Sistema de cosecha de agua de lluvia

Volumen 8, número especial

Investigación Inv Inve s ig st i ac aciió ión ón

CIENTIFICA CIENT CIENTI IFICA FICA

abril 2014, issn 1870–8196

Sistema de cosecha de agua de lluvia

para fines potables en comunidades marginadas

Ana Isabel Veyna Gómez Julián González Trinidad Carlos Francisco Bautista Capetillo Dagoberto Chávez Carlos Hugo Enrique Júnez Ferreira Universidad Autónoma de Zacatecas

baucap@uaz.edu.mx

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Investigación

CIENTIFICA

Resumen Uno de los objetivos del milenio es reducir a la mitad la proporción de personas sin acceso sostenible de agua potable y servicios básicos de saneamiento, ubicada principalmente en comunidades marginadas. No obstante, proporcionar agua a estas poblaciones requiere de grandes inversiones, las cuales no son programadas por los gobiernos debido al bajo costo–beneficio. Una alternativa que se ha aplicado para dotar de ese servicio a comunidades rurales radica en la cosecha de agua de lluvia, visualizada como una óptima fuente de abastecimiento. El objetivo de este artículo es exponer la respuesta de tal sistema en esas regiones.

Introducción Se estima que la población mundial pasará de aproximadamente 3.3 billones en 2007 a 6.4 billones en 2050. Ese incremento se verá reflejado también en la proporción de personas sin acceso sostenible de agua potable, por lo que se tiene como propósito disminuir al menos la mitad de ese porcentaje en este milenio. Un aspecto a considerar para la consecución de dicho fin es el factor cambio climático, que probablemente aumente la variabilidad de las precipitaciones y el número de inundaciones, así como los episodios de sequías (United Nations, 2008).

Según la Organización Mundial de Salud (2010) todo individuo tiene derecho al agua, lo que implica el acceso a la cantidad mínima necesaria para satisfacer sus requerimientos básicos. El primer beneficio de contar con el vital líquido se refiere a la superación de la falta debido a las distancias y al tiempo de recolección del agua, que da lugar al uso de volúmenes inadecuados para la higiene básica personal y el consumo humano; el segundo se relaciona con las mejoras significativas a la salud.

La disponibilidad de agua dulce es uno de los principales retos que la humanidad enfrenta puesto que su demanda es ya superior a la oferta renovable. Entre las técnicas que se han propuesto para elevar las fuentes de suministro destaca la co-

secha de agua de lluvia, que ha dado solución a los problemas de abastecimiento de agua para uso doméstico y de paisaje; asimismo, sustituye métodos como presas de tierra, perforación y norias escavadas a mano, algunos de ellos de inadecuada calidad y a pesar de ello utilizados con frecuencia por las comunidades rurales (Sturm et al., 2009).

Los sistemas de cosecha de agua proporcionan soluciones flexibles para satisfacer de forma adecuada las necesidades de las demandas nuevas y existentes, además de ser un proceso continuo. La mayor atracción de estos es el bajo costo de mantenimiento, su accesibilidad y fácil construcción dentro del hogar, además de ser fuentes sustentables de agua limpia (Fayez et al., 2009).

El agua de lluvia tiende a conservar una buena calidad dentro de un tanque de almacenamiento debidamente diseñado, operado y con mantenimiento adecuado. Debe protegerse al líquido de la radiación solar y de la irrupción de organismos; es preciso resguardar la entrada del tanque contra sedimentos, a través de un filtro de los sólidos sedimentables.

Si bien algunos investigadores han identificado que la calidad del agua de lluvia cosechada y almacenada en los reservorios es aceptable para beber y cocinar sin implicar riesgo para la salud humana (Zhou et al., 2010; Campisano y Modica, 2012), hay quienes reportan un deterioro en la calidad debido a la presencia de residuos orgánicos, microorganismos y metales pesados vinculados con el tipo de material de construcción de las cisternas, el área de captación (techo) y la contaminación del aire (Helmreich y Horn, 2009; Méndez et al., 2012; Young et al., 2010 y 2012). Por lo anterior, un propósito más de esta investigación fue evaluar la calidad del agua almacenada en algunos sistemas de cosecha de agua de lluvia del estado de Zacatecas.

Antecedentes La recolección de agua de lluvia se ha llevado a cabo desde hace miles de años, es una tecnología utilizada para recogerla y almacenarla de los techos con técnicas simples como estanques artifi-

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ciales y reservorios; el agua puede emplearse para usos domésticos, pecuarios, de riego, entre otros.

