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METODOLOGÍA DE DIMENSIONAMIENTO DE UN
SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS LLUVIAS
CON UN MECANISMO DE SEPARACIÓN DE PRIMER
FLUJO VARIABLE
Proyecto de grado realizado por
David Moreno Lozano
Asesor
Juan Pablo Rodríguez, PhD., Ingeniero Ambiental y Civil.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y
AMBIENTAL
BOGOTÁ D.C., COLOMBIA, JUNIO DEL 2020
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CONTENIDO
RESUMEN ........................................................................................................................................... 4
1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 5
2. OBJETIVOS ................................................................................................................................. 7
2.1 Objetivo general .................................................................................................................... 7
2.2 Objetivos específicos ............................................................................................................ 7
3. MARCO TEÓRICO...................................................................................................................... 8
3.1 Sistemas de recolección de aguas lluvias .............................................................................. 8
3.1.1 Captación ...................................................................................................................... 9
3.1.2 Conducción ................................................................................................................... 9
3.1.3 Interceptor de las primeras aguas ................................................................................ 10
3.1.4 Almacenamiento ......................................................................................................... 11
3.2 Metodologías de dimensionamiento .................................................................................... 12
3.2.1 Método de la Organización Panamericana de la Salud ................................................ 13
3.2.2 Métodos de Fewkes ..................................................................................................... 14
3.2.3 Método de balance de agua diario ............................................................................... 16
3.2.4 Método de demanda del periodo seco ......................................................................... 18
3.2.5 Almacenamiento o confiabilidad del sistema (SARET) .............................................. 19
3.3 Importancia de la separación del primer lavado .................................................................. 21
3.4 Mecanismos de separación .................................................................................................. 22
3.4.1 Desviadores manuales ................................................................................................. 22
3.4.2 Desviadores de volumen constante .............................................................................. 23
3.4.3 Desviadores dependientes de la intensidad de lluvia ................................................... 26
3.4.4 Mecanismo a implementar .......................................................................................... 27
4. METODOLOGÍA DE DISEÑO ................................................................................................. 28
4.1.1 Necesidad .................................................................................................................... 28
4.1.2 Obtención de información de lluvia ............................................................................ 28
4.1.3 Volumen de separación (mecanismo de separación de aguas lluvia de volumen
variable) 31
4.1.4 Dimensionamiento del tanque de recolección ............................................................. 34
5 EJEMPLO DE COMPARACIÓN .............................................................................................. 38
6 CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 41
7 RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS ................................................................. 42
8 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................ 43
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RESUMEN
En este proyecto se realiza una revisión bibliográfica de los sistemas de recolección de aguas
lluvias y de los métodos de su diseño. Luego se desarrolla un método que permita dimensionar
este tipo de sistemas y se añade un factor novedoso, la implementación de un mecanismo de
separación de primer flujo de escorrentía con volumen variable. Finalmente se compara el
método con otro mediante un ejemplo de cálculo, obteniendo que el método propuesto arroja
resultados más eficientes en términos del volumen del tanque de almacenamiento obtenido y
la demanda de agua que se puede proporcionar.
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1. INTRODUCCIÓN
Una de las problemáticas y retos más importantes en el mundo moderno es la necesidad de
abastecer a la creciente población mundial con agua, pues el acceso al agua es considerado
como un derecho fundamental para todo ser humano; este suministro no debe sólo satisfacer
las necesidades fundamentales, sino que también necesidades en el campo de la industria y en
el sector agrícola. Aunque los gobiernos han hecho esfuerzos en suplir la demanda de agua, se
estima que cerca de 3 de cada 10 personas carecen de acceso de agua potable a su hogar, y que
alrededor del doble están desprovistos de saneamiento seguro. [1]
Respecto a la situación de Colombia con el agua, este país es uno de los más ricos del mundo
hídricamente hablando, pues la oferta es seis veces mayor al promedio de la oferta mundial y
tres veces mayor a la oferta en la región latinoamericana. Gracias a esto, cerca del 70% de la
energía producida en Colombia proviene de plantas hidroeléctricas, por lo que este recurso es
de vital importancia para el país [2]; sin embargo, pese a la gran oferta de agua, a nivel general,
la mayoría de la población y las actividades económicas se dan en lugares donde hay déficit en
las cuencas hídricas para suplir la demanda. [3]
Por estas razones, la recolección de agua lluvia ha sido una alternativa interesante para suplir
las diferentes necesidades básicas asociadas al agua. Uno de los pasos más importantes para el
diseño de los sistemas recolección, es el dimensionamiento del tanque de almacenamiento,
pues si este es muy grande, el sistema resultará muy costoso; por el contrario, si el tanque es
muy pequeño, no se asegurará suplir la demanda de agua. [4]
En el proceso de recolección de aguas lluvias, es conveniente hacer la separación del primer
flujo que cae, pues este, al lavar la superficie que capta la lluvia, llevará consigo los
contaminantes depositados en los techos. Por lo tanto, el uso de estos dispositivos es de vital
importancia, ya que se logra que el agua almacenada tenga una mejor calidad. [5] El problema
es que estos dispositivos son diseñados para separar un mismo volumen de agua en todas las
condiciones, y no siempre se requerirá separar el mismo volumen en todas ellas, porque la
cantidad de suciedad y contaminantes depositados en el techo puede variar a lo largo del año,
y porque son diferentes las condiciones ambientales y climatológicas en lugares diferentes.
Con lo anterior en mente, este proyecto busca diseñar una metodología para realizar el
dimensionamiento de un sistema de recolección de aguas lluvias, incorporando un dispositivo
de separación de primer flujo con volumen variable, para así poder variar el volumen a separar
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para las condiciones específicas del lugar, logrando así, un diseño que funcionará para
diferentes casos y no uno sólo en específico.
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2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo general
• Desarrollar una metodología que permita dimensionar un sistema de recolección de
aguas lluvias de uso doméstico, usando un tanque de separación de aguas lluvia con
volumen variable.
2.2 Objetivos específicos
• Hacer una revisión bibliográfica de los sistemas de recolección de aguas lluvias y sus
componentes.
• Diseñar un mecanismo de separación de primer flujo de aguas lluvia que funcione para
diferentes volúmenes de agua.
