ANLISIS DE LOS DIFERENTES TIPOS DE CAPTACIONES DE AGUA PARA
DIFERENTES USOSBerrezueta A., Orellana C., Muoz P., Seminario S.,
Tapia J.1. IntroduccinUna obra de captacin se puede definir como
una estructura destinada a captar o extraer una determinada
cantidad de agua corriente.En general, las obras de captacin
dependen de las caractersticas de las corrientes de agua que la
abastecen, desde este punto de vista encontramos corrientes de
montaa y corrientes de valles aluviales, adems podemos distinguir
dos tipos de corrientes superficiales sin regulacin y corrientes
superficiales con regulacin de caudal.En el caso de corrientes de
agua sin regulacin de caudal, el diseo de la obra se basa
fundamentalmente en que el caudal de la corriente supera el caudal
mximo diario (QMD) en cualquier periodo, esta consideracin es vlida
principalmente en obras de captacin destinadas al abasto de
acueductos rurales. En estas, se debe asegurar que la altura del
agua en la obra de captacin que corresponde al caudal requerido
debe ser inferior a las alturas asociadas a los caudales mnimos
presentados en la corriente natural.La regulacin de una corriente
de poco caudal implica el diseo de la obra de captacin que
intercepte el caudal y que asegure el caudal requerido.La regulacin
de una corriente compensa las variaciones de caudal en las pocas de
creciente y las pocas de estiaje, por esto en el caso de corrientes
de agua con regulacin de caudal, el diseo de la obra de captacin
implica la construccin de un dique o presa de embalse; para
seleccionar la captacin adecuada es indispensable tener en cuenta
los problemas de los sedimentos que provocan y la magnitud de los
caudales a captar.En el presente documento se detallan los
principales tipos de captaciones, se exponen los criterios y
metodologas de diseo ms relevantes a fin de constituir un medio de
introduccin en esta rama del abastecimiento de agua. A partir de la
informacin expuesta se infieren los posibles usos de los diferentes
tipos de captaciones segn las condiciones de la zona a servir.2.
Descripcin Bibliogrfica 2.1. Captaciones sin regulacin [3].
Captaciones de fondoTienen la ventaja de captar un agua de mejor
calidad, ya que se desechan las aguas de la superficie. En estas se
coloca el punto de torna (que deber ir dotado con una alcachofa que
impida el paso de impurezas de gran tamao) apoyado sobre el lecho
del ro. Esta solucin se ve afectada por los siguientes factores:-La
estabilidad del lecho del ro ya que deben prevenirse las
sedimentaciones o el arrastre de la tubera de toma. Esta solucin
ser ms recomendable cuanto ms estable sea el lecho fluvial.-El
nivel mnimo en verano ya que es conveniente que el punto de toma
quede sumergido, al menos 1 m., por debajo del nivel de agua. Por
ende esta solucin ser ms recomendable cuanto mayor sea el nivel
mnimo de estiaje.-El nivel mximo de avenidas ya que es necesario
situar los elementos ms delicados de la captacin (caseta de
compuertas, estacin elevadora, etc.) fuera del alcance de las
riadas. A este respecto es tambin de gran importancia la topografa
de las riberas, escogindose con preferencia las orillas escarpadas
y dems lugares donde el agua sea profunda y fluya con rapidez.-La
navegacin existente, puesto que no debe poner el peligro la
captacin. Este tipo de solucin debe rechazarse si no es posible
realizarla sin que existan interferencias entre ella y la
navegacin.La toma de agua puede realizarse directamente sobre el
fondo del ro. La alcachofa, coladera o filtro de toma, se coloca
cubierta con una capa de 50 cm. de gravilla y la tuberia de salida
enterrada en el fondo. La aplicacin de este tipo de solucin
requiere un lecho estable y la no existencia de riesgo alguno de
obstruccin por arenas o limos.Toma fluvial de fondo con
rejilla.Este tipo de toma con un pequeo muro transversal a la
corriente suele utilizarse en el caso de ros de zonas montaosas,
cuando se cuente con una buena cimentacin o terrenos rocosos y en
el caso de pequeos cursos de agua, cuando existan variaciones
sustanciales del caudal entre los periodos de estiaje y los de
crecientes mximas. Consiste en una estructura estable de variadas
formas, la ms comn es la rectangular y en los casos en que la
conformacin de la seccin transversal del ro lo requiera, se
proyectar un muro de encauzamiento transversal que oriente las
lneas de corriente hacia la rejilla.La estructura, ya sea en canal