Se estima que los primeros depósitos fueron construidos de piedra, mediante ellos se accedía al líquido en épocas de sequías (Fayez et al., 2009). En el siglo xxi este sistema ha cobrando popularidad en todo el mundo, ya que se considera una alternativa sustentable para el abastecimiento de agua potable.

Investigaciones confirman que tal práctica se ha efectuado en países como Tailandia, Japón, Taiwán, Corea, India, Namibia, Jordania, Sudáfrica, Zambia, China y Nigeria, donde la recolección de agua de lluvia es una fuente alterna de abastecimiento para el suministro doméstico a pesar de que no se dispone de la cantidad y calidad requeridas para brindar el servicio. El agua de lluvia en las zonas rurales es bastante limpia, a excepción de algunos gases disueltos. Por su parte, en las zonas urbanas, debido a un alto tráfico e impacto de la industria, el líquido posee contaminantes orgánicos y metales pesados. Incluso las superficies de captación son una posible fuente de estos metales ​​y sustancias. Para evitar la contaminación del agua se recomienda no recolectarla de techos construidos con tejas, pizarras y láminas de aluminio (Helmreich y Horn, 2009).

En los últimos años la urbanización ha contribuido con la contaminación de escorrentías, por lo que la recolección de agua de lluvia es uno de los mejores métodos disponibles para el establecimiento sostenible y sustentable del líquido. Young Lee (2012) sugiere que esa agua debe tener un tratamiento adicional para mantener el control de coliformes fecales y bacterias.

La cosecha de aguas pluviales se concibe como el arte de desviar o capturar la precipitación (agua de lluvia o nieve derretida) para usarse en la vida diaria. Es un medio fácil en aquellas zonas de alta o media precipitación pluvial, actualmente se recurre al agua de lluvia como fuente de abastecimiento de agua potable (Unidad de Apoyo Técnico para el Saneamiento Básico del Área Rural, 2001).

Respecto al agua para consumo humano, dicha técnica ostenta las siguientes ventajas: a) Proporciona alta calidad físico química del agua, b) es

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un sistema independiente y por lo tanto es ideal para grupos dispersos y alejados, c) el empleo de mano de obra es un proceso autogestivo, d) los materiales son locales, e) no requiere energía para la operación del sistema, f) es fácil de mantener y g) no requiere de inversión de tiempo en la recolección del agua de lluvia. Asimismo, es necesario referir sus desventajas: a) Tiene un alto costo inicial, el cual puede impedir que la implementen familias de bajos recursos económicos, b) la cantidad de agua captada depende de la precipitación del lugar y del área de captación (Unidad de Apoyo Técnico para el Saneamiento Básico del Área Rural, 2001).

Helmreich y Horn (2009) comentan que las técnicas de cosecha de agua de lluvia se pueden clasificar dependiendo del uso a que se destinen: agrícola, industrial y captación para fines domésticos.

Reportan que en esta última se acostumbra utilizar la superficie del techo como captación scapt (Sistema de Captación de Agua Pluvial en Techos), por su costo y facilidad de realización. El techo debe tener la superficie y pendiente adecuadas para que posibilite el escurrimiento del agua hacia el sistema de recolección; los materiales utilizados para su elaboración son: losas de concreto, lámina galvanizada ondulada, tejas de arcilla, entre otros.

Los tanques para almacenar el agua se pueden construir subterráneos o sobre la superficie del terreno, las formas más comunes son cilíndricas y cuboides, el tipo de material que se emplea es polietileno de cerámica, ferrocemento, polietileno y ladrillo. Se recomienda ubicarlos en un lugar adecuado para minimizar la contaminación producida por humanos, animales u otros ambientes, además de ponerles una tapa para evitar el crecimiento de algas y la reproducción de los mosquitos.

A continuación se enuncian tres de los principales modos de recolección: 1) Cosecha de agua in situ, recolectada en la superficie donde cae y es almacenada en el suelo. 2) Captación de agua externa, la escorrentía recolectada sobre una superficie se almacena fuera; se usa en la agricultura. 3) Recolección interna, se recoge el agua desde los tejados y se conserva en un reservorio; se utiliza dentro del hogar (Mwenge y Taigbenu, 2011).

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Investigación

CIENTIFICA

La escorrentía en techos comprende una fuente potencial de agua dulce. Algunas investigaciones han identificado que la calidad del agua de lluvia cosechada y almacenada es aceptable para beber y cocinar. El líquido no presenta ningún riesgo ni aumento de trastornos gastrointestinales o enfermedades al compararlo con agua clorada o agua filtrada de red pública (Zhou et al., 2010; Campisano y Modica, 2012). No obstante, es posible mejorar la condición del líquido si el sistema de cosecha, incluyendo cuencas, canales, redes de tuberías y tanques de almacenamiento, se limpia con regularidad y se fabrica a partir de materiales no tóxicos; influyen también la topografía y las condiciones meteorológicas (Young Lee et al., 2010).