• Realizar una hoja de cálculo para el dimensionamiento del tanque de almacenamiento
de agua.
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3. MARCO TEÓRICO
3.1 Sistemas de recolección de aguas lluvias
Los sistemas de recolección de agua lluvias son utilizados para aprovechar el agua en
precipitación que cae sobre algún tipo de cubierta, la cubierta permite captar el agua y es
transportada a través de canales hacia tanques de almacenamiento; una vez allí, puede ser
utilizada en el momento que se requiera bien sea para descarga de sanitarios, riego, lavado de
pisos, o en ciertas ocasiones, el consumo si se hace tratamiento.
En general los sistemas de recolección no tienen muchas diferencias entre sí, generalmente un
sistema está compuesto por tres fases: Captación del agua, conducción y almacenamiento, [6]
pero dependiendo de las necesidades y del sistema que se esté diseñando, puede haber
variaciones entre componentes, como el separador del primer flujo de agua, filtros, distribución
por gravedad, por bombeo o uso de tratamientos para posibilitar el consumo del agua, como
se mencionó anteriormente. En la Figura 1, se muestra un esquema general de los sistemas de
recolección con sus componentes principales:
Figura 1. Esquema general de captación pluvial en techos. [7]
A continuación, se hará una descripción de cada componente para un sistema de captación de
uso doméstico, pues el propósito del proyecto es desarrollar la metodología de diseño para su
uso en zonas rurales.
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3.1.1 Captación
Es la superficie en la que cae el agua y facilita su dirección hacia los canales de
almacenamiento; la superficie captadora principalmente es el techo y debe tener una pendiente
adecuada para que cumpla su propósito, su área debe ser calculada como el área en planta del
techo y no la inclinada. La captación también se puede hacer por medio de techos o cubiertas
verdes, los cuales aparte del papel que juegan en el cuidado ambiental (captura de CO2),
cumplen un rol en la arquitectura, pues son agradables visualmente.
Con el tiempo, se ha mejorado en los materiales empleados en la construcción de los techos,
los más comunes con techos de plástico, de acero, polimglass, aluminio y cerámica [7]. Se
recomienda minimizar la cantidad de ramas por encima del techo para evitar el excremento de
pájaros o suciedad producida por otros animales, también se debe evitar el acceso a roedores
ya que pueden introducir agentes patógenos y bacterias al agua [8], se debería limpiar el techo
una vez al mes, ya que mientras más se limpie este, mejor será la calidad del agua.
Figura 2. Techo de acero. [9]
3.1.2 Conducción
La conducción del agua del techo al tanque de almacenamiento se hace mediante canaletas,
están hechas de gran variedad de materiales, los más comunes son en PVC y acero galvanizado,
el más recomendable de estos es el PVC, porque no disminuyen la calidad del agua y además
tienen un periodo de vida largo [8]. Su instalación debe hacerse de manera correcta, evitando
zonas planas para que no se posibilite la reproducción de mosquitos. Es recomendable también
el uso de rejillas en las canaletas, así se evita la obstrucción de estas y se previene la
acumulación de materiales grandes como hojas o ramas.
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Figura 3. canaleta con rejilla. [10]
3.1.3 Interceptor de las primeras aguas
El interceptor es un tanque más pequeño que el tanque de almacenamiento y su función es
impedir que el material indeseable ingrese al lugar de almacenamiento, este material es todo el
proveniente del techo que se encuentra al comienzo de la lluvia y no es separado por las rejillas
de las canaletas, con esto se logra minimizar los contaminantes en el agua almacenada. [7]
El diseño de este tanque debe tener en cuenta el volumen que se debe separar, un estimado
común de separación es de 1L por metro cuadrado de captación. Existen diferentes métodos de
separación del primer flujo de agua, esto se explicará más a detalle en la sección 3.4.
La Figura 4 muestra un esquema de uno de los tipos de separación:
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Figura 4. Interceptor de primeras aguas.
Como se muestra, en este dispositivo este tanque tiene la función de retener el primer flujo de
agua, cuando se llene, el nivel de agua hará que la bola tape la entrada al tanque, por lo que el
agua que sigue ingresando al sistema se desviará al tanque de almacenamiento.
3.1.4 Almacenamiento
Una vez se ha separado el agua del primer flujo de escorrentía, el agua se dirige hacia el lugar
de almacenamiento, este se puede hacer mediante tanques de plástico, depósitos de cemento o
acero galvanizado; también es posible depositar del agua en pequeños estanques cubiertos con
lonas. Se recomienda que los tanques tengan tapa para evitar el riesgo de entrada de
contaminantes [8]. El material empleado depende del tipo de uso que se le vaya a dar al agua,
así como el presupuesto disponible.
El tamaño del tanque dependerá del área de captación y de la cantidad de lluvia que cae en el
lugar, por lo que se debe hacer un análisis hidrológico para estimar adecuadamente el volumen
óptimo de este tanque [7]. Este dimensionamiento es importante en un sistema de recolección
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de agua lluvia, pues debe haber un balance ente la oferta de agua y la demanda de esta. Si se
sobre dimensiona el tanque, se incurrirá en sobrecostos innecesarios; por el contrario, si se tiene
un tanque muy pequeño, no se dará abasto a la demanda de agua y se desperdiciará agua que
se puede almacenar.
La ubicación se debe hacer en un lugar bajo de fácil acceso en el caso de sistemas de
recolección simple, generalmente se sitúan cerca de la canaleta bajante y colocan a una altura
conveniente para poder extraer el agua de forma sencilla; en sistemas más complejos, se ubican
los tanques bajo el suelo, requiriendo el uso de bombas para facilitar la distribución del agua.
Figura 5. Tanques de almacenamiento de agua.
3.2 Metodologías de dimensionamiento
Se describirán 4 métodos para dimensionar sistemas de recolección de aguas lluvia,
principalmente el volumen del tanque de almacenamiento, estos métodos son: el método de la
Organización Panamericana de la salud (en él se puede calcular el tamaño del tanque o el área
de techo necesaria para una demanda de aguadada), los métodos de Fewkes (donde se
describirán 3 métodos), el método de balance de agua diario (donde se dimensiona el tanque a
partir de datos de lluvia diarios), el método de demanda del periodo seco (donde el principal
factor d cálculo es el periodo de tiempo que no habrá lluvia) y por último el método SARET
(para determinar la confiabilidad del sistema).