o con tubos perforados localizados en el fondo del cauce, debe
estar localizada perpendicularmente a la direccin de la corriente y
provista con una rejilla para retener materiales de acarreo de
cierto tamao, construida de barras metlicas paralelas entre s,
colocadas en el sentido de la corriente y removible para efectos de
limpieza. En todo diseo de rejillas deben contemplarse los
siguientes elementos: el caudal correspondiente al nivel de aguas
mnimas en el ro, el caudal requerido por la poblacin y el nivel
mximo alcanzado por las aguas durante las crecientes de periodo de
retorno de mnimo 20 aos.Para este tipo de tomas la rejilla debe
estar inclinada entre 10 y 20 % hacia la direccin aguas abajo, con
un ancho que depender del ancho total de la estructura y una
separacin de barrotes entre 75 y 150 mm en el caso de ros con
gravas gruesas o entre 20 y 40 mm para ros caracterizados por el
transporte de gravas finas. La velocidad del flujo a travs de ella
debe ser inferior a 0.15 m/s con el fin de evitar el arrastre de
material flotante.La toma tambin puede realizarse elevada sobre el
fondo, apoyada sobre una pequea estructura, esta solucin requiere
un lecho estable que permita cimentar el apoyo de la toma, (pero no
obstante la toma debe ser protegida) que los niveles mnimos de
estiaje sean suficientes y que el ro no sea navegable. Tiene la
gran ventaja de estar mucho ms protegida de la sedimentacin que la
solucin anterior. Adems, suele preverse una inversin en el sentido
de la circulacin del agua, lo que permite la fcil limpieza del
filtro de toma, mediante una bomba y una tubera de limpieza a travs
del tubo de entrada, es ms el dimetro mnimo debe ser de 8 pulgadas
para evitar obstrucciones y se aconseja que el nmero de tuberas sea
dos para evitar posibles interrupciones del servicio.Captaciones de
orillaEste tipo de captaciones suele utilizarse en rios navegables
o de fondo inestable, en estas la toma se coloca sobre una de las
mrgenes del ro, para ello se realiza una proteccin con escollera,
gaviones o muros, sobre la que se abre la boca de entrada al pozo
de toma, donde se encuentra la alcachofa y la tubera de salida. La
boca de entrada debe quedar protegida por una rejilla con
inclinacin de 70 a 80 con la horizontal y espaciamiento entre 20 y
25 mm cuya finalidad sea impedir el paso de elementos gruesos o
flotantes y una segunda rejilla o malla de 3 mm aproximadamente
para impedir el paso de elementos de arrastre y peces.Esta solucin
no se ve tan influenciada como la anterior por los niveles mnimos
del ro y se interfiere mucho menos con la navegacin (salvo en la
formacin de remolinos). Tampoco se ve influenciada por la
estabilidad del fondo, salvo socavaciones importantes. Sin embargo,
sigue mantenindose el problema de los niveles mximos de avenida y
salvaguarda de las obras e instalaciones de la toma. Las
captaciones de orilla pueden ser directas o en galeria, esta ltima
se utiliza frecuentemente cuando se pretende que los remolinos de
toma no interfieran la navegacin.2.2. Con Regulacin La compensacin
de las variaciones de caudal de un ro implica el diseo y
construccin de un dique o represa, pero su utilizacin amerita una
obra de captacin adecuada para los diferentes niveles.Torre
tomaUtilizada cuando los gastos son elevados, esta obra consta de
varias compuertas a diferentes niveles para permitir la captacin
del gasto deseado. Consiste en una estructura de entrada
(orificios), unos mecanismos de control (vlvulas), rejillas para la
retencin de materiales y el conducto para el flujo a travs de la
presa.2.3. SubterrneasCaptacin de manantiales:Un manantial es una
fuente natural de agua que brota de la tierra o entre las rocas.
Puede ser permanente o temporal. Se origina en la filtracin de agua
de lluvia que penetra en un rea y emerge en otra, de menor altitud,
donde el agua no est confinada en un conducto impermeableLos
componentes principales de una captacin de vertientes son (ver
Figura 3.28):Cmara de proteccin, a fin de no perturbar el flujo de
agua que emerge de la vertiente. La cmara de proteccin, debe tener
dimensiones y formas, tales que, se adapten a la localizacin de las
vertientes y permitan captar el agua necesaria para el
proyecto.Tuberas y accesorios, el material de las tuberas y
accesorios deben ser inertes al contacto con el agua natural. Los
dimetros se calcularn en funcin al caudal mximo de la vertiente y
para los requerimientos del proyecto.