Por su parte Helmreich y Horn (2009) reportan que la calidad del agua pluvial depende de la calidad de la atmósfera. Ya que los contaminantes atmosféricos (partículas, microorganismos, metales pesados y sustancias orgánicas) se acumulan en las zonas de captación como deposición seca y se lavan fuera de la atmósfera durante los eventos de lluvia, el beneficio de una cisterna no es estrictamente proporcional al tamaño de la misma: un tanque más pequeño se llena y se vacía continuamente, mientras que en un sistema más grande sucede con mayor dificultad. Concluyen que los Sistemas de Información Geográfica pueden ayudar en la localización de zonas potenciales para la captación, así como en el monitoreo de la cantidad y calidad del agua almacenada. Sin embargo, mencionan que es posible que el agua colectada se contamine con bacterias, según el área de captación, pero pueden eliminarse empleando métodos naturales como la energía solar.

Por lo anterior, la recolección de agua de lluvia representa una opción tecnológica adecuada para mejorar el abastecimiento. Con frecuencia las comunidades rurales sustituyen el agua doméstica con el suministro de agua pluvial, además de que su consumo ostenta menor riesgo de enfermedad hídrica en comparación con estanques y ríos (Baguma et al., 2010). A su vez, la influencia de variables independientes (tamaño del tanque, años de cosecha de agua de lluvia, estado del sistema) se minimiza con la correcta instalación y el mantenimiento de los sistemas.

Entre los tipos de contaminantes químicos que se han encontrado en el agua se incluyen: metales pesados, hidrocarburos aromáticos policíclicos (Hap), pesticidas y herbicidas; también se hallan microorganismos, bacterias fecales indicadoras y patógenos, potencialmente bacterias y protozoos (Mendez et al., 2011; Young Lee et al., 2012). Respecto a los materiales pesados, pueden filtrarse en cosecha cuando el techo o los desagües contienen partes metálicas. Por ejemplo, se ha detectado Zn, Mn, Cu y Fe en agua arrastrada desde tejados. En adición, identificaron componentes como sólidos inertes y polvo, materia fecal de roedores y aves, acumulados en los techos durante los periodos de sequía, los cuales afectan en gran medida la calidad del agua recolectada. Por ello, es indispensable utilizar la primera tormenta para lavar la superficie de captación, esa agua se desviará evitando su captación (Al–Salaymeh et al, 2011).

Materiales y métodos El estado de Zacatecas se encuentra al norte del país, localizado en las sierras y llanuras del norte; su latitud es 25° 7’– 21° 1’ n y longitud 100° 43’– 104° 22’ O y su altitud promedio es de 2 mil 400 msnm. Colinda al norte con Durango y Coahuila, al este con Nuevo León y San Luis Potosí, al sur con Guanajuato, Jalisco y Aguascalientes, y al oeste con Nayarit. Su extensión territorial es de 73 mil 103 km², por lo que su tamaño ocupa el octavo lugar entre las entidades federativas de México y representa el 3.8 por ciento de la superficie total del país (figura 1).

Según el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (2010) el estado posee 59 municipios y una población de 1 millón 490 mil 668 habitantes. El clima predominante es el semidesértico, con una temperatura media anual de 18 ºc y una precipitación anual de 492.2 mm (Comisión Nacional del Agua, 2007).

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Figura 1. Localización de la zona de estudio.

Sus principales ríos son Juchipila, Santiago y Aguanaval. La cobertura de agua potable y de alcantarillado, en cuanto a porcentaje de la población con acceso al servicio, es del 92.8 por ciento en agua potable y 84.2 por ciento con alcantarillado (Comisión Nacional del Agua, 2007). Por su parte, se han instalado sistemas de cosecha de agua de lluvia en Valparaíso, Guadalupe, Genaro Codina, Villa González Ortega y Villanueva (figura 2).

En el tabla 1 se observan las series de tiempo de precipitación media anual de cada una de estas regiones para el periodo 1980–2007. Para caracterizar el líquido recolectado se tomaron muestras de cada una de las regiones donde se han implementado dichos sistemas en la entidad durante tres periodos de lluvia del ciclo 2012–2013; se recogieron en botellas considerando la norma establecida de cada parámetro (American Public Health Association, 2010). Los parámetros analizados directamente en campo fueron pH, conductividad y temperatura, mientras que en laboratorio se analizaron coliformes totales (ct), dureza total y metales pesados: cadmio, cromo, hierro, manganeso (American Public Health Association, 2001; Palla et al., 2011).

