MANUAL PLATAFORMA DE SISTEMAS DE ...scalls.ditecchile.com/.../uploads/2020/06/scall_manual.pdfManual Sistemas de captación y acumulación de aguas lluvias / Introducción / 09 INTRODUCCIÓN

MANUAL PLATAFORMA DE SISTEMAS DE CAPTACIÓN Y ACUMULACIÓN DE AGUAS LLUVIAS

Autores

Equipo CREA -UCSC

Dr. Dagoberto ArcosDirector CREA

Robinson SáezJefe de Proyecto

Mª José CruzatInvestigadoraIngeniero Civil Industrial

Oscar Fernández Experto en Obras CivilesIngeniero Civil

Colaboración

Roberto Pizarro CTHAUniversidad de Talca

Carlos VallejosIngeniero ForestalCTHA Utalca

Diseño y Maquetación Bárbara Barrerahttp://www.barbara-barrera.cl

CAPÍTULO 1 CRISIS HÍDRICA 1.1 Estado Del Agua Dulce 1.2 Cambio Climático 1.3 Recurso Hídrico En Chile 1.3.1 Macrozonas 1.4 Situación Hídrica Regiones Del Biobío Y Ñuble 1.4.1 Región De Ñuble 1.4.2 Región Del Biobío 1.4.3 Demanda Hídrica Actual A Nivel De Cuenca De La Región Del Biobío

y Ñuble, Sector Agrícola, Por Rubros Relevantes Para El Sector Económico.

CAPÍTULO 2 SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS 2.1 Antecedentes Generales 2.2 Experiencia Mundial

CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS 3.1 Selección De Sitios 3.2 Caracterización Hidrológica De Los Sitios.

3.2.1 Selección De Estaciones. 3.2.2 Tratamientos Estadísticos.

3.2.3 Coeficiente De Escorrentía 3.3 Ejemplo De Cálculo

1112131315151718

2122

272727272932

ÍNDICE

CAPÍTULO 4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMAS DE CAPTACIÓNDE AGUAS LLUVIAS 4.1 Selección De Sitios

4.2 Selección De Estaciones Meteorológicas 4.3 Cálculo De Área De Captación O Volumen De Acumulador

4.4 Obtención De La Precipitación De Diseño Para Las Localidades

4.5 Construcción De Los Sistemas De Captación De Aguas Lluvias CAPÍTULO 5 MANUAL PLATAFORMA “SISTEMA DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS (SCALL)” 5.1 Navegación Plataforma

5.2 Ingreso al sitio

5.3 Pasos de cálculo

RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA

37373737 38

474850

57

58

59

Manual Sistemas de captación y acumulación de aguas lluvias / Presentación / 07

PRESENTACIÓN

El proyecto “Implementación y Difusión de Plataforma Tecnológica para la Gestión de Recursos Hídricos Basados en Sistemas de Acumulación de Aguas Lluvias (Scall) en Sectores Productivos de Importancia Agroalimentaria”, adjudicado por la Universidad Católica de la Santísima Concepción y financiado por el Gobierno Regional del Biobío (GORE), a través de su Fondo de Innovación para la Competitividad (FIC), busca incrementar la disponibilidad de agua para zonas rurales mediante el diseño y construcción de sistemas de captación de aguas lluvia, con fines productivos, enfocados en el sector de la pequeña agricultura y que pretende contribuir a difundir conocimientos, tecnologías y prácticas para la gestión del recurso hídrico en pequeños y medianos empresarios agrícolas de la Región del Biobío y de la Región de Ñuble, dado que el proyecto fue presentado antes de la separación de la nueva región.

El programa, contempla 30 beneficiarios, con los que busca difundir este tipo de tecnologías, tanto a través de su plataforma interactiva, como también de las unidades demostrativas construidas en las comunas de Portezuelo, en la Región de Ñuble y Florida en la Región del Biobío. El proyecto transfirió capacidades para los equipos técnicos que atienden a los beneficiarios directos (INDAP, y Municipalidades), en la operación, construcción y mantención de estos sistemas, a través de talleres y vistas de campo.

En este proyecto, colaboró la Universidad de Talca, que mediante investigadores del Centro Tecnológico de Hidrología Ambiental (CTHA), han desarrollado este tipo de soluciones en otras regiones del país.

Manual Sistemas de captación y acumulación de aguas lluvias / Introducción / 09

INTRODUCCIÓN

Hace años, el país ha evidenciado un aumento en la escasez de agua dulce, causada por la disminución de las precipitaciones y el alza de las temperaturas, así como la sobreexplotación del recurso hídrico, lo que ha provocado diversos efectos en las distintas regiones del país.

Chile ha sido afectado de manera recurrente por sequías en gran parte de su territorio, y según la Dirección Meteorológica, ha experimentado un déficit de precipitaciones por sobre el 70% desde Curicó al norte, y entre Talca y Los Lagos una situación intermedia de alrededor del 30% de déficit. Esta escasez de lluvias se ha instalado y es un fenómeno presente a lo largo del país. Se espera que este impacto perdure por todo el siglo XXI con una progresiva aridificación de las zonas centro y sur de Chile.

Las alternativas de acumulación de agua lluvia, que se estudian en el presente proyecto, constituyen una opción sencilla de captación y almacenamiento de agua mediante áreas impermeabilizadas y un sistema de almacenamiento (cisternas o estanques). Para lograr una eficiencia técnica y económica, los sistemas deben ser diseñados y calculados en forma particular para cada zona, en relación con los regímenes pluviométricos y al tipo de superficie impermeabilizada que capturarán los aportes de agua que van a ser almacenados. De esto dependerá el éxito de las obras y que los estanques puedan ser llenados completamente de agua lluvia.

Los sistemas de captación de aguas lluvias y su posterior acumulación en distintos estanques acumuladores, han permitido aumentar la oferta de agua en épocas de

escasez, tanto para consumo humano, para riego en cultivos agrícolas, para bebederos de animales e incluso para el ataque de incendios forestales. De esta manera, es una tecnología que nos posibilita adaptarnos a las consecuencias del cambio climático y sus efectos sobre los sistemas productivos y la vida rural en Chile.

Con el desarrollo de esta Plataforma Tecnológica, se busca entregar una herramienta que permita facilitar el diseño y construcción de los sistemas de captación, donde se obtenga de manera fácil y didacta, cubicaciones aproximadas de materiales y consejos constructivos, de acuerdo con las necesidades y condiciones pluviométricas de donde se requieran instalar.

Con la ejecución de esta experiencia se busca realizar un aporte a la planificación de políticas públicas, que se orienten a la realización de obras que permitan aumentar la oferta de agua a los habitantes de las zonas rurales del secano y que anualmente tienen problemas con el déficit de agua. De esta forma podrán acceder a una mejora de su calidad de vida mediante el aumento de la oferta de agua disponible para agricultura, ganadería, consumo humano y en casos extremos, para el ataque inicial de incendios forestales.

CAPÍTULO 1 ESCASEZ HÍDRICA

CAPÍTULO 1 CRISIS HÍDRICA / 11

ESCASEZ HÍDRICA

El agua sostiene la vida humana, animal y vegetal, proporciona

servicios vitales para la salud, subsistencia, bienestar y aporta a la sostenibilidad de los ecosistemas. Es un recurso esencial para producir y conservar el trabajo en todos los sectores de la economía: en el sector primario, que abarca la agricultura, la ganadería, la pesca, la minería, la acuicultura y la extracción de recursos naturales. En el sector secundario, contempla la industria pesada, transformación de productos, generación de electricidad y combustibles. En el sector de los servicios, el turismo y el ocio, por ejemplo. (PNUD, 2006; OCDE, 2012a)

En el mundo, más de 2.000 millones de personas viven en países altamente afectados por la escasez de agua, y aproximadamente 4.000 millones presentan una grave escasez durante al menos un mes al año. Estos niveles de escasez continuarán aumentando con el crecimiento de la demanda y los efectos del cambio climático (WWAP, 2019)

Actualmente el agua es el recurso natural más crítico en nuestro planeta, a medida que la población crece, la escasez hídrica se ha transformado en un problema para los seres vivos, si bien, el planeta está cubierto en un 75% de agua, solo un 2,5% es agua dulce. Se estima que el planeta posee 1.373 trillones de litros de agua y como se mencionaba anteriormente los océanos abarcan la mayor parte con un 97,5%, los glaciares y casquetes polares un 1,74%; la reserva que puede utilizar el ser humano, la tienen los acuíferos y presenta un 0,76% del total. Los lagos tienen el 0,007%, mares interiores un 0,006%, la biomasa un 0,0001%, la atmósfera un 0,001% y los ríos solo un 0,0002% del total (Trevizan, 2011).

1.1 Estado del agua dulce

El recurso hídrico de agua dulce se renueva a

través del ciclo de evaporación, precipitación y escorrentía, que es conocido como el ciclo del agua, y define su distribución y disponibilidad (WWAP, 2019).

Existen distintas formas de especificar y medir la escasez del agua. El indicador de escasez más conocido es el agua renovable per cápita al año, en donde para distinguir entre distintos niveles de estrés hídrico se utilizan los valores máximos. Se determina que un país presenta escasez de recurso hídrico cuando, cuando estos suministros bajan de 1.700 m3 per cápita al año. Una región sufre de escasez de agua crónica cuando este suministro cae por debajo de los 1.000 m3 per cápita al año, y cuando caen por debajo de los 500 m3 per cápita al año se considera una escasez absoluta (Falkenmark y Widstrand, 1992).

