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1. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO PROGRAMA DE MAESTRIA Y DOCTORADO EN INGENIERIA CARACTERIZACIÓN DEL AGUA DE LLUVIA CAPTADA EN UNA EDIFICACIÓN PARA SU…
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  • 1. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO PROGRAMA DE MAESTRIA Y DOCTORADO EN INGENIERIA CARACTERIZACIÓN DEL AGUA DE LLUVIA CAPTADA EN UNA EDIFICACIÓN PARA SU APROVECHAMIENTO CON FINES DE SUSTENTABILIDAD HÍDRICA T E S I S QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE: MAESTRA EN INGENIERIA INGENIERIA AMBIENTAL - AGUA P R E S E N T A : BEATRIZ GARCIA VILLEGAS TUTOR: DR. PEDRO MARTINEZ PEREDA ENERO 2013
  • 2. JURADO ASIGNADO: Presidente: Dr. Humberto Bravo Álvarez Secretario: Dr. Enrique Cesar Valdez Vocal: Dr. Pedro Martínez Pereda 1er. Suplente: Dr. Oscar González Barceló 2do . Suplente: Dra. Sofía E. Garrido Hoyos FACULTAD DE INGENIERÍA TUTOR DE TESIS: DR. PEDRO MARTINEZ PEREDA __________________________ FIRMA
  • 3. AGRADECIMIENTOS A la Universidad Nacional Autónoma de México por mi formación académica A la Facultad de Ingeniería por permitirme cursar el Posgrado en Ingeniería Ambiental Al pueblo de México que por medio de CONACyT me apoyo económicamente durante esta investigación Mi sincero agradecimiento al Centro de Ciencias de la Atmósfera de la UNAM y en particular al Laboratorio de Contaminación Atmosférica por el apoyo incondicional en el análisis químico de las muestras a cargo de la M. Ana Luisa Talarcon. Agradezco a los miembros del jurado: Dra. Sofía E. Garrido Hoyos Dr. Pedro Martínez Pereda Dr. Humberto Bravo Álvarez Dr. Oscar González Barceló Dr. Enrique Cesar Valdez Por el tiempo dedicado en la revisión de esta tesis, así como por sus correcciones y sus valiosas sugerencias, las cuales contribuyeron sin duda a mejorar la calidad de este trabajo. Este trabajo se lo dedico de corazón y con mucho amor a mi familia gracias por su apoyo y todo su amor, a mis amigos TODOS porque estuvieron conmigo apoyándome siempre, los quiero mucho.
  • 4. CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN 1 1.1 Planteamiento del problema 2 1.2 Hipótesis 5 1.3 Objetivo general 5 1.3.1 Objetivos específicos 5 1.4 Alcances del trabajo de investigación 5 CAPÍTULO II MARCO TEORICO 6 2.1 Antecedentes de la captación de agua pluvial 7 2.2 Componentes del sistema de captación 10 2.2.1 Área de captación 23 2.2.2 Sistema de conducción 25 2.2.3 Almacenamiento 25 2.2.4 Tratamiento de agua de lluvia 26 CAPÍTULO III LAS EDIFICACIONES VERDES O SUSTENTABLES 29 EN EL RUBRO DE AGUA 3.1 La sustentabilidad en el mundo 29 3.2 El proceso de sustentabilidad en México 31 3.3 La importancia de la sustentabilidad en la ciudad de México 33 CAPÍTULO IV ZONA DE ESTUDIO, CARACTERÍSTICAS ATMOSFÉRICAS E HIDROLÓGICAS 36 4.1 Características Atmosféricas del sitio 36 4.2 Distribución temporal y espacial de la contaminación del aire 39 4.3 Contaminantes de la fuente 40 4.3.1 Acidez de las precipitaciones 40 4.3.2 Dióxido de azufre SO2 43 4.3.3 Óxidos de nitrógeno NOx 45 4.3.4 Emisión de metales a la atmósfera 47 4.4 Características hidrológicas del sitio 48
  • 5. 4.4.1 Exportación del agua de la cuenca 48 4.4.2 Sobreexplotación de los acuíferos de la cuenca 49 4.4.3 Importación de agua de cuencas externas 50 4.4.4 Desalojo hídrico 51 4.4.5 Precipitación 52 CAPÍTULO V METODOLOGÍA 55 5.1 Ubicación de sitio de muestreo 55 5.2 Muestreo 55 5.3 Número de muestras 57 5.4 Metodología utilizada en la toma de muestra 57 5.5 Preservación de la muestra 58 5.6 Determinación de los parámetros físico-químicos de calidad del agua de lluvia 60 5.7 Caracterización del agua de lluvia 60 5.7.1 Parámetros físicos 60 5.7.2 Parámetros químicos 63 5.7.3 Parámetros bacteriológicos 66 CAPÍTULO VI RESULTADOS Y ANÁLISIS 68 6.1 Parámetros Físicos 68 6.2 Parámetros Químicos 70 6.3 Parámetros Bacteriológicos 75 CAPÍTULO VII BALANCE HIDRÁULICO 77 7.1 Por medición de volúmenes 77 7.2 A partir de la dotación de agua 78 7.3 A partir de la captación de agua pluvial 79 CONCLUSIONES 81 RECOMENDACIONES 83 BIBLIOGRAFÍA 84