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3.2.1 Método de la Organización Panamericana de la Salud
En el método implementado por la Organización Panamericana de la salud se toma como base
los datos de precipitación de los últimos 10 o 15 años, con esto, se determina la cantidad de
agua que cae por metro cuadrado y a partir de esto se determina: a) el área de techo necesario
para suplir una demanda de agua dada y la capacidad del tanque de almacenamiento, o b) el
volumen de agua y el volumen requerido para un área de techo dado. [11]
Los pasos que componen este método son:
Determinación de la precipitación promedio mensual: A partir de la información
pluviométrica de alrededor de 15 años se obtiene el valor promedio mensual de precipitación,
expresado en mm/mes.
Determinación de la demanda: Se toma una dotación por persona de agua y se calcula la
cantidad de agua a suministrar.
𝐷𝑖 =𝑁𝑢 × 𝑁𝑑 × 𝐷𝑜𝑡
1000
Nu: número de personas
Nd: número de días del mes
Dot: dotación (L/persona x día)
Di: demanda mensual (m^3)
Determinación del volumen del tanque de abastecimiento: Obtenida la precipitación
promedio mensual, se procede a calcular la cantidad de agua captada en cada mes:
𝐴𝑖 =𝑃𝑝𝑖 × 𝐶𝑒 × 𝐴𝑐
1000
Ppi: precipitación promedio mensual (L/m2)
Ce: coeficiente de escorrentía
Ac: área de captación
Ai: oferta de agua en el mes i (m3)
Una vez realizado esto, se procede a calcular el acumulado de agua de cada mes para la oferta
y la demanda y luego se calcula la diferencia de los valores acumulados de oferta y demanda
mes a mes.
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Cuando se realizan los cálculos, las áreas de techo que produzcan resultados negativos en las
diferencias acumulativas indican que no son lo suficientemente grandes para suplir la demanda,
mientras que el área mínima del techo corresponde al resultado de una diferencia acumulativa
cercana a 0 para algún mes del año. El acumulado de oferta y demanda se puede determinar de
la siguiente manera:
𝐴𝑎𝑖 = 𝐴𝑎𝑖−1 +𝑃𝑝𝑖 × 𝐶𝑐 × 𝐴𝑐
1000
𝐷𝑎𝑖 = 𝐷𝑎𝑖−1 +𝑁𝑢 × 𝑁𝑑𝑖 × 𝐷𝑑𝑖
1000
Aai: oferta acumulada en el mes i
Dai: demanda acumulada en el mes i
𝑉𝑖 = 𝐴𝑖 − 𝐷𝑖
Vi: volumen de almacenamiento requerido en el mes i
Ai: volumen captado en el mes i
Di: volumen demandado en el mes i
Ventajas del método:
• Es un método fácil de usar.
• Se puede utilizar para calcular el área del techo necesaria para abastecer una demanda
de agua o también para dimensionar el tanque de almacenamiento.
Desventajas del método:
• El volumen calculado del tanque no es óptimo, ya que se abastece una demanda menor
de la que el tanque es capaz de suplir,
3.2.2 Métodos de Fewkes
El primer de los métodos desarrollados por Fewkes se basa principalmente en un balance de
masa [12]:
𝑉𝑡 = 𝑉𝑡−1 + 𝑄𝑡 − 𝐷𝑡
Sujeto a:
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0 ≤ 𝑉𝑡 ≤ 𝑆 Con:
Vt: agua almacenada al final del intervalo de tiempo t
Qt: entrada de agua en el intervalo de tiempo t
Dt: demanda de agua en el intervalo de tiempo t
S: capacidad de almacenamiento
Ahora:
𝑌𝑡 = min {𝐷𝑡
𝑉𝑡−1 𝑉𝑡 = min {
𝑉𝑡−1 + 𝑄𝑡 − 𝑌𝑡
𝑆 − 𝑌𝑡
𝑌𝑡 = min {𝐷𝑡
𝑉𝑡−1 + 𝑄𝑡 𝑉𝑡 = min {
𝑉𝑡−1 + 𝑄𝑡 − 𝑌𝑡
𝑆
Donde:
Yt: rendimiento del almacenamiento en el intervalo de tiempo
El segundo método que se estableció fue con una relación matemática para determinar un
tamaño de tanque adecuado, La siguiente relación expresa la eficiencia de aprovechamiento de
agua ET:
𝐸𝑇 =𝐴𝑅
𝐷
Donde:
A: área de captación (m2)
R: promedio de precipitación anual (m)
D: promedio de demanda anual (m3)
El tamaño del tanque puede ser calculado con:
𝑆 = 𝑋𝐷𝑑
S: volumen del tanque
X: número de días de almacenamiento
Dd: promedio diario de demanda (L)
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En el tercer método el tamaño del tanque es determinado por un porcentaje de uso del promedio
de precipitación, o por la demanda (el valor menor), la ecuación para esta aproximación es la
siguiente:
𝑆 = 𝑃𝐴𝐶𝑓𝐹𝑅
P: porcentaje definido por el usuario (recomendación de un 5%)
Cf: coeficiente de escorrentía
F: Eficiencia del sistema d filtro
Ventajas del método:
• Se aprovecha la totalidad del agua que cae en el área de captación, debido a que el
agua almacenada en un periodo de tiempo es igual o menor al almacenamiento del
tanque.
Desventajas del método:
• Es un método difícil de entender.
• No se tienen criterios saber cuál sub-método usar.