Para lograr entender de mejor forma la relación entre la oferta y demanda, los Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM) con su indicador de demanda, busca medir el nivel de presión humana sobre recursos hídricos en base a la relación existente entre la captación de agua del sector de la agricultura, municipalidades e industrias y el total de recursos hídricos renovables. Mientras la proporción entre el uso y disponibilidad de agua sea mayor, aumentará la escasez del suministro y será aún más difícil satisfacer las demandas (UNSD, s.f.).

Es importante saber, que un estrés bajo de agua no garantiza el fácil acceso a este recurso. La escasez de agua se puede deber a distintas causas: (1) escasez de agua física (según indicadores); (2) escasez de agua económica debido a la falta de infraestructura o limitaciones financieras, lo que es independiente del nivel de recursos hídricos; (3) escasez de agua institucional debido a que las autoridades no proveen al usuario de un suministro de agua confiable, seguro y equitativo (FAO, 2012). Algunos países y cuencas reciben abundante agua en todo el año, pero en algunas zonas

12 / CAPÍTULO 1 CRISIS HÍDRICA

las precipitaciones están muy concentradas en época de lluvia y escasas en temporadas secas que pueden durar muchos meses. En la zona norte de Chile, las precipitaciones son nulas en época de verano y escasas en invierno, en el centro del país se puede apreciar el mismo fenómeno, pero en menor grado.

Las condiciones que se detallan anteriormente pueden ser mitigadas con infraestructura natural y artificial, para manejar y almacenar el agua que llega en épocas de altas precipitaciones.

1.2 Cambio climático

El cambio climático es una amenaza para la disponibilidad de agua e influye

en la frecuencia, intensidad y severidad de los fenómenos meteorológicos. Estudios indican que el cambio climático altera los regímenes de flujo de las corrientes, deteriora la calidad del agua, cambia los

patrones espaciales y temporales de las precipitaciones y disminuye la disponibilidad del agua (IPCC, 2014). Según la 5ª evaluación realizada por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) demuestra que, por cada grado de aumento en la temperatura del planeta, un 7% de la población presentará una disminución de recursos hídricos renovables de aproximadamente el 20% (Döll y otros, 2014; Schewe y otros, 2014).

Con estos antecedentes, se espera que las regiones áridas sean más propensas a tener un aumento del riesgo de sequía, al igual que las zonas subtropicales secas presentarán una reducción importante de los recursos hídricos superficiales y subterráneos renovables.

La disminución del recurso hídrico disponible aumentará la competencia por el agua entre los usuarios, como la agricultura, asentamiento, la industria, la producción de

Fuente : Elaboración propia

14 / CAPÍTULO 1 CRISIS HÍDRICACAPÍTULO 1 CRISIS HÍDRICA / 13

energía entre otros. Esto traerá enormes consecuencias para las zonas vulnerables a la escasez de agua, como Australia occidental, América del Sur, el Mediterráneo, China y África subsahariana (UNESCO, 2016).La agricultura es el sector más vulnerable a nivel mundial y para muchos países, es el motor del desarrollo económico. Las condiciones de crecimiento de los cultivos como el trigo, el maíz y el arroz se ven altamente afectadas por el cambio climático (IPCC, 2014). Pequeños agricultores, al verse afectados por estos cambios, no tienen los medios económicos suficientes para adaptarse o prevenir esta situación, que influye directamente en su economía, afectando el empleo local y al comercio.

1.3 Recurso hídrico en Chile

Chile posee 101 cuencas hidrográficas cuyas aguas subterráneas y superficiales están distribuidas en 756.102 km2 de territorio. Encontramos 1.251 ríos y 12.784 cuerpos de agua en lagunas y lagos. El país también cuenta con 24.114 glaciares, los que aportan al caudal de escorrentía en periodos secos, donde este alcanza un mínimo nivel. La precipitación promedio en Chile es de 1.525 mm/año, donde una parte de esta se transforma en escorrentía la que superficialmente circula por las cuencas, siendo el promedio a nivel país de 29.245 m3/s (DGA, 2016).

Si bien Chile, presenta una abundante disponibilidad hídrica, esto no se ve reflejado al analizar sus regiones por separado y se hace evidente la heterogeneidad hídrica del país. Desde la región metropolitana hacia el norte existe una alta escasez, donde la escorrentía per cápita promedio está por debajo de los 500 m3/persona/año, mientras que, desde O’Higgins hacia el sur, superan los 7.000 m3/persona/año, encontrando en la Región de Aysén la alta cifra de 2.950.168 m3/persona/año (DGA, 2016).

A pesar de los altos recursos hídricos que tiene el país, el cambio climático ha afectado

el territorio con la sequía, condición que ha tenido un notorio impacto en el desarrollo de las actividades económicas y sociales del país.

Figura 1 Cuencas (DGA, 2015)

1.3.1 Macrozonas

Con el objetivo de comprender y agrupar de mejor forma la información hídrica del país, la Dirección General de Aguas (DGA), agrupa las regiones en cuatro zonas, de acuerdo con sus factores hidrográficos, orográficos y climáticos, denominándolas macrozonas.

Macrozona Norte Corresponde a la zona más árida del país, con uno de los paisajes más secos del mundo, el desierto de Atacama cuyo territorio abarca 180.000 km2. Esta macrozona está conformada por las regiones de Arica y Parinacota, Tarapacá, Antofagasta, Atacama y Coquimbo con una superficie de 300.904 km2 y en ella residen 2.282.106 habitantes.

Esta zona presenta un bajo nivel de escorrentía, de 36,9 m3/s, y su escorrentía per cápita 510 m3/persona/año. Pese a la escasez hídrica de esta macrozona, posee un total de 545 cuerpos de agua entre lagos

y lagunas, lo que representa el 4,3% del total nacional (DGA, 2016).

Macrozona CentroEsta zona es considerada uno de los suelos más fértiles del país, permitiendo una alta producción de frutas hortalizas y flores, las que en su mayoría son destinadas a exportación.

La macrozona centro, incluye las regiones de Valparaíso, Metropolitana, Libertador Bernardo O’Higgins y del Maule, abaracando una superficie total de 78.482 km2 y concentrando 11.101.673 habitantes. Su nivel de escorrentía es de 1.116 m3/s, y su escorrentía per cápita promedio es de 3.169 m3/persona/año. Posee un total de 531 cuerpos de agua lo que equivale a 4,2% del total nacional (DGA, 2016).

Macrozona SurEsta macrozona comprende las regiones de Ñuble, Biobío, La Araucanía, Los Ríos y Los Lagos, tiene una superficie total de 135.925 km2 y alberga el 24,16% del total de habitantes del país, equivalente a 4.349.639 personas. Tiene un clima templado lluvioso marítimo lluvioso con abundantes precipitaciones. Su escorrentía es abundante, alcanzando los 7.834 m3/s, equivalente al 26,8% del total nacional, mientras que per cápita llega a los 56.799 m3/persona/año (DGA, 2016).

El sector que se desarrolla con mayor presencia es el agropecuario, demandando aproximadamente 84,26 m3/s de agua para los riegos de áreas forestales y otras áreas de cultivo, 13,89 m3/s para el sector industrial y 9.91 m3/s para consumo de agua potable (DGA, 2016).

Macrozona AustralLa macrozona austral posee el mayor número de lagos y lagunas del territorio nacional, identificando un total de 10.363 cuerpos de agua con un área de espejo que alcanza los 7.030 km2. Integra las regiones de Aysén del General Carlos Ibañez del Campo, Magallanes y de


CAPÍTULO 1 CRISIS HÍDRICA / 15 16 / CAPÍTULO 1 CRISIS HÍDRICA

la Antártica Chilena, con una superficie total de 240.791 km2 y 272.989 habitantes. Su precipitación anual promedio es de 2.963 mm/año, y presenta la mayor escorrentía del país con 20.258 m3/s equivalente al 69,3% del total nacional, obteniendo una escorrentía per cápita de 2.340.227 m3/persona/año.

Las principales actividades económicas de esta macrozona y sus respectivas demandas de agua, son la ganadería con 1,76 m3/s, la minería con 2,83 m3/s y la industria forestal con 5,99 m3/s, presentando la mayor demanda, y para uso de agua potable se estima un 0,67 m3/s.

1.4 Situación Hídrica Regiones del Biobío y Ñuble

Según el boletin de agosto de 2019 de la Dirección General de Aguas (DGA), todos los ríos desde Copiapó hasta la región de Ohiggins disminuyeron sus caudales. En las regiones de Maule y Biobío se experimentó un aumento, debido a las lluvias concretadas en el sector. En general, todos los ríos están bajo sus promedios e incluso entre el Choapa y el Maule por debajo de los mínimos históricos. El Cachaopal ha estado toda la temporada bajo su minimo y el Aconcagua bajo su minimo histórico desde el mes de marzo. Con respecto al año pasado, solo los ríos Copiapó y Biobío han sido superiores.