  • 6. LISTA DE FIGURAS Figura 1 “La Domus” y sus componentes del sistema de captación de agua de lluvia. (IICA, 1998) 8 Figura 2 Vista en planta del sistema de recoleccion de “la Domus” (Gallardo- Cornejo). 9 Figura 3 Izquierda, Zona arqueológica de Xochicalco. Derecha, Cisterna construida con piedra para almacenamiento de agua de lluvia (Garrido, 2006). 10 Figura 4 Sistemas de captación “La Domus” (a la izquierda), “un ejemplo actual” (a la derecha). 11 Figura 5 El área de captación y sus diferentes usos de acuerdo a la calidad del agua de lluvia. 12 Figura 6 Canaletas utilizadas en la captación del agua de lluvia sin alterar el diseño arquitectónico de la estructura. 13 Figura 7 Filtro Filtro rainus de 3P Technik, partes del filtro y su funcionamiento. 15 Figura 8. Canalización temporal de primeros escurrimientos (rain-harvesting, Magnemart). 16 Figura 9 Adaptado de Michael Pidwirry, Physical Geography.net – Fundamentals of Physical Geography. 26 Figura 10 Distribución temporal de los contaminantes atmosféricos en la Ciudad de México. 27 Figura 11 Comportamiento espacial del pH en muestras de depósito húmedo. 29 Figura 12 Concentraciones de registradas en las estaciones de monitoreo atmosférico. 30 Figura 13 Distribución espacial del depósito total de sulfatos en el depósito húmedo para los años 2004 a 2009. 31 Figura 14 Concentraciones de registradas en las estaciones de monitoreo atmosférico. 32 Figura 15 Distribución espacial del depósito total de nitrato en el depósito húmedo para los años 2004 a 2009. 33
  • 7. Figura 16 “Sistema hidrológico de Valle de México” Organismo de la Cuenca del Valle de México, CONAGUA. 38 Figura 17. Mapa de distribución de la precipitación acumulada en la ZMVM durante el año 2005. 40 Figura 18 Estadística Geografía e Informática 2009; Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente et al., 2003; Secretaría del Medio Ambiente, 2000. 41 Figura 19 Edificio de Posgrado "Bernardo Quintana Arrioja" (Google maps). 42 Figura 20 Diagrama de la recolección de la muestra a partir del sistema acondicionado a la bajada de agua pluvial. 45 Figura 21 Adaptación creada para la toma de muestras de agua de lluvia del proyecto de tesis. 44 Figura 22 Toma de muestra y protocolo de preservación de la misma. 46 Figura 23 Comportamiento de sólidos disueltos a lo largo del proyecto. 55 Figura 24 Comportamiento del pH en las muestras. 56 Figura 25 Equipo de cromatografía del Centro de Ciencias de la Atmósfera en donde se lleva a cabo el análisis de las muestras HPLC. 57 Figura 26 Comportamiento de los aniones presentes en las muestras. 58 Figura 27 Comportamiento de los cationes en las muestras. 59 Figura 28 Espectrofotómetro de Absorción Atómica (GBC AVANTA Σ). 60 Figura 29 Placas incubadas para su análisis microbiolígico posterior a 24 horas. 62 Figura 30 Charola o placa de experimentación con la muestra bajo luz ultravioleta. 63 Figura 31 Balance hidráulico 64
  • 8. LISTA DE TABLAS Tabla 1 Déficit de aguas subterráneas y volumen concesionado. 36 Tabla 2 Periodo de muestreo del proyecto, del mes de julio a septiembre de 2011. 43 Tabla 3 Resultados obtenidos de análisis de metales pesados. 61 Tabla 4 Valores máximos recomendados por la OMS y valores máximos permitidos en diez países de América (mg/l). 62 Tabla 5 Dotación mínima de agua potable para edificaciones educativas 65 Tabla 6 Estimación de la captación de agua pluvial, para la sustitución de agua potable en temporada de lluvias 66