Figura 1.: Captacin y detalles de una vertiente
Galeras Filtrantes
La galera filtrante es una estructura construida en el suelo con
la finalidad de captar aguas subterrneas. A diferencia de los
pozos, que se construyen con la misma finalidad, la galera
filtrante es aproximadamente horizontal. La galera filtrante
termina en una cmara de captacin donde generalmente se instalan las
bombas hidrulicas para extraer el agua acumulada).Las estructuras
filtrantes pueden ser:
Galera o bveda, consiste en una estructura robusta enterrada en
el lecho del cuerpo de agua para captar un volumen importante de
agua y cuando las condiciones de pendiente del terreno lo permiten.
Se emplea particularmente en quebradas o arroyos de bajo caudal
superficial (ver Figura 2).El diseo (largo, ancho y alto) como la
disposicin de la galera (transversal o paralela al curso de agua)
depender de las condiciones del cuerpo de agua y del material de
arrastre.La estructura debe ser calculada para soportar el empuje
del agua y ridos, como tambin, la carga esttica de los ridos y agua
por encima de ella (de la estructura).Tubo de infiltracin o
ranurado, rodeado de una capa de granzn o piedra picada gradada,
instalada en el acufero subsuperficial, o en el caso de captacin
indirecta de aguas superficiales, en el estrato permeable que se
comunica con dichas aguas.En los extremos aguas arriba de la galera
y a longitud aproximada de 50 m., normalmente se coloca un pozo de
visita. En el extremo aguas abajo se construye una tanquilla o pozo
recolector, de donde se conducen las aguas por gravedad o por
bombeo hacia el sistema de distribucin (ver Figura 3).
Figura 2: Galera filtrante abovedada
Figura 3: Tubo de infiltracin
El tubo de recoleccin es normalmente de concreto o de asbesto
cemento. Su dimetro es funcin del gasto de captacin, siendo el
mnimo recomendable del orden de 8 a 10.
3. Memoria Tcnica3.1. Criterios de Diseo3.1.1. Captaciones
superficiales sin Regulacin Desde el punto de vista hidrulico, el
problema se reduce a determinar una altura de aguas sobre el rea de
captacin, tal que el mnimo gasto aforado asegure la captacin del
gasto deseado .Estructuralmente se deber proveer seguridad a la
accin destructiva del ro: deslizamiento, volcamiento, erosin,
etc.Para el dispositivo que intercepta el flujo del ro se
recomienda:-El nivel de entrada de las aguas debe quedar a la mxima
altura posible para evitar ser alcanzada por los sedimentos.- El
rea debe protegerse contra el paso de material grueso.- La
velocidad de corriente en las cercanas de la estructura debe ser
tal que no provoque excesiva sedimentacin.-Debe ofrecer seguridad
de volcamiento y deslizamiento, mediante anclajes firmes y
seguros.En la prctica se disea un vertedero central para permitir
el gasto medio de la fuente superficial y un vertedero de crecida
para permitir el paso del gasto mximo evitando socavaciones y
fundaciones del dique.En virtud de las mltiples variables que
intervienen en la determinacin de este tipo de captacin, su diseo
est basado en aproximaciones deducibles de frmulas experimentales
como las presentadas por Nyerges.Captaciones A BombeoEl principal
criterio es asegurar la sumergencia de la criba de succin
especialmente cuando existen variaciones considerables de caudal.La
ubicacin de las bombas debe ser tal que no sean alcanzadas por los
niveles mximos del caudal y que permita satisfacer la demanda en
estiaje.3.1.2. Captaciones superficiales con Regulacin Torre tomaEl
gasto a travs de las compuertas puede determinarse suponindolas
como orificios sumergidos y estimados los valores de los
coeficientes C, en la expresin Q= (2gH)1/2 para los diferentes
niveles de agua en el embalse y las respectivas alturas en las
compuertas previstas. Todo lo anterior es una simplificacin con
fines expositivos, el problema es indudablemente ms complejo y
amerita estudios especiales de presin sobre la compuerta.Las
compuertas deben disearse para la carga mxima y el conducto puede
disearse como tubera a presin o de flujo libre como canal.En la
literatura se mencionan configuraciones particulares desarrolladas
por diversos autores como Surez (1982) los cuales presentan unas
metodologas propias que pueden ser consultadas en detalle.3.1.3.