3.2.3 Método de balance de agua diario
Este método se desarrolló con base a un algoritmo que hace uso de los datos de lluvia diaria,
el área de recolección de lluvia, el coeficiente de escorrentía, el volumen de almacenamiento
disponible y la demanda de agua. [13]
Se empleó un modelo de balance de agua para estimar el tamaño del tanque de almacenamiento,
la ecuación de balance de agua usada se muestra a continuación:
𝑆𝑡 = 𝑆𝑡−1 + 𝑅1 − 𝐷𝑡 0 ≤ 𝑆𝑡−1 ≤ 𝑉𝑡𝑎𝑛𝑘
Donde:
St: volumen de agua almacenado al final del día “t” (m3)
St-1: volumen de agua almacenado al inicio del día “t” (m3)
Rt: volumen de agua que cae sobre el área de recolección durante el día “t” (m3)
Dt: demanda de agua en el día “t” (m3)
Vtank: Capacidad de almacenamiento de agua (m3)
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Los cálculos que hay que realizar para obtener cada término en la ecuación son los siguientes:
• Determinación del volumen de agua que cae en el techo:
El volumen diario(m3) de agua “cosechada” (Rt) para un área de techo se calcula como:
𝑅𝑡 = 𝐶 ∙ 𝐴 ∙ 𝑃𝑒𝑓𝑓,𝑡
C: Coeficiente de escorrentía
A: Área de recolección (m2)
Peff,t: Precipitación efectiva diaria al final del día “t”
• Determinación del agua demandada:
𝐷𝑡 = 𝑁𝑐𝑎𝑝 ∙ 𝑞 ∙𝑝
100
Dt: demanda de agua diaria
Ncap: número de residentes
q: total de agua diaria demandada diaria por persona
p: Porcentaje de agua demandada que debe abastecer el sistema
• Determinación del área mínimo de recolección:
Con base en los datos de precipitación diaria, la precipitación media anual 𝑃𝑒𝑓𝑓̅̅ ̅̅ ̅̅ puede ser
calculada como:
𝑃𝑒𝑓𝑓̅̅ ̅̅ ̅̅ = 365
∑ 𝑃𝑒𝑓𝑓,𝑡𝑁𝑖=1
𝑁
N: número de datos obtenidos
Consecuentemente, el volumen medio anual de agua recolectada �̅� (m3) Puede ser calculado
con la siguiente ecuación:
�̅� = 𝐶 ∙ 𝐴 ∙ 𝑃𝑒𝑓𝑓̅̅ ̅̅ ̅̅
Donde C es el coeficiente de escorrentía, A es el área de captación (m2) y 𝑃𝑒𝑓𝑓̅̅ ̅̅ ̅̅ es la
precipitación media anual (m). Por otro lado, Basado en la demanda de agua diaria, es posible
calcular la demanda promedio anual �̅� (m3) de la siguiente forma:
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�̅� = 365 ∙ 𝑁𝑐𝑎𝑝 ∙ 𝑞 ∙𝑝
100
Finalmente, asumiendo que el volumen anual promedio recolectado es igual al promedio de
demanda de agua anual, entonces el área mínima de recolección Amin (m2) se calcula como:
𝐴𝑚𝑖𝑛 = 365 ∙𝑞
𝐶 ∙ 𝑃𝑒𝑓𝑓̅̅ ̅̅ ̅̅
∙𝑝
100∙ 𝑁𝑐𝑎𝑝
Ventajas del método:
• Se posibilita calcular el tamaño del tanque de almacenamiento con base a necesidades
de agua diarias. Es una ventaja porque se tiene más conocimiento de los balances de
agua en intervalos de tiempo menores que en otros métodos.
Desventajas del método:
• La precipitación diaria puede llegar a ser muy variable, mientras que la precipitación
en periodos de tiempo de meses cambia menos; por ende, puede que el volumen del
tanque calculado no sea óptimo si existe mucha variabilidad entre los datos.
3.2.4 Método de demanda del periodo seco
El método de demanda del periodo seco se fundamenta que se debe satisfacer la necesidad de
agua en el periodo seco anual más largo, así si se diseña para este periodo crítico, se asegurará
abastecimiento a lo largo del año [13]. Esta es una alternativa de cálculo para determinar el
tamaño del tanque de recolección.
En este método, el tamaño del tanque Vtank.dd se calcula como se muestra
𝑉𝑡𝑎𝑛𝑘.𝑑𝑑 = 𝑁𝑑𝑑 ∙ 𝑁𝑐𝑎𝑝 ∙ 𝑞 ∙𝑝
100
Donde Ndd es el número de días secos, Ncap es la cantidad de usuarios del sistema, q es el uso
diario de agua por persona (m3) y p es el porcentaje del total de demanda que se debe satisfacer.
El periodo seco es definido como el periodo en el que se tiene una precipitación efectiva igual
o menor a 1mm.
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Ventajas del método:
• Es un método simple de implementar.
• Se puede elegir la cantidad de días de abastecimiento en ausencia de lluvia asumiendo
el periodo de tiempo seco Ndd.
Desventajas del método:
• El método depende mucho de los periodos secos, es necesario determinar cuál es el
periodo adecuado a utilizar.
• No se tiene conocimiento de la precipitación recurrente en el lugar.
3.2.5 Almacenamiento o confiabilidad del sistema (SARET)
Este método provee una alternativa de cálculo a los métodos anteriores. Por sus siglas en ingles
SARET utiliza un generador de precipitación no paramétrico y estima la confiabilidad en que
los sistemas pueden cumplir varios usos de agua, también se utiliza para calcular el volumen
de almacenamiento que debe tener el tanque. Es un modelo construido en Visual Basic y está
disponible su descarga gratuita.
El diagrama de flujo del funcionamiento del programa es mostrado a continuación:
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Figura 6. Diagrama de flujo del método SARET.
Ventajas del método:
• Se puede calcular tanto el volumen del tanque como la confiabilidad del sistema para
cumplir la demanda de agua.
Desventajas del método:
• No se proporciona mucha información a cerca del calculo de la probalilidad de los
días secos y húmedos.
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3.3 Importancia de la separación del primer lavado
Los dispositivos que desvían el primer flujo de escorrentía son de vital importancia en los
sistemas de recolección de agua lluvia, estos, separan y capturan el agua cargada de sedimentos
provenientes del techo y tubería, contaminantes que son arrastrados por los primeros minutos
de lluvia.