Los embalses a nivel nacional, presentan un déficit del 34% respecto a su promedios. Los embalses mixtos de la zona Centro Sur, dedicados a la generación y al riego, presentan el mayor déficit con un 55%, representando a un 65% del total embalsado (DGA, 2019).

1.4.1 Región de Ñuble

La XVI región de Ñuble concentra el 9,6% de la superficie nacional según información del Censo Agropecuario y Forestal 2007, CIREN y SAG. El principal uso que se le da a este territorio corresponde al rubro

de plantaciones forestales, seguido por cereales y plantas forrajeras. Existen frutales con 3.429 ha de arándano americano, 1.380 ha de frambuesa, 1.300 ha de Cerezo, 1.100 has de nogal y 9.000 ha de vides para vino. La producción de bovinos corresponde al 4,3% del país (INIA, 2019).

Según información obtenida por www.agrometinia.cl se puede realizar un análisis del comportamiento de las principales variables climáticas que inciden en la producción agropecuaria, en este caso, se realiza un seguimiento a las variables pluviométricas, obtenidas por algunas de las estaciones meteorologicas instaladas en la región:

Estación Santa Rosa:En el mes de septiembre se registró una pluviometría de 57,3 mm, lo cual representa un 57,3% con respecto al mismo mes de un año normal. Desde el mes de enero a septiembre de 2019, se registró un total acumulado de 598 mm, lo que en un año normal registraría 1023 mm, dichos datos, representan un deficit de un 41,5%. Durante el año 2018, en las fechas mencionadas, la precipitación alcanzaba los 616,7 mm.

Estación Portezuelo: En el mes de septiembre se registró una pluviometría de 31,8 mm, lo cual representa un 41,3% con respecto al mismo mes de un año normal. Desde el mes de enero a septiembre de 2019, se registró un total acumulado de 606,8 mm, lo que en un año normal registraría 928 mm, dichos datos, representan un deficit de un 34,6%. Durante el año 2018, en las fechas mencionadas, la precipitación alcanzaba los 539,8 mm.

Según el reporte de la Dirección General de Aguas, los caudales de los Ríos Ñuble en San Fabián y Biobío en Rucalhue, están bajo los valores promedios históricos, aunque esto no alcance niveles criticos, como los que ocurren en las regiones del norte del país.

Figura 2 Caudales Río Ñuble en San Fabián

Figura 3 Caudales Río Ñuble en Río Biobío en Rucalhue

Fuente: DGA, 2019.

Río Biobío en Rucalhue

Q [

m3 /

s]

800.0

700.0

600.0

500.0

400.0

300.0

200.0

100.0

0.0

Q. 208_2019 678.0 592.0 340.0 199.0 185.0 127.6 91.3 200.0 420.0 449.0 602.0 507.0

Q. Promedio* 625.0 520.0 347.0 187.0 135.0 118.0 153.0 382.0 679.0 733.0 595.0 607.0

Q. Min. Mes* 208.1 130.8 87.1 84.0 68.6 70.8 61.9 65.7 99.7 218.5 218.5 211.5

Q. 2’18-2019 Q. Promedio* Q. Mín. Mes*

160.0

140.0

120.0

100.0

80.0

60.0

40.0

20.0

0.0

180.0

Q [

m3 /

s]

Río Ñuble en San Fabián

Q. 208_2019 157.0 152.0 72.0 36.0 21.9 16.5 13.7 28.8 90.4 66.7 96.8 115.0

Q. Promedio* 151.7 137.8 96.4 52.0 32.2 24.3 31.6 112.0 168.5 152.6 133.0 138.7

Q. Min. Mes* 47.0 27.7 30.7 19.7 16.4 10.2 8.9 16.2 26.0 46.9 40.6 46.1


Tabla 1 Disponibilidad hídrica superficial de la Región del Biobío y Ñuble

1.4.2 Región del Biobío

La región del Biobío concentra el 17,5% de la superficie nacional dedicada a cultivos, según el Censo Agropecuario y Forestal 2007, SAG y CIREN. El principal uso que se le da a este territorio corresponde al rubro de plantaciones forestales, seguido por cereales y plantas forrajeras. Destaca la producción de arandano americano con 1.750 ha, vides de vinificación con 3.100 ha y 24.100 ha de trigo blanco. La producción de bovinos corresponde al 7,8% del país (INIA, 2019).

Estación Chiguayante: En el mes de septiembre se registró una pluviometría de 74,9 mm, lo cual representa un 81,4% con respecto al mismo mes de

un año normal. Desde el mes de enero a septiembre de 2019, se registró un total acumulado de 851,9 mm, lo que en un año normal registraría 1031 mm, dichos datos, representan un deficit de un 17,4%. Durante el año 2018, en las fechas mencionadas, la precipitación alcanzaba los 1005,7 mm.

Estación Human: En el mes de septiembre se registró una pluviometría de 32,4 mm, lo cual representa un 33,1% con respecto al mismo mes de un año normal. Desde el mes de enero a septiembre de 2019, se registró un total acumulado de 393,6 mm, lo que en un año normal registraría 1.102 mm, dichos datos, representan un deficit de un 64,3%. Durante el año 2018, en las fechas mencionadas, la precipitación alcanzaba los 769,4 mm.

Tipo de ejercicio

Permanente

Eventual

Permanente

Eventual

Permanente

Eventual

Permanente

Eventual

Permanente

Eventual

Permanente

Eventual

Macrozona

Sur

Sur

Sur

Sur

Sur

Sur

Ene

4,9

383,4

-

41,1

0

5,5

0,6

9,4

0,8

6

1,5

16,8

Feb

-

160

-

6,3

0

4,3

-

7,3

-

3,4

0,4

12,7

Mar

-

171,7

-

38,7

0

4,5

-

7,2

-

1,5

-

8,1

Abr

43,8

375,8

-

243,9

0

5,6

-

16,1

-

2,4

-

15,3

May

244,1

1.766,8

-

599,7

1,8

24

8,7

114,8

0,7

15

3,1

65,3

Jun

794,1

1.854,5

-

1.155,4

9,3

33,7

26,1

125,8

6,5

37,8

12,7

93,6

Jul

879,3

2.118,7

-

831,4

10,2

33,7

47,9

182

14,8

66

27,3

127,9

Sep

37,8

3.062,1

-

452,3

6

19,5

21,2

68

17

26

24,5

64,3

Oct

671,3

841,5

-

435,4

2,6

13,6

12,5

45,6

9,9

18,8

13,8

47,9

Nov

466,2

843,6

-

284,9

0,9

9,1

5,9

24,9

4,3

16,8

6,4

34,9

Dic

181

705,9

-

171

-

8,5

2,5

12,4

2,7

10,8

3,5

27,4

Ago

876,9

1.404,5

-

527,8

10,3

23,9

40,2

106.4

21,1

34,9

32,7

101,5

Disponibilidad hídrica

Fuente: Atlas del Agua, 2016.

La Oferta Hídrica Referencial se define como aquella porción de agua que, después de precipitar sobre la cuenca y satisfacer las cuotas de evapotranspiración e infiltración del sistema suelo-cobertura vegetal, escurre por los cauces de los ríos y demás corrientes superficiales; en tanto que la oferta de agua subterránea es aquella que queda almacenada, o se desliza, cuando el agua de lluvia, o la que proviene de ríos o lagos, llega hasta las capas impermeables de la tierra, luego de atravesar las permeables.

1.4.3 Demanda hídrica actual a nivel de cuenca de la región del Biobío y Ñuble, sector agrícola, por rubros relevantes para el sector económico.

La demanda hídrica del sector agrícola, representada tanto para la superficie en riego como en secano para las regiones de

Ñuble y Biobío, corresponde únicamente a los requerimientos evapotranspirativos de los cultivos, para la totalidad de la superficie agrícola.

Los valores se indican en términos de volumen anual demandado (mm3/año) y caudal medio anual (m3/s y l/s).

En la Tabla 3, se puede apreciar el desglose para las demandas hídricas anuales por cuenca bajo riego, según grupos de cultivo: cultivos y forrajeras anuales, forrajeras permanentes, hortalizas, flores y semilleros, viñas y parronales, frutales (miles de m3 por año, mm3/año).

Tabla 2 Estimación demanda hídrica de uso agricola, cuencas región de Ñuble y Biobío

Fuente: Estudio final Estimación de la demanda actual, proyecciones futuras y caracterización de la calidad de los recursos hídricos en chile. MOP -DGA. 2016

Costeras entre límite región y río Itata

Rio Itata

Costeras e islas entre Río Itata y Río Biobío

Rio Biobío

Costeras e islas entre Río Biobío y Río Carampangue

Río Carampangue

Costeras Carampangue-Lebu

Río Lebu

Costeras Lebu- Paicaví

Costeras e islas entre Rio Paicaví y limite región

TOTAL DEMANDA HÍDRICA AGRICOLA REGIÓN DEL BIOBÍO

52.902,6

2.533.906,2

88.836,2

1.862.976,0

18.309,8

51.456,7

46.338,4

25.377,4

170.246,3

147.228,6

4.997.578,2

Mm3/año

1,7

80,3

2,8

59,1

0,6

1,6

1,5

0,8

5,4

4,7

158,5

m3/s

1,677,5

80.349,6

2.817,0

59.074,6

580,6

1.631,7

1.469,4

804,7

5.398,5

4.668,6

158,472,2

l/s

DDA hídrica agrícola actual

(base 2015)Cuencas región del Biobío

18 / CAPÍTULO 1 CRISIS HÍDRICA


Tabla 3 Estimación demanda de riego en uso agrícola actual de la superficie en riego por grupo de cultivos relevantes, cuencas Región del Biobío, miles de m3 por año Mm3/año.