SubterrneasManantialesLos parmetros de cantidad y calidad deben
considerarse de manera especial. As el diseo debe contemplar
ciertos elementos para asegurar la calidad:-La tubera de salida
debe estar colocada a cuando menos 10 cm sobre el fondo de la caja
y bajo el nivel donde aflora el agua. Si el nivel del agua en la
caja del manantial fuera muy alto, los sedimentos podran bloquear
el afloramiento del agua. En el extremo de la tubera de salida,
localizado en interior de la caja, debe instalarse un filtro para
evitar que piedras, ramas u otros objetos obstruyan la tubera. Una
manera de hacer este filtro es con un tramo corto de tubera de
polietileno, taponado en un extremo y con pequeas perforaciones a
su alrededor. Tambin debe instalarse una tubera de demasas de
dimetro suficiente para desaguar el gasto mximo en poca de lluvias
bajo el nivel de afloramiento del agua. El extremo de la tubera de
demasas localizado en el interior de la caja debe quedar cubierto
con un filtro adecuado para mantener fuera a los mosquitos y a las
ramas. La losa de la caja debe quedar al menos 30 cm arriba del
nivel del terreno para evitar que el agua de lluvia entre a la
caja. Tambin con esta finalidad, el registro que se construye en el
techo de la caja debe tener un reborde de 10 cm. La tapa de
registro debe quedar asegurada con bisagras y candado. Una tercera
tubera localizada en el fondo de la caja se instala con la
finalidad de extraer los sedimentos. Esta tubera debe tener en su
extremo un tapn que no pueda retirar cualquier persona sin
herramientas.Si no es posible hacer una excavacin suficiente para
que el fondo de la caja del manantial est 10 cm por debajo de la
tubera de salida, entonces puede usarse una tubera de 5 cm de
dimetro y conducir el agua a otra caja localizada a una distancia
no mayor de 50 m a la cual se le llama trampa de sedimentos. Esta
caja tambin debe tener losa, tubera de demasas a prueba de
mosquitos y tubera de salida a 10 cm del fondo con filtro.-Deber
hacerse un estudio peridico de las variaciones en la calidad, as
mismo la oscilacin de tempertura no debe exceder de 2 a 4 C.Si el
manantial se enturbia inmediatamente despus de una lluvia fuerte,
es seal inconfundible de que el efecto filtrante del terreno es
insuficiente. - Dependiendo de si el manantial es de ladera
(filtracin o tubular) o de piso (fisura), se le tiene que proteger
por medio de cunetas que intercepten los escurrimientos
superficiales. Se recomienda que estas cunetas se excaven a una
distancia de 10 m de los vertederos.
Galeras de infiltracinRobert E. Buss (citado en [1]) destaca la
utilidad de los siguientes criterios:-Mantener velocidades de
penetracin a las galeras menores o iguales a 0.05 m/s.-Las ranuras
del rea de captacin deben ser seleccionadas para que permitan
retener el material granular que sirve de empacadura al estrato
acufero.- El material granular a utilizar debe ser bien
seleccionado y su coeficiente de uniformidad no mayor de 2.- Las
prdidas de carga a travs de la galera deben ser minimizadas,
estimndose no mayor de 0.3 a 0.5 m, aunque preferiblemente
menores.PozosUn pozo eficientemente diseado debe ser capaz de
permitir la utilizacin de los recursos naturales en toda su
amplitud.Un buen diseo depender de la calidad y cantidad de datos
disponibles. En una zona donde se disponga de datos de
perforaciones anteriores, anlisis de arena, exmenes de agua,
pruebas de bombeo, gastos y radio de influencias, resultar
relativamente fcil el diseo. Si no, cualquier nuevo pozo ser
puramente tentativo y diseado sin bases.Resulta conveniente, cuando
se trata de obtener gastos de cierta consideracin mediante uno o
varios pozos, que se hagan pozos de observacin que permitan
proporcionar la informacin.3.2. Mtodos de ClculoCaptaciones en
ManantialesSegn el tipo de salida las obras a disear son las que se
detallan a continuacin:a) Salida horizontal en un punto, suele
presentarse en los manantiales de capas sedimentarias de aluvin o
de rebose y eventualmente, en los de agua remansada. Se realiza por
medio de un depsito de acumulacin que se adosa a la salida del
manantial, el cual entra en el depsito por unos orificios que se
practican en la parte posterior del depsito. Entre ste y el
manantial se disponen varias capas de material filtrante con una
disposicin de granulometria creciente en el sentido de la filtracin
del agua. Las granulornetrias de estas capas debern estar
estudiadas de forma que cumplan las condiciones filtro.b) Salida
horizontal en franja de anchura limitada suele presentarse en capas
geolgicas similares al caso anterior y su toma se realiza de forma
anloga a ste, sin ms que sustituir el deposito por una galeria de
filtracin, de longitud ligeramente superior a la de la franja de
afloramiento. Si el caudal fuera pequeo, puede sustituirse la
galeria de filtracin por uno o varios tubos semiperforados
(perforados en una semiseccin), que se introducen en las
correspondientes capas filtro; la captacin as dispuesta se proteje
con un panel superior y otro lateral.c) Salida vertical en un
punto, el que se presenta en manantiales de fallas, grietas o
artesianos. se realiza por mediacin de un pozo ordinario con acceso
del agua por el fondo. Por ello es esencial determinar exactamente
la altura del desague o rebose, ya que de esta forma podrn
disininuirse los efectos perjudiciales del remansamiento.d) Salida
de plano vertical, se presenta, en manantiales de agua remansada.