Los contaminantes que mayormente se encuentran en el primer flujo de escorrentía son: larvas
de mosquito (producto de una interrupción en el flujo de agua en las canaletas, lo que causa
represamiento), metales pesados (por la oxidación de los techos metálicos con el tiempo),
polvo, hojas, excreción de animales y bacterias. [8]
Aunque muchos expertos están de acuerdo en que se generan beneficios al separar el primer
flujo de escorrentía, no hay consenso de cual es al volumen de separación óptimo, ya que este
puede depender de varios factores. La siguiente tabla proporción información acerca de cuál es
el volumen óptimo de separación para diferentes condiciones:
Tabla 1. Volumen de separación óptimo. [14]
Referencia Especificaciones Separación recomendada
(Yaziz, et al. 1989) Seguridad contra contaminación microbiana
0,33 mm
(Ntale, et al. 2003) - Valor empírico - Se debe disminuir en temporada de lluvia
0,83 mm o primeros 10 minutos de lluvia
(Martinson y Thomas, 2005) Basado en medidas de muestra Por cada mm lavado, la carga contaminante será reducida a la mitad
(Cunliffe, 1998) Para un techo promedio 20 a 25 litros
(Rain Harvesting) - Contaminación mínima - Contaminación media - Contaminación alta
- 0.2 mm - 0.5 mm - 2 mm
(Pacey and Cullis, 1986) Primeros 10 minutos del evento de lluvia
(Texas Water Development Board, 2005)
Dependiendo de días secos, escombros, árboles y la estación del año
0.41mm a 0.82 mm
(Michaelides, 1987) Basado en trabajo experimental en Tailandia
0.28 mm
Los factores que afectan la cantidad del flujo a separar son los siguientes:
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• Material del techo: Por su composición química, rugosidad y mantenimiento.
• Características del techo: Tamaño, exposición al sol, viento y contaminación.
• Características de los eventos de lluvia: Intensidad, viento y concentración de
contaminantes en el aire.
• Características meteorológicas: estación, periodos de sequía, y contaminación
atmosférica.
• Ubicación del techo: Proximidad a árboles y abundancia de animales. [14]
Es por esta cantidad de factores que no se puede responder a la pregunta de cuánta es la cantidad
que se debe separar con una sola respuesta, por lo que hay que considerar aquellos factores más
predominantes en cada caso.
La forma en que se puede hacer la separación del primer flujo es variada, en la siguiente sección
se presentan los tipos de mecanismos de separación de primer flujo de escorrentía
3.4 Mecanismos de separación
A medida que estos dispositivos cobran importancia en los sistemas de recolección de aguas
lluvia, ha habido más diversidad de mecanismos de separación con el tiempo. Estos
dispositivos pueden ser instalados fácilmente y se pueden ser diseñados haciendo uso de
materiales económicos como el PVC. [14]
A continuación, se presentan los diferentes tipos de mecanismos de separación de primer flujo
de escorrentía:
3.4.1 Desviadores manuales
Este es el tipo de mecanismo más sencillo, una persona debe accionar manualmente el
dispositivo, el funcionamiento está basado en que se deja una conexión abierta al tanque de
almacenamiento, por lo que el usurario, en el momento de un evento de lluvia, luego de unos
minutos, cuando se haya hecho el lavado del techo, debe hacer la conexión manual del sistema
de conducción al tanque de almacenamiento.
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Figura 7. Mecanismo de separación manual.
El problema de este tipo de desviadores es que la persona debe estar atenta en cada caso de
lluvia para conectar el sistema al tanque de almacenamiento; por lo tanto, cuando no haya
nadie que lo conecte se perderá la posibilidad de almacenar agua.
El beneficio es la simplicidad de funcionamiento, pues no requiere partes adicionales y es el
más barato.
3.4.2 Desviadores de volumen constante
A diferencia del primer tipo de mecanismo, estos mecanismos funcionan de forma semi
automática, pues una vez ha pasado el evento de lluvia, se requiere la intervención de una
persona para vaciar el volumen separado.
El dispositivo es instalado antes de la entrada el tanque de almacenamiento, de forma que
primero se separa la cantidad necesaria para luego almacenar el agua aprovechable. La Figura
8 muestra la forma en que este concepto funciona, cuando se llena la cantidad necesaria a
separar, la bola flotante tapa la entrada al conducto de separación, por lo que el agua que
continúa entrando no se separa y se dirige hacia el lugar del almacenamiento.
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Figura 8. Separación de volumen constante, mecanismo con bola. [14]
Para que el proceso funcione nuevamente en otra lluvia, se debe vaciar el volumen separado
mediante una tapa removible al final del conducto.
Otro tipo de dispositivo de separación a volumen constante son los que funcionan con peso, se
calcula la cantidad de agua que se debe separar, y volumen de separación, con su peso, modifica
la ruta que debe seguir el agua en el sistema de recolección, llevando el agua que cae
posteriormente al tanque de almacenamiento.
Figura 9. Separación de volumen constante, mecanismo accionado con peso. [14]
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También existen mecanismos automáticos, que separan un poco más de agua de la necesaria,
pero se regulan automáticamente, pues no requiere un operario para vaciar el volumen
separado.
Figura 10 Separación de volumen constante, mecanismo automático
La Figura 11 muestra otro mecanismo de separación constante, su funcionamiento se basa en
que la boya ubicada dentro del tanque de retención subirá con el nivel de agua retenido, cuando
llegue a cierto volumen de agua, se tapará el conducto de entrada y se desviará el agua para
hacer su recolección en el tanque de almacenamiento.
Figura 11. Mecanismo de separación de volumen constante, retenedor de primer flujo. [15]
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3.4.3 Desviadores dependientes de la intensidad de lluvia
Finalmente, hay mecanismos que funcionan a partir de la intensidad de lluvia, esto, bajo el
concepto de que, a baja intensidad, no habrá el suficiente flujo de agua para hacer la limpieza
del sistema.
El dispositivo es ubicado en una válvula antes de la entrada al almacenamiento, en la válvula,
se coloca una bola de plástico hueca, una goma elástica y una placa deflectora perforada,
Cuando comienza a llover, el agua baja desde el techo y golpea la placa deflectora que atenúa
el flujo, el agua cae a través de las perforaciones en la placa y algo de agua entra en la bola y
tapa la entrada de lugar de separación. Hay un retraso entre cuando se alcanza la intensidad
mínima y cuando la válvula se cierra para permitir que la lluvia de alta intensidad limpie
adecuadamente la superficie. Cuando está lloviendo, el agua se escapa lentamente de la pelota,
abriendo eventualmente la válvula y reiniciando el dispositivo.