Fuente: Estudio final Estimación de la demanda actual, proyecciones futuras y caracterización de la calidad de los recursos hídricos en chile. MOP-DGA. 2016

825,44

114.251,28

206,43

126.355,65

864,49

135,59

385,17

23,20

56,44

0,00

243.103,71

2,82

14.606,59

585,93

4.468,06

95,65

48,35

12,44

10,58

4,47

0,00

19.834,89

0,52

4.157,40

5,14

4.737,73

211,03

0,55

0,00

0,00

0,00

0,00

9,112,38

12,40

50.724,73

119,54

12.667,22

0,00

11,94

0,00

1,39

3,80

0,00

63.541,02

59,66

98.377,85

288,58

41.568,91

13,28

46,62

30,88

0,00

0,00

0,00

140.385,79

Cultivos y forrajeras

anual

Cuencas región del Biobío

Costeras entre limite región y río Itata

Rio Itata

Costeras e islas entre Río Itata y Río Biobío

Rio Biobío

Costeras e islas entre Río Biobío y Río Carampangue

Río Carampangue

Costeras Carampangue-Lebu

Río Lebu

Costeras Lebu- Paicaví

Costeras e islas entre Rio Paicaví y limite región

Total demanda hídrica agricola (sup. Secano) Región del

Biobío y Ñuble

Forrajeras perm.

Hortalizas, flores y

semilleros

Viñas y parras

CULTIVOS

Frutales

El cultivo bajo riego que mayor demanda presenta, son las forrajeras permanentes, con un 52,1%, seguidas del cultivo de forrajes anuales con un 30,1%. Le siguen los frutales con un 13%, muy atrás de la demanda del primer cultivo, dadas las superficies asociadas.

La sequía en la región del Biobío y Ñuble, ha tenido un profundo impacto sobre los sistemas de vida y sustento de la población, aquejando el desarrollo de las actividades económicas y sociales del país. Esto ha afectado profundamente a la región en la cantidad de oferta de agua para consumo humano en muchas comunas del secano interior, para lo cual los municipios rurales han invertido grandes cantidades de dinero

en palear estas necesidades especialmente en la entrega de agua a través de camiones aljibe. De igual forma, la sequía a fomentado las tormentas de fuego, que han arrasado con vastos sectores, tantos productivos como de ocupación humana

CAPÍTULO 2 SISTEMAS DE

CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS

CAPÍTULO 2 SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS / 21

SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS

Los sistemas de captación de aguas lluvias son una herramienta viable

para aumentar la oferta de agua y disminuir los problemas creados por la sequía. Estos sistemas son escalables ya que pueden satisfacer las necesidades de una familia o comunidad, y hasta los requerimientos del área agrícola y ganadera a mediana o gran escala.

2.1 Antecedentes generales

Cuando pensamos en técnicas de captación y aprovechamiento de aguas lluvias se entiende la practica (obra o procedimiento técnico) capaz de aumentar la disponibilidad de agua, en sectores agrícolas, para uso doméstico, animal o riego de cultivos. Estas obras de captación son técnicas mejoradas de manejo de suelo, agua, cultivo y animales, comparables a menor escala, con la construcción y manejo de obras hidráulicas que captan, derivan, almacenan o distribuyen el agua de lluvia (FAO, 2013)

Las técnicas de captación pueden ser agrupadas de la siguiente forma:

Microcaptación: Esta modalidad, consiste en captar la escorrentía superficial que circula dentro del propio terreno de cultivo, en áreas cercanas al sembrado para posteriormente hacerla filtrar. La microcaptación utiliza las propiedades hidrológicas del terreno de área con pendiente, lisa, poco permeable y sin vegetación para que de forma autónoma genere escorrentía y abastezca los suelos ubicados mas abajo (FAO, 2013).

Macrocaptación:Consiste en captar la escorrentía en grandes áreas, que se ubican cercanas a cultivos, denominadas macrocaptación interna, y también distanciadas del área de cultivo, llamadas macrocaptación externa. La macrocaptación tiene como principio

hidrológico la utilización de un área de escorrentía superficial con pendiente elevada y suelos rocosos sin o con escasa área vegetal, con el objetivo de generar mayor volumen de flujo hídrico hacia el área de cultivo.

Derivación de manantiales y cursos de agua mediante bocatomas: Esta técnica de captación se utilizan para contrarrestar la escasez hídrica en determinadas zonas, puede ser utilizada para consumo domestico, abrevadero o riego.

Captación de aguas subterráneas y freáticas: Esta modalidad se utiliza en regiones donde se pueden aprovechar aguas subterráneas y freáticas para el uso que se requiera, dependiendo de las características del agua y su modalidad de extracción.

Captación de agua atmosférica: En algunos lugares donde la humedad atmosférica se desplaza por la superficie en forma de niebla, es posible implementar esta modalidad (FAO, 2013).

Cosecha de agua de techos de vivienda y otras estructuras impermeables: Esta técnica es la mas conocida de captación de aguas pluviales, consiste en el aprovechamiento de escorrentía, producida en superficies como techos de viviendas, patios de tierra batida, superficies rocosas, hormigón, mampostería o plástico. Esta modalidad de captación permite obtener agua para consumo domestico.

Los sistemas de captación desde techos de vivienda son los más utilizados. Sin embargo, Ruskin (2001) indica que hay dos técnicas principales para la captación de agua pluvial, que utilizan el mismo principio. La primera consiste en despejar un área del terreno como la ladera de un cerro y cubrirla con un material impermeable como una geomembrana, estos sistemas se denominan sistemas de captación de ladera. La otra técnica que señala Ruskin es

22 / CAPÍTULO 2 SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS

la captación de agua desde el techo de una vivienda y se desvía hacia un contenedor.

La composición general, a grandes rasgos de un sistema de captación de aguas pluviales tiene cuatro elementos de mayor importancia, Captación (superficie destinada para captar el recurso hídrico), Recolección (accesorios como tubos y

canaletas instalados que transportan el agua hacia el interceptor), Interceptor (Capta las primeras aguas que corresponde al lavado del área de captación y pueden contener impurezas), y Almacenamiento (Es el contenedor que acumula y conserva el agua para los fines correspondientes) (CEPIS, 2003).

2.2 Experiencia Mundial

Europa:En Berlín, en el año 1998, los sistemas de captación de aguas lluvias fueron parte de un desarrollo urbano a gran escala, donde el conjunto residencial Daimler Chrysler Potsdamer Platz, conformado por 19 edificios, se utilizan 32.000 m2 de área para la captación de aguas pluviales en techos con un almacenamiento de 3.500 m3 para riego y alimentar un estanque artificial (Ballén et al., 2006).

Figura 4 captación de techumbre


África:La alta concentración de pobreza en África no permite la obtención y desarrollo de tecnologías necesarias para la implementación de sistemas de captación de aguas lluvias.

Con el apoyo de organizaciones africanas y el Development Technology Unit (Inglaterra) se inició el proyecto de “Sistemas de Aprovechamiento de Agua Lluvia de Muy Bajo Costo”, con estas tecnologías se pretende suplir bajos porcentajes de la


demanda de agua de casas y parte con una inversión de hasta 120 dólares y utiliza materiales disponibles en la zona. Hay sistemas informales que con una escasa inversión permiten obtener agua de baja calidad y deficiente sistema (Ballén et al., 2006).

Asia:Singapur presenta una creciente demanda de agua y sus recursos naturales son limitados, debido a esto existe una constante búsqueda de fuentes alternativas y métodos para aprovechar los recursos hídricos. Cerca del 90% de la población reside en edificios donde los techos son utilizados para captar aguas pluviales y almacenarla en cisternas para usos domiciliarios distintos al consumo humano (Ballén et al., 2006).

Sudamérica:En Brasil muchas comunidades nativas de la región noroeste, a lo largo de su historia, han captado y reutilizado las aguas lluvias en pozos construidos manualmente, sistema que no logra satisfacer las necesidades de la comunidad. Es por esto por lo que, en el año 2000, se inició un proyecto denominado Programa de Formación y Movilización Social para la Convivencia con el Semiárido: Un Milton de Cisternas Rurales (P1MC), que consiguió la construcción de 13.200 cisternas en ocho estados brasileños, lo que garantizó acceso al agua potable para familias de las regiones semiáridas (Articulaçao Semiárido Brasileño, 2015).

Chile:En Chile, en el año 2009, en la comuna de Ovalle, Región de Coquimbo, se construyó una cisterna para acumular aguas pluviales, la que fue desarrollada como parte del proyecto Innova Corfo Regional (05CR11FT-15), ejecutado entre los años 2006 y 2009 (Pizarro et al., (2015). El área de captación de agua del proyecto alcanzó los 308 m2 y la cisterna con una capacidad de 21 m3, convirtiéndose en uno de los primeros proyectos del país, enfocados en la captación y utilización de aguas pluviales.