Se realiza por medio de tubos semiperforados introducidos en una
masa filtrante, que recoge el agua de los diversos puntos. Para
este tipo de captacin se emplean filtros gruesos que favorecen la
circulacin del agua.Galeras de infiltracinAplicando las expresiones
relacionadas con la definicin de cada uno de los parmetros y con
base en los resultados de excavaciones de prueba (en las que se
bombea agua a una rata determinada hasta lograr satisfacer las
condiciones de equilibrio y se determina el nivel de agua) y de
pozos de observacin (de ubicacin y caractersticas definidas), se
determinan sucesivamente la permeabilidad, abatimiento, espesor,
gradiente hidrulico y la longitud requerida. Luego se selecciona un
dimetro de tubera de prueba y el de sus perforaciones y se
verifican las velocidades. Finalmente se calcula el nmero de
perforaciones.PozosCada diseo es exclusivo del acufero al que
pertenece. En cada caso deben definirse:a) Dimetro.Tiene poca
influencia en el aumento del gasto a extraer pero es un factor
determinante en el equipo de bombeo. As se selecciona un dimetro
capaz de albergar al equipo apropiado, con la holgura necesaria
para su instalacin. En la literatura consultada (Arocha)se
proporcionan tablas que, bajo la consideracin anterior permiten
elegir el dimetro del pozo en funcin del gasto. b) Profundidad.De
preferencia, si es que las condiciones sanitarias del agua de los
estratos inferiores lo permite, debe considerarse la profundidad
total del espesor del acufero.c) Tipo de pozo (influencia en
abatimiento)Si se trata de un acufero libre no es necesaria la
utilizacin de reas de captacin en zonas sin penetracin. Si el
acufero es confinado, su espesor no es afectado por los
abatimientos.d) Longitud de la zona de captacin.Debe analizarse
para cada tipo de acufero, sea este artesiano o libre.e) rea libre
de captacin y abertura.Requiere un anlisis exhaustivo en el que ha
de considerarse el dimetro y abertura de la rejilla, el tipo de
pozo, la granulometra del acufero para definir si es o no necesario
el engrazonado.
4. ConclusionesLas condiciones en las cuales se disea un sistema
de captacin son muchas (diversos usos, distintas demandas,
diferentes fuentes, etc). As tambin, como se ha expuesto en este
documento, las tipologas desarrolladas son parejamente diversas.
Por lo tanto el profesional encargado del diseo de este tipo de
obras civiles debe estar al tanto de las bondades y deficiencias
que cada una de estas posibilidades ofrece.Un parmetro inicial de
seleccin de la tipologa idnea es la variacin del caudal que
determina si debe o no utilizarse una captacin con regulacin. Otro
parmetro determinante es el caudal demandado y la calidad
requerida.
5. Referencias
[1] AROCHA, S.Abastecimiento de agua: teora y diseo. Ed. Vega,
1980. 284 p. ISBN: 8439980647[2] Abastecimiento de agua potable [en
lnea]. Disponible en:
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4080004/contenido/Capitulo_5/Pages/captacion_superficial_continuacion.htm
[2015, 21 de enero] [3] Redes de Abastecimiento [en lnea].
Disponible en:
http://api.eoi.es/api_v1_dev.php/fedora/asset/eoi:45948/componente45946.pdf
[2015, 21 de enero] [4] RIVAS, G. (1.983).
AbastecimientosdeAguasyAlcantarillados. Tercera Edicin. Ediciones
Vega s.r.l. Caracas, Venezuela. [2015, 21 de enero]