Figura 12. Mecanismo dependiente de la intensidad de lluvia. [14]
Otro mecanismo dependiente de la intensidad es mostrado en la Figura 13. Cuando empieza la
intensidad de lluvia es baja, el agua se desviará por la parte inferior (fig 13,a) una vez la
intensidad alcanza cierta intensidad, el momento generado en la pared hará que rote sobre el
eje obstruyendo la salida inferior y guiando el agua hacia el lugar de almacenamiento (fig 13,b
y 12,c). Al final del evento de lluvia, como la intensidad es baja, el contrapeso hará que la pared
vuelva a su lugar y el sistema quedará listo para la siguiente lluvia.
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Figura 13. Mecanismo de separación dependiente de la intensidad, sistema con contrapeso. [16]
3.4.4 Mecanismo a implementar
El mecanismo que se usará en el diseño final es de volumen de separación variable, lo que
permite separar el flujo para diferentes condiciones, lo cual es conveniente ya que como bien
se mostró en la sección 3.2, el volumen a separar depende de muchos factores que pueden ser
variables con el tiempo. Se usará un mecanismo de volumen variable cuyo funcionamiento será
explicado en la sección 4.1.3.
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4. METODOLOGÍA DE DISEÑO
En este capítulo, se explica la metodología adoptada para hacer el dimensionamiento de un
sistema de recolección de aguas lluvias, en este será incorporado un mecanismo de separación
de volumen variable, lo que lo hace novedoso y útil para cualquier tipo de condición.
El planteamiento es similar al método del cálculo del volumen del tanque de almacenamiento.
Primero se definirá la necesidad de implementar el sistema, luego se deberá obtener
información de la precipitación recurrente en el lugar, después se estimará el volumen óptimo
a separar y finalmente, con la información de precipitación, se calculará el volumen requerido
del tanque de almacenamiento.
4.1.1 Necesidad
Para implementar un sistema de recolección de agua lluvia primero se tiene que plantear una
necesidad, pues, aunque su instalación puede no ser muy costosa si se hace con materiales
reciclables adecuados, su uso no siempre es necesario en todos los casos.
Se debe evaluar si en el lugar que se desea construir un sistema, se dará un uso aprovechable
al agua que se va a almacenar, bien sea para riego de plantas o vegetación, para el lavado de
superficies, lavado de carros, o descarga de sanitarios y orinales.
Si no se tiene claro para qué fin se va a usa el agua, no tiene sentido construir un sistema de
recolección que se use poco o directamente no se use.
Es necesario también verificar si es provechosa la recolección de agua, pues si se piensa
implementar en lugares donde no cae mucha lluvia, esta alternativa de obtención de agua no
será costo-beneficiosa; es por esto que, la obtención de información de lluvia juega un papel
importante.
4.1.2 Obtención de información de lluvia
Como se mencionó, el tener la información de lluvia del lugar es importante para plantearse
si se puede o no realizar la implementación de un sistema de recolección de agua lluvia.
Este es uno de los parámetros más importantes de entrada en el modelo, pues con esto se estima
la cantidad de agua que se puede almacenar (oferta de agua) en el sistema.
29
En el caso de Colombia, la información de precipitación histórica se puede obtener a través del
IDEAM, se solicita la información de alguna estación cercana al proyecto, y así se obtiene la
serie histórica de precipitación.
Por ejemplo, si se desea construir un sistema en una casa localizada en el sector de Fenicia en
Bogotá, se puede pedir la información de precipitación de la estación VENADO ORO
VIVERO (21205580), que está ubicada cerca del sector.
Figura 14. Selección de la estación (rojo), sector de fenicia (azul). [17]
La información que se obtiene es la siguiente:
30
Tabla 2. Precipitación historia de la estación. [17]
Ahora se debe calcular el promedio mensual multianual para los años de la serie histórica:
Tabla 3. Precipitación mensual promedio. [17]
Estos serán los datos de entrada para el cálculo del volumen del tanque de almacenamiento.
Año Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
1965 25 5 170 169 48
1966 2 84 87 73 93 75 43 62 33 83 237 244
1967 19 31 106 126 114 123 70 60 70 77 208 67
1968 10 56 34 239 36 112 81 33 79 164 177 48
1969 62 57 5 33 64 64 61 65 76 211 87 127
1970 106 114 45 33 108 84 80 38 75 267 150 9
1971 42 102 179 187 183 68 49 71 86 94 96 155
1972 113 96 89 104 134 20
1973 28 6 44 108 64 60 64 100 136 141 125 130
1974 50 141 90 110 99 31 47 29 57 126 196 36
1975 9 90 76 107 155 54 121 79 75 137 133 182
1976 23 69 71 50 89 61
1977 10 42 75 158 55 59 73 46 124 234
1978 0 56 66 179 116 81 46 75 82 107 95 57
1979 52 43 152 156 153 100 75 111 59 237 256 57
1980 56 116 11 147 42 135 55 91 86 97 110 105
1981 12 44 42 110 288 66 38 71 48 82 182 109
1982 65 186 263 93 60 53 38 90 105 111
1983 32 58 138 264 129 41 64 34 41 167 81 58
1984 114 37 152 85 116 57 104 90 62 75 27
1985 9 35 74 145 33 46 81 155 136 16
1987 134 139
1988 0 59 80 52 70 92 96 245 241 227
1989 0 34 277 84 99 64 76 17 80 65 122 185
1990 58 72 150 166 47 54 31 181 25
1991 87 52 163 73 91 39 77 123 51 32
1992 74 110 43 65 109 68 41 218 79
1993 83 121 91 170 45
1994 184 70 53 63 152 66 107 90 41 101 116 28
1995 20 94 116 134 124 89 40 64 38 75 108 148
1996 50 154 77 138 45 117 57 34 142 122 93
1997 396 16 55 61 58 77 120 58 44 82 94 6
1998 25 68 142 137 236 68 89 69 52 106 123 132
1999 137 132 183 91 58 100 33 58 70 165 159 105
2000 102 166 132 127 109 61 18
2001 16 94 162 37 74 77 62 56 83 59 119 89
2002 62 33 108 193 177 153 53 76 83 96 64 130
2003 17 65 125 124 38 67 65 52 92 228 184 57
2004 32 179 56 162 160 140 38 81 44 193 55
2005 50 51 34 93 275 39 36 37
2007 180
2008 35 108 141 90 207 89 85 98 59 95 246 178
2009 134 126 151 129 38 59 59 45 31 159 109 44
2010 29 25 48 286 193 108 145 49 64 150 202
2011 78 207 237 223 165 81 79 40 30 213 256 175
2012 136 49 168 226 38 54 81 83 37 164 108 81
2013 5 218 77 231 112 21 55 65 234 91
2014 79 49 173 69 110 93 63 28 44 166 215 152
2015 24 50 118 52 34 54 44 40 43 92 2
2016 6 59 134 161 83 43 51 82 68 74 209 112
2017 129 116 235 63 147
31
4.1.3 Volumen de separación (mecanismo de separación de aguas lluvia de volumen
variable)
Como se mencionó, es difícil cuantificar la cantidad óptima que se debe separar en cada caso;
sin embargo, se usarán las recomendaciones propuestas en la tabla 1 para distintos escenarios;
por ejemplo, si se considera que la contaminación en el sistema es mínima, se deberá separar
0.2 mm de agua por cada metro cuadrado de techo.