El Centro tecnológico de Hidrología Ambiental (CTHA) de la Universidad de Talca, en el año 2012 construyó 12 unidades demostrativas mediante la ejecución del proyecto FIC Maule denominado “Transferencia, diseño y construcción de sistemas de captación de aguas lluvias”, las unidades fueron instaladas en comunas como Licantén, Curepto, Longaví, Pelluhue y Chanco. En el desarrollo de este proyecto se probaron una variedad de materiales para zona de captación y almacenamiento del agua. Una geomembrana y hormigón fueron utilizados para la captación de lluvia, y para el almacenamiento se hicieron excavaciones cubiertas con geomembrana y hormigón (ambas con techo internet o zinc), estanques de PVC y fibra de vidrio, estanque australiano y tanques flexibles o flexitank (CREA, 2018).

Fuente: Elaboración propia

Figura 5 área de captación de techo, instalacion de canaletas

Figura 6 SCALL con área de captación de techo y estanque de acumulación flexible,

24 / CAPÍTULO 2 SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS

Fuente: Elaboración propia.

Figura 7 SCALL con área de captación de geomembrana y estanque flexible de acumulación.


Fuente: Elaboración propia.

CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA,

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN

DE SISTEMAS DE CAPTACIÓN

DE AGUAS LLUVIAS

CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN / 27

METODOLOGÍA, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS

3.1 Selección de Sitios

En la selección de los sitios en que se implementará este tipo de obras,

se deben considerar diversos aspectos relacionados con el volumen y destino de las aguas recolectadas.De acuerdo a Unesco (2015), la construcción de los SCALL es recomendada en zonas que presentan problemas asociados a la escasez de agua, en tanto que es una alternativa viable de mejorar la disponibilidad de recursos hídricos, especialmente para enfrentar la época estival. Así, existen varias zonas a lo largo del país que en los últimos años han sido declaradas zonas de Catástrofe, Emergencia Agrícola o Escasez Hídrica, por parte de los Ministerios del Interior, de Agricultura y Obras Públicas, derivados de los efectos producidos por el déficit hídrico que afecta a dichas estas zonas.

3.2 Caracterización Hidrológica de los sitios.

La caracterización hidrológica de los sitios en donde se implementarán los sistemas SCALL es un proceso medular para el buen éxito de las obras; toda vez que a partir de este análisis se podrá definir la real capacidad de abastecimiento de agua, en función de las necesidades que una determinada zona posea.

3.2.1 Selección de estaciones.

Cada sitio debe ser caracterizado hidrológicamente en términos de las ofertas de agua en períodos anuales, para lo cuál se deben utilizar los registros históricos de estaciones pluviométricas cercanas a los sitios en que se desean instalar las obras. Para conocer la precipitación anual y su comportamiento en el tiempo, es necesario consultar las bases de datos de instituciones

confiables como la Dirección General de Aguas, la Dirección Meteorológica de Chile o cualquier otro ente afín con datos de precipitación de buena calidad.

3.2.2 Tratamientos estadísticos.

Para cada sitio seleccionado se debe definir la precipitación de diseño en términos del a probabilidad de ocurrencia a través de funciones de distribución de probabilidad.

Definición de estadígrafos de posición

En primer lugar, para la serie de datos se determinan los estadígrafos de posición, también llamados de tendencia central, que indican alrededor de qué valor se agrupan los datos, como es el caso de la media, y los estadígrafos de dispersión, como lo es la desviación estándar. Estos estadígrafos o estadísticos extraen información de una muestra para inferir las características de la población:

Definición de las Funciones de Distribución de Probabilidad.

Probabilidad de Excedencia:se define como la probabilidad de que un valor de la variable aleatoria, sea excedido. Se encuentra asociada al período de retorno (Pizarro et al., 2004). Se propone trabajar con una probabilidad de excedencia de 0,9 o con una probabilidad de 0,1 (Pizarro et al., 2004).

Donde:X= Valor a asumir por la variable aleatoria (precipitación de diseño). d y µ = Parámetros a ajustar de la función.e= Constante de Neper.

28 / CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA, DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN

Los parámetros de la distribución de una muestra de tamaño infinito tienden a lossiguientes valores, en base a la media aritmética y la desviación estándar de la muestra:

Donde:X=Valor a asumir por la variable aleatoria (precipitación de diseño). d y µ=Parámetros a ajustar de la función.e=Constante de Neper.

Los parámetros de la distribución de una muestra de tamaño infinito tienden a lossiguientes valores, en base a la media aritmética y la desviación estándar de la muestra:

Pruebas de bondad de ajuste

Luego del ajuste de la función de distribución a los datos de precipitación, es necesario definir la calidad del ajuste obtenido. Para ello se utilizan diversas pruebas, pero en hidrología son muy utilizados el test Kolmogorov-Smirnov y el Coeficiente de Determinación R2, ya que, según Pizarro y Novoa (1986), estas pruebas determinan el nivel de asimilación de los datos observados de una variable cualquiera, a una función matemática previamente establecida y reconocida. Mediante estas pruebas, se valida la posibilidad de interpolar y extrapolar información.Del párrafo anterior se desprende la necesidad de determinar la frecuencia observada acumulada y la frecuencia teórica acumulada. Las frecuencias observadas se ordenan de menor a mayor y luego se aplica la siguiente expresión de Weibull:

Donde:Fn(X)=Frecuencia observada acumulada.n=Número de orden ascendente de la serie de datos. N=Número Total de datos.

Por su parte, la frecuencia teórica acumulada es determinada mediante la función de distribución correspondiente.

Por su parte, la frecuencia teórica acumulada es determinada mediante la función de distribución correspondiente.

Para finalizar con el test, se calcula el supremo de las diferencias, que consiste en determinar la máxima diferencia, en valor absoluto, entre las frecuencias observadas y las acumuladas. Esta diferencia se denomina por la letra D y su expresión es la siguiente:

Donde:D= Supremo de las Diferencias.Fn(X)i=Frecuencia Observada Acumulada. F(X)i=Frecuencia Teórica Acumulada.

Una vez obtenido el supremo de las diferencias, se compara con el valor de la tabla Kolmogorov-Smirnov. Si el valor obtenido de la tabla K-S (Dt), es mayor que el supremo de las diferencias (Dc), se puede aceptar el ajuste. Según lo anterior se debe cumplir lo siguiente:

Al cumplirse esta condición, se acepta que el ajuste es adecuado a la Función de Distribución de Probabilidad utilizada y con el nivel de confiabilidad asumido (Pizarro et al., 2004).


Por otra parte, el coeficiente de determinación señala qué proporción de la variación total de las frecuencias observadas es explicada por las frecuencias teóricas acumuladas (Pizarro y Novoa, 1986). La expresión que define al coeficiente de determinación es la siguiente:

Donde:R2=Coeficiente de determinación 0 ≤ R2 ≤ 1.Fn(x)i=Frecuencia observada acumulada. F(x)i=Frecuencia teórica acumulada.Fn(X)= Media de las Frecuencias observadas acumuladas.

A su vez, la cuantificación del error se realizó utilizando el error cuadrático medio (ECM), prueba que indica el error promedio de la estimación y está definida como:

La FDP que presente el valor de ECM más bajo, es la que mejor representa la distribución de los datos.

Donde:ECM=Error cuadrático medio.Fn(x)i= Frecuencia observada acumulada. F(x)i.= Frecuencia teórica acumulada.P= Número de parámetros de la función.

3.2.3 Coeficiente de escorrentía

Se define al coeficiente de escorrentía como la proporción del agua precipitada que escurre superficialmente. Por ende, en un sistema de captación de aguas lluvias, interesará que ese coeficiente sea lo más

Fuente: Salinas et al , 2010.

Tabla 4 Coeficientes de escorrentía típicos.

Tipo de superficie

Pavimentos de hormigón ybituminosos

Para superficies lisas, impermeables como techos en metal, en teja asfáltica, de concreto, entre otros.

