cuenta que la precipitación mensual multianual es determinada por el método de las Isoyetas. Seguidamente el programa calcula la precipitación efectiva por la ecuación de FAO/AGLW, formulas empíricas y el método de la Soil Conservation Service. Como mencionan en su trabajo de grado (Gutiérrez, 2016); teniendo en cuenta todos los valores que se han modelado en el programa; el paso a seguir son las características propias del cultivo, como el uso consuntivo, la profundidad radicular, el agotamiento crítico y el factor de respuesta de rendimiento, el cual, se refiere a la reducción del rendimiento relativo al déficit de evapotranspiración relativa. Por otra parte, la fracción de agotamiento crítico es nivel crítico de humedad presente en el suelo por la falta de agua, afectando la evapotranspiración. Los valores varían de 0,4 y 0,6. Los módulos con los que cuenta el programa son: 1. Clima/ETo: para ingresar datos medidos de Evotranspiracion (ETo) o datos climáticos que permitan el cálculo de la ETo Penman-Monteith; 50 Ilustración 23 Modulo Clima 2. Precipitación: para ingresar datos de precipitación y el cálculo de la precipitación efectiva. Ilustración 24 Modulo Precipitación 3. Cultivo: para ingresar datos del cultivo y de la fecha de siembra en el formato que se muestra en la ilustración 16; los valores de Kc, Etapa, Profundidad radicular, agotamiento crítico, Factor de respuesta y altura del cultivo, se determinaron mediante bibliografía perteneciente a la FAO, donde ya se ha trabajado con una gran variedad de cultivos, también se usaron valores de otras fuentes para mirar sus rangos de diferencia. 51 Ilustración 25 Modulo Cultivo 4. Suelo: para ingresar datos de suelo (sólo en caso de programación de riego); para los parámetros del suelo, el programa trae por defecto unas configuraciones de acuerdo al tipo de suelo en un formato como el de la ilustración 26, por lo que se seleccionó uno de ellos sabiendo que ya tenemos una caracterización de suelo donde se clasifico. Ilustración 26 Modulo Suelo 5. Patrón de cultivo: para ingresar un patrón de cultivos para calcular el esquema de entrega de agua. Se llena el formato que se muestra en la ilustración 27. 52 Ilustración 27 Modulo Patrón de Cultivo Diseño sistema trasporte de agua niebla hasta reservorio almacenamiento. El sistema de distribución del agua desde las estructuras de almacenamiento, se diseñó para funcionar por gravedad lo que baja los costos que implica un sistema de bombeo. Se ubica en un plano topográfico generado del levantamiento realizado en campo, los puntos por donde paso la el sistema de riego para lograr determinar así medidas pertinentes para realizar el diseño del mismo. Estos parámetros a determinar son: - Abscisa y cota de cada punto desde la captación hasta la huerta. - Se define el material a usar en la conducción del agua en el sistema de riego. - Material, con este se sabe la rugosidad del material - Diámetros de tuberías disponible en este material - Accesorios que puedan causar pérdidas dentro del sistema de conducción 53 Para ver las necesidades hídricas de los cultivos el programa CROPWAT necesita como datos de entrada la precipitación por mes, los registros de temperaturas máximas y mínimas; así como también saber según una caracterización física que tipo de suelo es. Se presenta el análisis final del cultivo a seleccionar como óptimo para la siembra, suministrando datos finales como caudal de riego requerido por turno, números de turnos de riego, duración de turno de riego, para cada uno de los días del cultivo. El sistema de riego se diseñó utilizando el programa hidráulico EPANET es un programa de ordenador, que realiza modelaciones sobre el comportamiento hidráulico y de la calidad del agua en redes de tuberías a presión. Este programa realiza un análisis hidráulico que permite simular el comportamiento dinámico de la red bajo determinadas leyes de operación. Admite tuberías, bombas de velocidad fija y variable, válvulas de estrangulación, reductoras, sostenedoras, controladoras de caudal, rotura de carga, depósitos de nivel fijo o variables, leyes de control temporales o por consignas de presión o nivel, curvas de modulación y también permite el seguimiento de la calidad del agua a través de la red. Ilustración 28 Interface de inicio EPANET 54 EPANET es una herramienta informática que permite desarrollar por medio de simulaciones del comportamiento hidráulico y la calidad del agua en redes de distribución a presión. Una red consta de tuberías, nudos, conexiones entre tuberías, bombas, válvulas y tanques de almacenamiento o depósitos. EPANET determina el caudal que circula por cada una de las conducciones, la presión en cada uno de los nudos, el nivel de agua en cada tanque y concentración de diferentes componentes químicos a través de la red durante un determinado periodo de simulación analizando diferentes intervalos de tiempo. El modelo se basa en un sistema de distribución de agua como una serie de líneas conectadas a nudos, las líneas representan tuberías, las bombas y válvulas de control. Los nudos representan conexiones, tanques y reservorios. Ilustración 29 Esquema distribución Red hidráulica Epanet 1 2 3 4 55 En la ilustración 29 se ilustra el esquema de distribución del sistema de captación de niebla, conectado al abastecimiento del lombricultivo, tanques de almacenamiento, captación por precipitación de escorrentía, huerta. 