El sistema que se implementara en este diseño es de volumen variable, para esto, se debe
adaptar el volumen que es capaz de separar el mecanismo. Se diseño un sistema similar al de
los mecanismos de volumen fijo añadiendo algunas modificaciones. A continuación, se
muestra el esquema del diseño de este sistema:
Figura 15. Sistema de recolección de agua lluvia con separación de primer flujo variable.
32
Como se ve, no hay una conexión fija entre la tubería bajante, la tubería del sistema de
separación y el tanque de almacenamiento, ya que esto permite variar el volumen que se puede
separar. Además, se añaden “embudos” en el ingreso del tanque y en la tubería móvil para
asegurar la entrada total del agua.
La tubería móvil se sostiene prensándola, esto se puede realizar mediante abrazaderas o con
placas ajustables como se muestra en la siguiente imagen:
Figura 16. Sujeción de la tubería.
El mecanismo funciona bajo el mismo principio de los separadores de volumen fijo, el agua va
llenando el volumen de separación hasta el punto en que hacen subir la bola al tope, tapando la
entrada y desviando el agua entrante al tanque de almacenamiento, en este caso se tiene que
encapsular la bola para que siempre permanezca cerca a la tubería, para llevar a cabo esto, se
33
utiliza un buje al final de la tubería y se ubica la bola dentro, se debe sellar el extremo para
evitar que la esfera se salga, así cuando el nivel del agua sea suficiente, la bola sellará la entrada.
El diámetro de la esfera debe ser menor al del buje, pero mayor al de la tubería, con esto se
asegura que se deja pasar el agua a separar y cuando se llene el tanque de separación, se
obstruirá la tubería. La siguiente imagen muestra lo descrito:
Figura 17. Mecanismo de sellamiento en la entrada del tanque de separación.
En la siguiente imagen se observa que el volumen a separar depende de a qué altura se ubique la
tubería:
Figura 18. Volumen de separación variable.
34
También se da la posibilidad de tener un volumen de separación mediante tanques modulares,
cuando se necesite separar un gran volumen de agua, simplemente se pueden añadir más
módulos al sistema. El diseño está pensado para usar baldes, así se recicla el material y son
adecuados para depositar el agua de separación.
Cuando el evento de lluvia termine, se deben vaciar los tanques de separación para que el
sistema esté listo para el funcionamiento en la siguiente lluvia.
4.1.4 Dimensionamiento del tanque de recolección
Para hacer el cálculo del volumen del tanque de almacenamiento de deben tener como
parámetros de entrada, la precipitación promedio mensual y el área de recolección.
Se puede hacer el cálculo de dos maneras: a) estimar el volumen del tanque teniendo una
demanda de agua diaria, o b) optimizar el volumen del tanque iterando la demanda diaria para
obtener la demanda máxima posible dada la precipitación.
4.1.5.1 Estimación del tanque para demanda de agua dada
Se debe comenzar añadiendo a la hoja de cálculo los datos de precipitación, demanda de agua
y el área del techo, se debe empezar con el mes de mayor precipitación para estimar el volumen
óptimamente, se asumió una demanda diaria de 15 L como ejemplo de cálculo.
Tabla 4. Datos de entrada para estimar el volumen del tanque.
Luego se calcula la oferta y demanda mensual de agua de la siguiente manera:
𝑂𝑓𝑒𝑟𝑡𝑎𝑖 =𝑃𝑖 × 𝐶𝐸 × 𝐴
1000
Ofertai: Oferta de agua en el mes “i” (m3)
Pi: Precipitación mensual en el mes “i” (mm)
Ce: Coeficiente de escorrentía (se tomó un valor de 0.95)
A: Área de captación (m2)
35
𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑖 = 𝐷𝑑 × 𝑑𝑖𝑎𝑠𝑚𝑒𝑠𝑖
Demandai: demanda de agua en el mes “i” (m3)
Dd: Demanda de agua diaria (m3)
díasmes_i: Días del mes “i”
𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑖 = 𝑂𝑓𝑒𝑟𝑡𝑎𝑖 − 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑖
Diferenciai: diferencia de volumen en el mes “i”
Al hacer estos cálculos, se obtiene lo siguiente:
Tabla 5. Oferta y demanda de agua en cada mes.
Como se muestra, cuando la demanda por de agua es pequeña, cada mes sobra agua, en este
caso, el volumen óptimo del tanque es igual al mayor valor de demanda que se tenga en los
meses, en este caso el volumen del tanque, para una demanda de 15L diarios, debe ser de 0.47
m3, porque en caso de que la demanda supere la oferta en algún mes, el volumen del tanque
debe ser igualmente el mayor volumen de demanda de los meses.
Se realizará de nuevo el procedimiento, pero esta vez se tomará una demanda de 95L por día
para mostrar cuál es el volumen del tanque a elegir si en algún mes hay más demanda que oferta
de agua.
Tabla 6. Resultados para una demanda de 95L diarios.