Pavimentos de macadam

Adoquinados

Superficie de grava

Zonas arboladas y bosque

Zonas con vegetación densa: Terrenos granularesTerrenos arcillosos

Zonas con vegetación media: Terrenos granulares Terrenos arcillosos

Tierra sin vegetación

Zonas cultivadas

0,70 a 0,95

0,90

0,25 a 0,60

0,50 a 0,70

0,15 a 0,30

0,10 a 0,20

0,05 a 0,350,15 a 0,50

0,10 a 0,500,30 a 0,75

0,20 a 0,80

0,20 a 0,40

Coeficiente de escorrentía


cercano al valor 1, con el fin de propiciar la mayor tasa posible de captura del agua caída. En función de lo anterior y teniendo en consideración este fenómeno, en la tabla 1 se presentan valores de eficiencia del escurrimiento del agua en base a distintos materiales y coberturas de suelo.Para calcular el área de captación requerido, debe determinarse el escurrimiento esperado durante la época de lluvias, por lo que se emplea la fórmula racional:

Donde:Q=Caudal (m3/s).C=Coeficiente de escorrentíai=Intensidad de la lluvia (mm/h) para el período de retorno de diseño y una duración igual al tiempo de concentraciónA=Área de drenaje en Km2

El coeficiente de escorrentía C se determina de acuerdo a la cobertura de la cuenca. Para zonas con vegetación se toma un valor de C=0,30 y para zonas impermeables C=0,90. Pero en este caso, la cuenca aportante al sistema es el área de captación impermeable, ya sea con hormigón o con geomembrana. Estos materiales poseen coeficientes de escorrentía que pueden alcanzar valores C=1,0 ó 0,9 para los SCALL construidos en geomembrana y cercano a C=0,85 en el caso del hormigón armado revestido con algún producto impermeabilizante (Pizarro et al. 2016)

3.2.4 Diseño Hidrológico de las Obras del Sistema de Captación y Acumulación de Aguas Lluvias

Este sistema consta de tres partes principales, área de captación, sistema de conducción y cisterna de acumulación,

Figura 8 Esquema de un sistema de captación y acumulación de aguas lluvias en una ladera.



como se muestra en la siguiente figura:

Área de CaptaciónEsta parte de la estructura debe ubicarse idealmente en una ladera desprovista de vegetación, ya que cumple la función de capturar el agua proveniente de la lluvia. Para ello, esta área se impermeabilizará y sus dimensiones dependerán de la precipitación de diseño, del coeficiente de escorrentía asociado al material impermeabilizador (geomembrana u hormigón) y del volumen de agua que se quiera almacenar. Para calcular el área necesaria a impermeabilizar, se debe resolver la siguiente expresión:

Donde:Acap= Área de captación en la ladera (m2).Vc=Volumen de la cisterna y/o volumen a capturar por año (m3).P=Precipitación de diseño (m), calculada para una probabilidad de excedencia.C=Coeficiente de escorrentía, que dependerá del material con que se impermeabilice la ladera.

Figura 9 Área de captación formada por geomembrana con estructura de madera.



Sistemas de ConducciónComo su nombre lo indica, conduce por diferencia de gravedad el agua captada desde la superficie impermeabilizada hasta la cisterna de acumulación. Puede incluirse un sistema de decantación de sedimentos con el objetivo de almacenar agua más limpia. En este sentido, existen métodos artesanales simples, como colocar en la boca del tubo conductor una rejilla plástica, que filtra e impide la entrada de sedimentos al estanque acumulador.

Cisterna de acumulaciónCorresponde al estanque donde se almacena el agua y su volumen dependerá del área de captación (previamente definida), de la precipitación de diseño y del coeficiente de escorrentía del área de captación, lo que se refleja en la siguiente ecuación:

Donde:Vc=Volumen de la cisterna y/o volumen a capturar por año (m3). Acap=Área de captación en la ladera (m2).P= Precipitación de diseño (m), calculada para una probabilidad de excedencia. C=Coeficiente de escorrentía, que dependerá del material con que se impermeabilice la ladera.

3.3 Ejemplo de Cálculo

A continuación se mostrará a modo de ejemplo, los cálculos realizados para el diseño de SCALL en la comuna de Portezuelo. El ejemplo a considerar contempla la estación San Agustín de Puñual (Latitud Sur: 36°25’17”; Longitud Oeste: 72°23’40”), ubicada en la Región del Biobío. Para ejemplificar se considerará un período de registro que está comprendido entre los años 1993 – 2016 (24 datos anuales de precipitación). A estos datos se ajustará la Función de Distribución de Probabilidad de Gumbel.

Cálculo de la FDP de GumbelPosteriormente, con el resultado de los estadísticos media y desviación estándar, se procede a ajustar la serie anual de precipitaciones posteriormente presentada. Para esto es preciso determinar los parámetros de la función de Gumbel.

Determinación de parametros:

Tabla 5 Información de precipitación anual (mm) estación San Agustín de Puñual.

199319941995199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016PromedioDesviación Típica

Pp anual(mm)

Pp ordenada de menor a

mayor (mm)

San Agustín de Puñual

898,8

389,7

568,3

576,9

594,8

617,5

635,9

647,4

688,5

718,7

769,0

805,6

844,5

876,9

906,2

938,7

951,5

959,8

1012,0

1114,1

1151,3

1194,7

1198,4

1412,1

898,8

718,7

805,6

688,5

1151,3

389,7

951,5

906,2

1194,7

1412,1

647,4

844,5

1198,4

1114,1

594,8

938,7

1012

576,9

635,9

769

568,3

959,8

876,9

617,5

852,97

246,98


A continuación, se presenta en la tabla 6 el cálculo de la frecuencia observada acumulada Fn(x), la frecuencia teórica acumulada F(x), así como la diferencia entre ambas variables.

El Supremo es el valor máximo de la derecha y corresponde al estadígrafo de Kolmogorov-Smirnov.

Una vez obtenido el supremo de las diferencias, este valor se compara con el valor de la tabla Kolmogorov-Smirnov. Si el valor obtenido de la tabla K-S (Dt) es mayor que el supremo de las diferencias (Dc), se puede aceptar la hipótesis nula (Ho) que indicaría que se está en presencia de un buen ajuste con el nivel de confianza asumido (Dt > Dc).Luego, en la tabla 4 se presentan los resultados de las pruebas de bondad del ajuste (Test Kolmogorov-Smirnov y Coeficiente de Determinación), para el ejemplo de la función de Gumbel desarrollado. Los resultados de esta tabla

Tabla 6 Ejemplo para el ajuste de la FDP de Gumbel, con datos de precipitación anual (mm) de la estación San Agustín de Puñual.

199319941995199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016

898,8

718,7

805,6

688,5

1151,3

389,7

951,5

906,2

1194,7

1412,1

647,4

844,5

1198,4

1114,1

594,8

938,7

1012,0

576,9

635,9

769,0

568,3

959,8

876,9

617,5

389,7

568,3

576,9

594,8

617,5

635,9

647,4

688,5

718,7

769

805,6

844,5

876,9

898,8

906,2

938,7

951,5

959,8

1012

1114,1

1151,3

1194,7

1198,4

1412,1

0,040

0,080

0,120

0,160

0,200

0,240

0,280

0,320

0,360

0,400

0,440

0,480

0,520

0,560

0,600

0,640

0,680

0,720

0,760

0,800

0,840

0,880

0,920

0,960

0,002

0,085

0,095

0,117

0,149

0,177

0,195

0,267

0,324

0,420

0,488

0,556

0,609

0,642

0,653

0,698

0,714

0,724

0,782

0,865

0,888

0,909

0,911

0,970

0,038

0,005

0,025

0,043

0,051

0,063

0,085

0,053

0,036

0,020

0,048

0,076

0,089

0,082

0,053

0,058

0,034

0,004

0,022

0,065

0,048

0,029

0,009

0,010

Pp Anual

(en mm)

Pp ordenada

de menor a mayor

Weibull Fn(x)

FrecuenciaRelativa

Estación San Agustín de Puñual

Gumbel F(x)

Frecuencia Teórica

Diferencias (Fn(X)-F(X))

Figura 10 Localidad de Portezuelo

Figura 11 Sistema de conducción

Fuente:Elaboración propia. Fuente:Elaboración propia.


indican que el valor Dc=0,0089 es menor que el valor Dt=0,269, obtenido de la tabla K-S con un 95% de confianza (α= 0,05; n=24), con lo que se cumple la condición de un buen ajuste K-S.

Por otra parte, el Coeficiente de Determinación R2 alcanza un 96,7%, lo que también indica un buen ajuste del modelo. Por esto se puede indicar que la FDP Gumbel es una distribución que se ajusta bien a los datos de precipitación presentados en el ejemplo.

La forma de calcular el R2, para que quede mejor ejemplificado y de acuerdo a la tabla 3, es la siguiente:

A su vez, el error promedio de la función de Gumbel es de 0,052. Valor que debe compararse con los ECM de las demás funciones y verificar la mejor función.Finalmente, es necesario conocer el valor a asumir por la variable aleatoria (precipitación, caudal, etc.) para cierto período de retorno asociado, de tal manera de poder predecir posibles eventos futuros y poder tomar decisiones de gestión. Para esto se pretende despejar dicha variable y calcular su valor asociado a la probabilidad de diseño. Al despejar el valor de la variable aleatoria de la función original, se obtiene la siguiente expresión que será utilizada para el diseño del SCALL.

Figura 12 Hidroacumulador

Figura 13 Hidroacumulador y sistema de conducción

Fuente:Elaboración propia.


Tabla 7. Resultados test de bondad del ajuste Gumbel

Gumbel 0,0089 0,269 Acepta Ho 0,967 0,052

FDP Ajustada Dc Dt0,95

Ajustes K-S R2 ECM


Figura 15 Captación de techo

Figura 16 Hidroacumulador en captación de techo



CAPÍTULO 4 DISEÑO Y

CONSTRUCCIÓN DE SISTEMAS

DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS

CAPÍTULO 4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS / 37

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS

4.1 Selección de Sitios

La fase de selección de los sitios para la instauración de las obras, estuvo a

cargo de la UCSC, apoyada por profesionales del Centro Tecnológico de Hidrología Ambiental de la Universidad de Talca, para corroborar que los lugares reunían las condiciones para la instalación de las obras Scall. Dentro de estas características, se tuvieron que considerar varios aspectos, tales como la necesidad de abastecimiento de agua de los beneficiarios, la accesibilidad al sitio, la pendiente y la pedregosidad del mismo. Finalmente, fueron seleccionados 2 sitios para la instalación de las unidades demostrativas, como se muestra en la Tabla 8 y Figura 7.