1- Captación de niebla 2- Lombricultivos 3- Conducción hasta reservorio principal 4- Recolección agua Estado Granjas integrales Dentro del contexto agrícola de Colombia, la granja integral se puede define como un sistema de producción continua garantizando cero desperdicios. Este sistema se puede expandir y existen muchas; por ejemplo gallinas, lombrices y huerta, suelen varia aplicando diferentes animales de producción, diferentes bio-digestores y variedad de cultivos; dependerá del enfoque de quien desarrolle el sistema productivo. Por ejemplo como se describe en el siguiente texto extraído de un artículo: “El objetivo es tener una buena producción de hortalizas y huevo utilizando un mínimo de espacio, tiempo y dinero. Esto se logra "reciclando" absolutamente todo: tus desperdicios de la cocina, el excremento de las gallinas, las malezas que sacas del jardín, las partes no comestibles de las hortalizas, etc. A cambio, aumentas la producción de tus hortalizas sin gastar en fertilizantes; crías gallinas ponedoras sin comprar mucho alimento; y te ahorras el trabajo de limpiar el gallinero y aplicar fertilizante a tus hortalizas. También se pueden aprovechar los otros productos que provienen de las gallinas y lombrices, y lo que sobra se puede vender o compartir.” (Guerrero,2013) En una granja integral se pueden tener diferentes actividades como se observa en la ilustración 30, se observa un sistema a de cultivo dentro de invernadero. 56 Ilustración 30 Cultivo Hortalizas (Guerrero,2013)Otro sistema es el sistema de lombricultivo, el cual no requiere mucha agua y genera una producción de abono que puede ser utilizado internamente por la granja o sacar producto a la venta. Como se observa en la ilustración 31, se alimenta una cama de lombrices con abono y agua y se obtiene un compuesto de excelente calidad para los cultivos y plantaciones. Siendo este sistema estupendo porque permite recolectar todos los desechos orgánicos de la granja y convertirlos en materia prima para producción de abonos. Ilustración 31 Camas de Lombricultivo (Guerrero,2013) 57 Capítulo 3 1. Marco Contextual En Colombia se han implementado algunos sistemas de captación de niebla, pero estos no han. Pasado de una simple noticia o informe por parte de medios de comunicación y universidades; como tal no se han encontrado toma de datos que permitan el seguimiento al desarrollo de cada proyecto. Colombia a pesar de que ha incursionado en esta tendencia se muestra aun prematura en relación al trabajo con este sistema de obtención de agua. La disponibilidad de agua en la zona andina ha cambiado notablemente, debido a que algunas de las principales ciudades colombianas están ubicadas en esta cordillera, por lo que durante su crecimiento se ha requerido la eliminación de la cobertura vegetal. Si tenemos en cuenta lo mencionado en “Los Bosques Andinos y el Agua (Tobón, 2009)”, El proyecto piloto está ubicado en Cajicá, este un municipio de Cundinamarca, el cual cuenta con una población rural de 17.897 habitantes y urbana de 26.824 (DANE 2005). Se encuentra ubicada entre las coordenadas 40 55´ 11” de latitud y 740 01´82” de longitud, a una altura de 2.558 m.s.n.m.; pertenece a la Sub-cuenca alta del Río Bogotá, es declarada Reserva Forestal Protectora mediante el Acuerdo 010 de 1982, aunque se permiten actividades agrícolas a pequeña escala. La cuenca alta abarca 34% del total de la cuenca hidrográfica albergando díez corrientes de agua que vierten sus aguas al Río Bogotá. Las precipitaciones presentan un régimen bimodal anual con dos periodos de lluvias y dos secos, los meses más húmedos son Abril a Junio y de Octubre a Diciembre. Los periodos donde escasea el recurso son Enero a Marzo y Julio a Setiembre (Villegas, 2014). El valor promedio de precipitación es de 657.3 mm, con un temperatura promedio de 14°C, siendo un clima frío sub-húmedo y semi-húmedo, según la clasificación de Caldas Lang. 58 Ilustración 32 Localización Proyecto (Google Maps) Se observa en la ilustración 32, recuadro grande localización Sector la Cumbre, vereda Chuntame, Municipio Cajicá; el recuadro pequeño localización de linderos del Predio “El Gavilancito”. Esto se realiza mediante el buscador Google Earth. El predio El Gavilancito es un predio ubicado en ladera interna de la formación montañosa perteneciente al Municipio de