36
En este caso, como la demanda es de 95L diarios, el mes de enero se tiene una diferencia
negativa, así que el volumen del tanque de almacenamiento debe ser de 2.95 m3 para satisfacer
el agua requerida en este mes.
4.1.5.2 Estimación del tanque iterando la demanda diaria
En este método, se calculará el volumen del tanque y la demanda máxima posible que se puede
dar para los datos de precipitación, con esto se logrará optimizar la demanda de agua y se
calculará el volumen del tanque para suplir esta demanda; así se logra aprovechar al máximo
el agua que cae en el techo.
Al igual que en el método anterior, se tienen como parámetros de entrada la precipitación y el
área del techo; se comenzará el cálculo asumiendo un valor de demanda de 50 L diarios.
Tabla 7. Primera iteración.
De la misma manera, se calcula la oferta y demanda mensuales, así como su diferencia. Se
añade la diferencia acumulada para calcular que tanta agua queda del mes anterior:
𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑎𝑐𝑢𝑚𝑖= 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑖 + 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑎𝑐𝑢𝑚1−1
Se obtiene lo siguiente:
Tabla 8. Diferencia acumulada de agua.
Ahora se itera la demanda diaria de tal forma, que en el mes que se obtiene la menor diferencia
acumulada, quede en 0:
Tabla 9. Obtención de la demanda y volumen de agua óptimos.
37
Así se obtiene le demanda diaria (143.45 L/día) y el volumen del tanque de almacenamiento
será el mes con mayor volumen de diferencia acumulada (4.71 m3). Con esto se optimiza la
demanda y el volumen necesario de almacenamiento.
38
5 EJEMPLO DE COMPARACIÓN
En este capítulo se compararán los resultados que se obtienen por el método diseñado con los
que se obtienen por medio del primer método descrito en este documento (Método de la
Organización Panamericana de la Salud). Para esto, se tomará el ejemplo 2 propuesto de la
referencia [11], allí se suministran los datos de precipitación y el área de captación de lluvia,
el fin de este es obtener volumen del tanque de almacenamiento adecuado para las condiciones
de precipitación a área de techo del ejercicio.
Datos:
Material del techo: tejas de arcilla
Área de techo existente: 50 m2
Coeficiente de escorrentía: 0.8
Tabla 10. Datos de precipitación del ejercicio.
Resultados dados por la referencia
Al utilizar el método de la Organización Panamericana de la Salud, se obtienen los siguientes
resultados:
Demanda diaria:
39
Figura 19. Dotación de agua por habitante.
Como se hizo la estimación para 5 personas, la demanda diaria es de 56.7 L.
Tabla 11. Resultados del método utilizado por la guía.
A partir de esto, se establece que el volumen del tanque de almacenamiento debe ser de 12.44m3
con una reserva de 1 m3.
Resultados utilizando el método propio desarrollado:
Volumen de separación:
Según la tabla 1, si se asume que el nivel de contaminación es bajo, el volumen a separar debe
ser:
𝑉𝑠𝑒𝑝 = 0.2𝑚𝑚 × 50𝑚2 = 0.01𝑚3 = 10𝐿
Por consiguiente, un balde de 20L es suficiente para usarlo como tanque de separación. Ahora,
se añaden los datos al modelo y se asume una demanda inicial diaria de 50L para empezar a
iterar.
40
Tabla 12. Resultado inicial del ejercicio.
Ahora se itera la demanda para optimizar los resultados:
Tabla 13. Resultados del ejercicio optimizados usando el método propuesto.
Como se muestra la demanda máxima que se puede obtener a partir de los datos de precipitación
es de 59.46 L/día, con un volumen del tanque de almacenamiento de 12.15m3.
Con estos resultados se muestra que el método desarrollado es más eficiente que el usado por
la Organización Panamericana de la Salud, dado que se provee una mayor demanda de agua
(59,46 L/día vs 56.7 L/día) utilizando un volumen de tanque menor (12.15 m3 vs 12.44 m3).
41
6 CONCLUSIONES
• El método desarrollado optimiza los resultados que se obtienen al estimar el volumen
del tanque de almacenamiento, como se mostró en el ejemplo, se obtuvo un menor
tamaño del tanque a utilizar proveyendo una mayor cantidad de agua diaria que con el
primer método descrito en la sección 3.4
• Se logró desarrollar un método para el diseño de un sistema de recolección de aguas
lluvias.
• Se diseñó un mecanismo de separación de agua con volumen variable, esto permite que
el diseño sea adaptable a diferentes condiciones de almacenamiento.
• La separación del primer flujo es importante para aumentar la calidad del agua
almacenada.
• Es posible utilizar este método de diseño para la construcción de sistemas de
recolección de aguas lluvia en zonas rurales.
42
7 RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS
• Se recomienda hacer más indagación en el volumen óptimo de separación de primer
flujo.
• Como trabajo futuro, se puede hacer la construcción del sistema de separación de
volumen variable para verificar su funcionamiento en la práctica, así se tendrá un
sistema novedoso y único de separación de primer flujo.
• Se recomienda investigar sobre más métodos de diseño para verificar la efectividad del
método propuesto respecto a otros.
• Se puede aplicar el método en un caso real para comprobar el desempeño tanto del
método como del sistema de recolección.
43
8 BIBLIOGRAFÍA
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hogar y más del doble mo disponen de saneamiento seguro, Ginebra, 2017.
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captación y aprovechamientode aguas lluvia en zonas urbanas y aeropuertos, 2016.
[5] BlueMountainCo, Why use First Flush Diverters?, 2017.
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para el ahorro de agua potable, 2010.
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2004.
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Science and Technology, 2010.
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Harvesting Tanks for Domestic Use in Greece, CrossMark, 2015.
[14] K. c. Doyle, Sizing the First Flush and its Effect on the Storage-ReliabilityYield Behavior of
Rainwater Harvesting in Rwanda, Massachusetts Institute of Technology, 2006.
[15] H. K. Ntale, IMPROVING THE QUALITY OF HARVESTED RAINWATER BY USING FIRST FLUSH
INTERCEPTORS/RETAINERS., 2003.
[16] M. Mrowiec, The iprovedflow diverter for first flush management, Czestochowa, 2007.
[17] IDEAM, Solicitud de información, 2017.