  • 9. CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN El agua se ha considerado desde siempre como un derecho humano fundamental, es uno de los recursos naturales más importantes que se relaciona directamente con la calidad de vida de la población y es determinante para el funcionamiento del sistema económico. Sin embargo, al comenzar este milenio, la mitad de la humanidad reside en ciudades y metrópolis y un tercio de la población urbana, vive sin servicios sanitarios u otros servicios básicos adecuados. Las ciudades son centros de oportunidad, pero cuando carecen de agua limpia, servicios sanitarios y servicios básicos aceptables, se encuentran en los entornos peligrosos, amenazando la vida misma de sus habitantes ( Kajumulo, 2003). Desde las primeras ciudades hasta nuestros días, el crecimiento poblacional ha sido progresivo y al relacionarlo con la delimitación geográfica toma relevancia el concepto de sustentabilidad. Díaz (2007), señala que la concepción de sustentabilidad está estrechamente vinculada al concepto de supervivencia que Thomas Malthus identificó como capacidad de carga de los ecosistemas. En este contexto la ecología y sus aportaciones señalan que el ser humano ha traspasado los límites de la naturaleza por la sobrevivencia; en este proceso, uno de los papeles más importantes lo ha desarrollado el recurso agua; bajo este marco, se señala que el concepto de sustentabilidad está basado en la disponibilidad del agua, donde este factor actúa como un regulador de la ocupación territorial de las poblaciones (Díaz, 2007). La disponibilidad de agua depende de las condiciones que presente el ciclo hidrológico y de la velocidad con que son extraídos para cubrir los requerimientos de las actividades económicas y de la población, por lo que para garantizar su preservación es necesario realizar una gestión racional e integral del agua. La gestión integral del recurso tiene como base natural un sistema de límites geográficos denominado cuenca hidrológica, en la que se ubica el caudal de los cuerpos de agua superficiales y los acuíferos. La presencia de agua en una cuenca depende de las lluvias y de lo que se disponga de su entorno para la recarga de acuíferos para mantener la disponibilidad
  • 10. del agua que asegure los procesos productivos y consumo básico de la población (Padrón y Cantú, 2009). El informe de Naciones Unidas in the Hábitat sobre agua y servicios sanitarios en las ciudades del mundo (Water and Sanitation in the World´s Cities) calcula que hasta 150 millones de residentes urbanos en Africa, (50% de la población urbana) carecen de adecuado suministro de agua, mientras 180 millones (60%) carecen de servicios sanitarios adecuados. En las zonas urbanas de Asia, 700 millones de habitantes (la mitad de la población) carecen de agua adecuada, mientras 800 millones de habitantes (aproximadamente un 60%) no disponen de servicios sanitarios adecuados. En América Latina y el Caribe, las cifras correspondientes son 120 millones y 150 millones de residentes urbanos, lo cual representa 30% y 40% de la población urbana, respectivamente (Water and Sanitation in the World´s Cities, 2003). México se encuentra con problemas de esta índole, por razones históricas y políticas es un país muy centralizado, por ejemplo: en la Ciudad de México se localiza el 45% de la actividad industrial nacional y junto con la zona conurbada, se concentra el 20% de la población del país (Water and Sanitation IN THE Word´s Cities, 2003). La ciudad capital, el Distrito Federal alberga casi todas las oficinas de gobierno, los centros de negocios nacionales e internacionales, actividades culturales, universidades e institutos de investigación y salud más importantes del país (Sistema de Aguas de la Ciudad de México, 2007). Por tal motivo, la Ciudad de México es un caso paradójico, citado por muchos expertos. Una ciudad construida sobre cinco grandes lagos, donde la precipitación anual excede los 750 mm, causando inundaciones y encharcamientos frecuentes, pero que al mismo tiempo sufre una severa escasez, con al menos 1 millón de personas sin acceso regular a agua entubada (Adler I, 2005). 