Tabla 8 Ubicación de las unidades demostrativas.

Comuna

733611 E 5966091 N

Coordenadas UTM Huso 18H

4.2 Selección de estaciones meteorológicas

Cada sitio seleccionado debió ser caracterizado hidrológicamente en términos de ofertas de agua en periodos anuales. Esta información corresponde a precipitaciones mensuales de 5 estaciones pluviométricas, que fue necesario llevar a montos anuales de precipitaciones, a partir de las décadas de los 60, 90 y 2000, hasta el año 2016. El detalle de las estaciones seleccionadas y el período de registro de cada una se muestran en la tabla 9.

Tabla 9 Estaciones seleccionadas para Portezuelo y Florida

Estación

Portezuelo


Coelemu

Rafael

Las Pataguas

2011-2016

1993-2016

1962-2016

1993-2016

1993-2016

1993-2018

NO

SI

SI

SI

SI

SI

Comuna Estación Periodo de registro

Selec-ción

Portezuelo

Florida

4.3 Cálculo de área de captación o volumen de acumulador

El SCALL tiene 3 componentes, de los que destacan el área de captación y el volumen del acumulador; ya que a la hora de diseñar un sistema, pueden darse 2 casos:

- Definir a priori el volumen a almacenar, para lo cuál se calculará el área de captación.

- Definir a priori el área de captación, para lo cuál se podrá calcular el volumen posible de agua a capturar.

En el caso del presente proyecto, se definió el volumen de agua a almacenar en los hidroacumuladores (correspondientes a 60 y 100 m 3). Es decir, se debe estimar la superficie del área de captación necesaria para acumular 60 y 100 m3, con una probabilidad de diseño del 0,1, o lo que es lo mismo, una probabilidad de excedencia del 0,9.

4.4 Obtención de la precipitación de diseño para las localidades

A continuación, en la Tabla 10 se presenta la expresión matemática del ajuste realizado para la función de distribución de probabilidad de Gumbel, los coeficientes de determinación y los resultados de la aplicación del test de Kolmogorov-Smirnov, para cada una de las estaciones utilizadas en el proyecto.

Florida

5960815 N

5943242 N

5926081 N

707114 E

692326 E

688053 E

Portezuelo

38 / CAPÍTULO 4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS

Tabla 10 Ajuste de la función de Gumbel, para precipitaciones anuales máximas


Coelemu

Rafael

Las Pataguas

Portezuelo

Comuna Estación R2 Dt Dc

K-S (Acepta Ho)

Función de Gumbelajustada (F(X))

Florida

e-e -0.005*(x-741,82)

e-e -0.005*(x-677,824)

e-e -0.003*(x-1143,309)

e-e -0.005*(x-820,634)

Luego de aplicar los ajustes correspondientes con respecto a Gumbel, fue posible determinar las precipitaciones

de diseño para cada uno de los sitios donde se implementaron los sitemas de captación. La Tabla 11 da cuenta de ello.

Tabla 11 Precipitación de diseño para cada sector y estación considerada.


Coelemu

Rafael

Las Pataguas

Portezuelo

Comuna Estación 60m3 100m3

Área de captación(m2)

Precipitación de diseño (mm)

Florida

581,209

496,79

894,063

652,003 108

-

-

179

4.5 Construcción de los Sistemas de Captación de Aguas Lluvias

Replanteo de terrenoLuego de seleccionar los sitios en cuestión, fue necesario realizar en terreno un trabajo de replanteo de las obras, con el objetivo de asegurar una correcta construcción de las mismas y verificar si los detalles de confección se enmarcaban con los aspectos específicos que el terreno proveía.

Etapas de Construcción de los SCALLA continuación, se da cuenta a través de imágenes ilustradas y una breve descripción, de las etapas que estuvieron presentes al momento de implementar los SCALL en las comunas de Portezuelo y Florida.

Portezuelo, Captación de ladera:Preparación del terrenoComo preparación de terreno se deben realizar labores de limpieza, remoción de tierra, aplanamiento y formación del talud

para el empotramiento de la geomembrana e instalación del hidroacumulador.

Limpieza: luego de seleccionar el lugar idóneo para emplazar el SCALL, es necesario limpiar/despejar de cualquier vegetación existente el lugar en cuestión, considerando por supuesto el menor impacto posible; es por ello que se procura en principio, que sea una zona mayoritariamente descubierta de vegetación.

Remoción de tierra y aplanamiento: en este punto, se considera el movimiento de tierra con pala y/o retroexcavadora, dependiendo de los volúmenes de tierra a movilizar, la disponibilidad de mano de obra en cada sector y la accesibilidad a cada sitio. El área de captación que se requiere para lograr llenar el hidroacumulador debe contar con al menos 3 ó 5% de pendiente, haciendo posible de esta manera el escurrimiento deagua.

0,967

0,977

0,968

0,935

0,269

0,185

0,269

0,267

0,089

0,078

0,091

0,171


Formación de talud para geomembrana e hidroacumulador:

a fin de contener el agua capturada por la geomembrana, se conforma un talud aguas abajo, el cual cumple, al igual que la cortina de una represa, el rol de detención de un volumen de agua, para posteriormente conducirla al desagüe. La construcción de este talud, se realiza a partir de la misma tierra removida en un comienzo.

Figura17 Movimiento de tierra 1

Figura18 Movimiento de tierra 2

Área de Captación de Geomembrana

Una vez, limpio y nivelado el terreno, se construye el área de soporte para la geomembrana, utilizando materiales como polines impregnados, tuberia de PVC, pala, serrucho, entre otros materiales. Posteriormente se instala una geomembrana HDPE negra de 1 mm.

Figura 19 Construcción área de captación de geomembrana 1

Figura 20 Construcción área de captación de geomembrana 2

Fuente:Elaboración propia.Fuente:Elaboración propia.


Área de Acumulación

Para la instalación del hidroacumulador, el terreno debe estar completamente nivelado , limpio y compactado, con el objetivo de que al llenarse de agua, no sufra deslizamientos o deformación del terreno.

Sistemas de Conducción

En el caso del agua recolectada en sistemas de ladera y techumbre, el sistema de conducción se realiza mediante tuberias de PVC de 110 mm, permitiendo una adecuada salida del agua. Estas tuberias, en lo posible deben ir bajo tierra, para evitar manipulación de terceros. Se recomienda instalar sistemas dedecantación, para mantener el agua limpia.

Figura 21 Instalación de hidroacumulador 1

Figura 22 Instalación de hidroacumulador 2


Figura 23 Sistemas de conducción y decantación 1

Figura 24 Sistemas de conducción y decantación 2



Distribución de agua

Si el agua acumulada en el hidroacumulador, no puede ser distribuida por gravedad, se debe instalar un sistema fotovoltaico con un kit de bombeo, las especificaciones técnicas del sistema dependen del tamaño de la bomba y las necesidades del beneficiario.

Cierre Perimetral

El cierre perimetral se realiza por lo menos a 1 m del área de captación, prmitiendo el transito de una persona por el perímetro. Se recomienda instalar polines de 3” o 4” a una distancia máxima entre ellos de 2,5 m, se debe instalar una puerta para permitir el acceso. Finalmente se instala una malla galvanizada o alambre púas para cerrar el cerco.

Figura 25 Sistema Fotovoltaico 1

Figura 26 Sistema Fotovoltaico 2


Figura 27 Cierre perimetral 1




Florida, Captación de Techo

Preparación del terreno

Se deben realizar labores de limpieza, remoción de tierra y aplanamiento para la instalación del hidroacumulador.

Área de Captación de Techo

El área de captación en Florida fue de techumbre. En este sistema el agua es captada por techos de una o más aguas siendo conducida por canaletas de PVC y otros materiales necesarios para su instalación.

Figura 29 Preparación de terreno 1Figura 31 Instalación de canaletas 1

Figura 32 Instalación de canaletas 2

Figura 30 Preparación de terreno 2




Área de Acumulación

Para la instalación del hidroacumulador, el terreno debe estar completamente nivelado, limpio y compactado, con el objetivo de que al llenarse de agua, no sufra deslizamientos o deformaciones.

Sistemas de Conducción

Al igual que el sistema de captación de ladera, el sistema de conducción se realiza mediante tuberias de PVC de 110 mm, permitiendo una adecuada salida del agua. Estas tuberías, en lo posible deben ir bajo tierra para evitar manipulación de terceros.


Figura 33 Instalación de Hidroacumulador 1

Figura 34 Instalación de Hidroacumulador 2

Figura 35 Sistema de conducción 1

Figura 36 Sistema de conducción 1



Distribución de agua

Se debe instalar un sistema fotovoltáico con un kit de bombeo, las especificaciones técnicas del sistema dependen del tamaño de la bomba y las necesidades del beneficiario.

Cierre Perimetral

El cierre perimetral debe cumplir las mismas características que el descrito en el sistema de captación de ladera.