Cajicá, este predio tiene un área de 14.200 m2, ubicado a una altura de 2.807 msnm con el punto más bajo, y 2.860 con el punto más alto. En el predio se encuentra una vivienda de muros de adobe de un área de 32 m2, en la parte interna cuenta con un reservorio de agua natural. Se tiene un sistema de lombricultivo, el cual genera abono para las diversas plantaciones que se tienen en el predio, tales como cerca viva, especies sembradas para reforestar y darle estabilidad a distintas partes del predio; también el producto del lombricultivo se usa para abonar los pastos los cuales se cultivan para alimentar novillos. El predio cuenta con la cobertura de los servicios públicos como acueducto y electricidad; el sistema de recolección de aguas residuales se realiza a través de sistema séptico. 59 Ilustración 33 Vista sector La Cumbre desde un punto del Predio. Ilustración 34 Ubicación Captador de Niebla. 60 Ilustración 35 Vía Acceso. Se utiliza el análisis del sector analizando las estaciones Meteorológicas y Pluviométricas encontradas alrededor del predio, donde se extrajeron los datos de precipitación mediante la modelación de las Isoyetas y el resultado del análisis concluirá las necesidades y programación de riego de los cultivos en estudio. Descripción Hidro - meteorológica Este sector se selecciona debido a su potencial de producción agrícola y oferta del recurso hídrico en forma de niebla, y en la actualidad solo se realizan labores de ganadería. Por lo que lograr promover la actividad agrícola a pequeña escala podría ser un impulso al desarrollo socioeconómico de las familias presentes en el sector. Se realiza un análisis hidrológico del sector donde se parte de la búsqueda de estaciones meteorológicas e hidrológicas en bases de datos del IDEAM, donde se encontraron tres estaciones, que son; La Cosecha toma lugar en Latitud 4.989222° y Longitud 74.001194°, Santillana que se encuentra localizada en las coordenadas Latitud 4.914167° y Longitud 74.108278°, Tabio GJA ubicada en la Latitud 4.933083° y Longitud 74.065611°. La Corporación Autónoma Regional CAR cuenta con una estación, se trata de la 61 estación Tabio dentro de su base de datos, la cual brinda parámetros atmosféricos como precipitación, temperatura y humedad. Se encuentra localizada en las coordenadas Latitud 4.914281° y Longitud 74.063622°. La estación más cercana es Tabio GJA con una distancia de 2.19 Km del predio. Las estaciones se trabajan desde el año 1985 hasta el año 2012 que se cuentan comparablemente registros similares entre las cuatro estaciones, contando con 27 años de lecturas de precipitación mensual multianual. Utilizando dos estaciones que presentaban datos de temperaturas mensuales mínimas multianuales que son La Cosecha y Santillana, que por su ubicación favorecieron el tratamiento de la información para analizar el predio. De igual manera se hizo uso de la cota más alta del predio y el punto más bajo del mismo para determinar la variación de la temperatura con respecto a las estaciones y cota del predio y de esta manera gestionar el valor promedio de temperatura medio mensual multianual del área de trabajo. (Gutierrez, 2016) Las estaciones a usar son las que se presentan a continuación: 62 Ilustración 36 Geo-referencia de las estaciones utilizadas (Gutiérrez, 2016) Ilustración 37 Histograma de precipitación – Predio El Gavilancito. (Gutiérrez, 2016) 0 20 40 60 80 100 120 140 m m Precipitacion (mm) 63 Como es posible observar en el histograma en la ilustración 37 de precipitación el municipio cuenta con un régimen bimodal, presentando un periodo seco en los meses de diciembre a marzo y entre junio y septiembre. En los meses de abril, mayo, octubre y noviembre las precipitaciones generalmente están por encima del promedio anual. El mes más seco es enero presentando un valor de 45.2 mm y el más húmedo tiene una precipitación máxima de 126.7 mm (ver tabla ), como es de notar la duración de los periodos secos son más prolongadas que las épocas de lluvia; relacionado con los valores arrojados por el programa Cropwat 8.0 el mes indicado para sembrar es marzo. Precipitación media mensual multianual de 79.8 mm. En la tabla 1 se encuentra el consolidada de la precipitación de las cuatro estaciones analizadas encontrando que la región presenta un clima bimodal, teniendo dos épocas del año de estiaje y dos épocas de precipitación. La alta pluviosidad que presenta la zona es de forma bimodal, presentando dos meses de máxima precipitación (abril- octubre), dos periodos secos enero y agosto. Al relacionar los datos de precipitación y con los caudales obtenidos en por los captadores de niebla se establece que área se deberá cultivar para lograr sacar producción agrícola de la granja programando los cultivos de acuerdo a la oferta hídrica disponible obtenida por este estudio.
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