Figura 2. Municipios donde se han implementado los sistemas.

Resultados y discusión Los análisis físico–químicos y bacteriológicos del agua cosechada y monitoreada se muestran en la tabla 2. La norma nOM–ssa–127–1997 establece los límites máximos permisibles para el aprovechamiento y uso del agua con fines potables sin riesgo para la salud. Se considera que el agua almacenada en las cisternas construidas de ferrocemento cumple con tal reglamento: su conductividad eléctrica se ubica dentro de los límites (0–070 a 0.200 dS/cm); concerniente a la dureza total se clasifica como agua blanda, con valores entre 50 y 100 (tabla 3).

Como se observa, la presencia de coliformes fecales e–coli fue nula, ello permite asumir que

taBLa 1. pREcipitaciOnEs DE EstaciOnEs MEtEOROLÓGicas DE ZacatEcas Ene Villanueva Valparaíso Villa González Ortega Guadalupe Genaro Codina

Feb

22.67 11.56

Mar

Abr

May

Jun

Dic

Total

3.75

3.28

13.33

84.71

125.38 114.46 73.75 35.77 10.00

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

13.52

512.17

12.0

16.3

565.1

31.5

12.3

3.3

3.5

13.9

78.8

140.6

126.1

88.0

38.9

16.7

8.1

3.8

7.8

27.2

60.9

73.9

63.2

63.1

27.4

8.6

10.1

370.8

17.0

9.5

4.2

7.6

22.5

72.4

93.4

76.3

82.9

38.3

13.9

7.4

445.3

19.9

8.2

3.7

7.3

19.7

69.8

93.3

80.2

72.5

37.5

9.0

11.9

432.9

Investigación

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CIENTIFICA taBLa 2. caRactERÍsticas FÍsicO–QuÍMicas DEL aGua En Las cistERnas Coordenadas

Cisterna

Latitud

Longitud

Altura

Temp. (°C)

Ph

Conductividad (µs/cm)

Oxígeno disuelto (mg/l)

Cloruros (mg/l)

Alcalinidad (mg/l)

1

22° 39’ 10.5” 102° 55’ 30.4”

2186

9.05

22.3

199.6

6.0

11.41

69.5

2

22° 28’ 11.4” 102° 38’ 47.1”

2186

8.38

17.2

72.7

7.23

3.97

28.0

3

22° 28’ 08.2” 102° 38’ 45.1”

2224

7.90

19.7

122.7

7.82

5.45

42.0

4

22° 28’ 05.6” 102° 38’ 30.4”

2224

8.36

20.6

248.0

6.80

6.95

69.0

5

22° 28’ 05.6”

2333

8.18

18.0

73.2

7.70

4.47

27.0

102° 38’ 31.2”

taBLa 3. caRactERÍsticas BiOLÓGicas Y MEtaLEs pEsaDOs Coliformes fecales Ausencia Ausencia Ausencia Ausencia Ausencia

Calcio Magnesio Ca Mg (mg/l) (mg/l) 19.2956 0.6016 8.7511 0.4921 13.305 0.4945 22.9524 0.7383 6.2524 0.3904

Fierro Sodio Fe Na (mg/l) (mg/l) 0.0434 7.7655 0.0504 2.2328 0.0717 3.3216 0.0643 18.8794 0.0618 0.8737

Potasio Manganeso K (mg/l) Mn (mg/l) 4.9324

0.0041

3.1516

0.0075

4.2787

0.0062

13.9779

0.0048

1.813

0.0033

no habrá problemas gastrointestinales en la población. Relativo al contenido de metales pesados se encontraron valores numéricos del orden de 0.004 a 0.071 mg/l, cifra por debajo de los límites establecidos en la norma.

Conclusiones Con base en los resultados obtenidos, el agua de lluvia en cisternas de ferro–cemento reúne las condiciones necesarias para ser utilizada con fines potables. No obstante, la tendencia indica que a mayor tiempo de almacenamiento se incrementan algunos parámetros químicos, lo cual sugiere monitorear la calidad del líquido continuamente.

Zinc Sílice Zn (mg/l) (mg/l) 25 0.1009 15 0.3834 55 0.4355 52 0.0543 27 0.4541

Flúor Bicarbonatos (mg/l) HCO3 (mg/l) 0.75

85.4

0.07

48.8

0.17

73.2

1.37

109.8

0.03

48.8

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