Figura 37 Sistema fotovoltáico y Kit de bombeo 1

Figura 38 Sistema fotovoltáico y Kit de bombeo 2






Figura 41 Sistema de captación y Acumulación de agua de Ladera, Portezuelo

Figura 42 Sistema de captación y Acumulación de agua de Techo, Florida


CAPÍTULO 5MANUAL

PLATAFORMA “SISTEMA DE

CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS

(SCALL)”

CAPÍTULO 5 PLATAFORMA “SISTEMA DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS (SCALL) / 47

5.1 Navegación Plataforma

A - ¿Qué debo tener en mi computador para acceder a la plataforma “Sistema de Captación de Aguas Lluvias (SCALL)”?

SISTEMA DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS (SCALL)

B - ¿Cuál es la dirección a la que me debo conectar?

- Para conectarse a la plataforma “Sistema de Captación de Aguas Lluvias (SCALL)”, debe ingresar a:

Necesita poseer:

- Un computador con acceso seguro a Internet. Se recomienda un acceso a Internet con una velocidad mínima de 128 Kbps.

- Un navegador de Internet: Internet Explorer o Google Chrome.- Adobe Acrobat Reader versión 8 o superior o un software compatible, que permita la apertura, despliegue e impresión de documentos en formato PDF.

http://www.aguaslluvia.cl

A - Registro de usuario.

- Clic en ingresar a la aplicación

5.2 Ingreso al sitio

Informacion requerida:

- Debe registrar su Nombre (nombre y al menos un apellido).- Email o correo electrónico.- Institución, completar el nombre de esta que puede ser universidad, municipio, empresa u otra.

- Motivo de la Consulta, se despliegan para seleccionar las alternativas: Académica; Consultoría Privada; Consultoría Pública; Búsqueda de Información.

48 / CAPÍTULO 5 PLATAFORMA “SISTEMA DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS (SCALL)

B - Ingreso al área de trabajo.

- Ingresar coordenadas UTM de Latitud y Longitud del lugar a ejecutar la obra

CAPÍTULO 5 PLATAFORMA “SISTEMA DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS (SCALL) / 49 50 / CAPÍTULO 5 PLATAFORMA “SISTEMA DE CAPTACIÓN DE AGUAS LLUVIAS (SCALL)

A - Si la estación, como es el caso de la estación Laja en Tucapel, no cumple con la exigencia de data pluviométrica de 15 años al menos (Laja Tucapel tiene 14 años de estadísticas), seleccione la sugerencia de la Plataforma como se ve en la figura.

5.3 Pasos de cálculo

Ingresadas las coordenadas UTM de Latitud y Longitud del lugar a ejecutar la obra obtendrá la estación de referencia, en el ejemplo la estación Laja en Tucapel.


B - Paso 1

Se informa al usuario del modelo de distribución de probabilidad al que se ajustan los datos de precipitación anual, que en este caso es la función de modelamiento Gumbel, a una probabilidad de excedencia de 90 % y una precipitación de diseño que la plataforma calcula de acuerdo a la probabilidad de excedencia. Sobre estos operadores se entiende que son meramente explicativos para el usuario y están predefinidos por la condición geográfica de la región del Bio Bio y, por tanto el usuario no selecciona los parámetros, solo se describen para que tenga los argumentos científico – técnicos del proyecto de solución de agua que va a elaborar.


C - Paso 2

Se debe seleccionar la materialidad con la que se ha resuelto desarrollar el proyecto Scall: hormigón o geomembrana.


D - Paso 3

Se debe establecer la dimensión en consecuencia a paso anterior en que se seleccionó trabajar con hormigón o geomembrana.


E - Paso 4

Se obtienen los parámetros de resultado, de acuerdo a la materialidad seleccionada.


F - Paso 5

Cubicación de Hormigón Cubicación de Geomembrana

permite obtener la cubicación o cuantificación de cantidades de materiales que el usuario puede considerar para el presupuesto o conjunto de partidas de la obra constructiva de acuerdo a la materialidad seleccionada.Para el caso del hormigón se señala la dosificación según la NCh que norma estas especificaciones constructivas.


Obtenida la cubicación de materiales existe la opción de descargar la información en formato PDF para copiar los datos en la memoria de cálculo del proyecto constructivo.

Una vez terminado el cálculo establecido para nuestro proyecto, podemos volver a realizar nuevos cálculos cliqueando en el extremo superior derecho, ver figura.

G - Paso 5

H - Paso 5

Descargar cubicación

RECOMENDACIONES / 57

RECOMENDACIONES

Desarrollado este proyecto, se han podido establecer algunos criterios para la construcción de sistemas de captación de aguas lluvias a nivel territorial. Un primer elemento que se debe reconocer son las singularidades geográficas, especialmente en una región como la del Biobío y Ñuble, debido a la gran diferencia que existe en los montos de precipitación entre las comunas en estudio, ya que de esto dependieron las dimensiones de las obras construidas.

Un segundo aspecto importante de destacar, es que se hace necesario establecer los mínimos diseños de ingeniería que aseguren un abastecimiento de agua. Para ello fue escencial realizar un análisis de la precipitación de cada uno de los lugares y con una probabilidad de diseño de lluvia del 10%. Esto con el fin de asegurar que la obra disponga de agua en 9 de cada 10 años, como un objetivo mínimo a alcanzar.

Otro aspecto que fue necesario definir con claridad, es el uso que se le iba a dar al agua, en virtud de lo cuál se debieron establecer los estándares mínimos, en la calidad del recurso hídrico a recolectar y mantener. Por ejemplo, no es lo mismo recolectar agua para el control y minimización del impacto de incendios forestales, que para uso doméstico, y ello habla de exigencias diversas.

Por otro lado, si se quiere considerar a estas obras como reemplazo de los camiones aljibes, que son los encargados de abastecer de agua a la población rural en la época estival, se tienen que incorporar métodos de ingeniería de transportes. Ello porque primeramente, debería definirse que la construcción de Scall abarque

primariamente las zonas más alejadas, para de esta forma reducir drásticamente el recorrido de los camiones aljibes.

En relación con los materiales utilizados en la construcción de estas obras, el que mejor se comporta es la geomembrana, debido a que pierde menor cantidad de agua al escurrir y porque es de fácil limpieza, comparado con el área de captación de techumbre. Por otro lado, para acumular agua se utilizaron estanques flexibles, que tienen una excelente adaptación a distintas temperaturas que puedan afectar la zona.

El desarrollo de la Plataforma, se concretó a través de metodologías ágiles con el objetivo de ser una herramienta escencial para el diseño de las obras de captación de agua, entregando un análisis hidrológico y una cubicación aproximada de las obras. Todo esto, según el lugar geografico, donde se pretenda llevar a cabo laconstrucción de los captadores de agua.

Para acceder a más información de la plataforma, se debe ingresar a la pagina web www.aguaslluvia.cl, que se encuentra dispuesta, tanto para fomentos productivos, prodesales y pequeños y medianos empresarios del rubro agroalimentario de las comunas de la Regiones del Biobío y Ñuble.

58 / CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

El desarrollo de una plataforma, que permita generar un diseño de captadores de aguas lluvias, es una práctica innovadora para las regiones del Biobío y Ñuble, y busca convertirse en una herramienta indispensable para los agricultores de la zona, al igual que para los distintos departamentos municipales ligados al desarrollo regional.

En términos de diseño y construcción de las obras, es necesario mencionar que mediante el desarrollo del presente proyecto, se pudieron establecer algunos criterios para la fabricación de las obras a nivel territorial. Un primer elemento, es que se deben reconocer las singularidades geográficas de las regiones del Biobío y Ñuble, debido a la diferencia que existe en los montos de precipitación en las comunas beneficiadas con la ejecución de este proyecto, ya que de esto dependieron las dimensiones de cada una de las obras construidas.

Previo a la construcción de un Captador de Agua Lluvia, es necesario establecer los mínimos diseños de ingeniería que aseguren un abastecimiento de agua. Para ello es necesario realizar un análisis de la precipitación que cae en el lugar y con una probabilidad de diseño de lluvia del 10%, con lo cuál se asegura que la obra disponga de agua en 9 de cada 10 años, como un objetivo mínimo a alcanzar.

Así, el uso de esta tecnología, capturando los volúmenes de agua para los que fueron diseñadas las obras, debe ser parte de un sistema más integral, complementándose con otras fuentes de agua (vertientes, pozos, norias, etc.), de modo de proporcionar los volúmenes necesarios de agua para riego a los sistemas productivos familiares.

Este proyecto buscó aumentar la oferta de agua con el proposito de satisfacer los distintos sistemas productivos de la pequeña agricultura del secano, aumentando los vólumenes de producción por mayor volumen de agua, asegurando así, mercados competitivos de mayor rentabilidad.

BIBLIOGRAFÍA / 59

BIBLIOGRAFÍA

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INIA. 2019. Boletín Nacional de Análisis de Riesgos Agroclimáticos para las Principales especies Frutales y Cultivos, y la Ganadería, Octubre 2019, Región de Biobío, Chile.

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60 / BIBLIOGRAFÍA

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Documents

MANUAL PLATAFORMA DE SISTEMAS DE ...scalls.ditecchile.com/.../uploads/2020/06/scall_manual.pdfManual Sistemas de captación y acumulación de aguas lluvias / Introducción / 09 INTRODUCCIÓN