1.1 Planteamiento del problema El Valle de México es una cuenca cerrada. Se han construido obras costosas para desalojar las aguas residuales y de lluvia en un sistema de drenaje que es común para ambas descargas. Originalmente, los escurrimientos pluviales iban a concentrarse a los lagos del Valle pero en la medida que éstos han sido ocupados por el área urbana, se ha vuelto necesario desalojar tanto
  • 11. el agua de lluvia como la residual fuera de la ciudad para evitar inundaciones (Sistema de Aguas de la Ciudad de México, 2007). La Ciudad de México se localiza en una Cuenca cerrada a una altitud de 2,220 metros sobre el nivel del mar, a lo largo de los años las fuentes de abastecimiento subterráneas y superficiales se agotan cada día a una velocidad descontrolada, por tal motivo, se han creado fuentes alternas de abastecimiento, tal es el caso del Sistema Cutzamala, el cual hoy aporta casi el 30% del agua que abastece a la ciudad, dichas fuentes requieren de un alto costo de funcionamiento, además de generar problemas sociales ya ocurridos por la oposición de los habitantes del origen de la fuente. Una propuesta para satisfacer parte de la demanda de agua en la ciudad es la captación de agua de lluvia. Esta alternativa resulta ser sustentable ya que no se explota ningún cuerpo de agua (ecológicamente factible), no interfiere en el abasto para otra localidad (socialmente viable) y solo requiere contar con un sistema de captación y el tratamiento, a la largo plazo, puede ser económicamente factible. La propuesta es una alternativa, aunque se tiene la incógnita al no saber si es una desventaja es su composición química debido a la contaminación atmosférica, ya que la precipitación pluvial realiza el lavado atmosférico y ésta contiene diversos contaminantes; el estudio de la composición química del agua de lluvia en las áreas urbanas es una herramienta para estimar el grado de contaminación que existe en ésta y determinar si cubre los lineamientos para ser utilizada en actividades de uso directo. La lluvia es un mecanismo natural de limpieza debido a la remoción de compuestos atmosféricos solubles y junto con la deposición seca, son los únicos mecanismos que retiran en forma definitiva los gases y partículas de la atmósfera. El agua de lluvia es ligeramente acida con un pH de 5.6 debido a la presencia de bióxido de carbono (CO2) disuelto en el aire, su composición se ve afectada debido a la presencia de dióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx) emitidos de diversas fuentes, los cuales interactúan con la radiación solar, la humedad atmosférica y la lluvia; estos gases reaccionan formando ácido sulfúrico ( H2SO4) y ácido nítrico (HNO3), los cuales son transportados a grandes distancias de sus fuentes de emisión, generando en algunas áreas la presencia de la llamada lluvia ácida (García, 2007).
  • 12. De igual manera, la evacuación de las aguas residuales generadas ha rebasado la capacidad del sistema de evacuación principalmente en temporada de lluvias, debido a que el drenaje de la Ciudad es combinado. Sin embargo, no son los únicos problemas que enfrenta la cuenca, los problemas atmosféricos se agravan por la falta de dispersión de los gases generados por la contaminación tales como dióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx), cuya fuente principal es la industria que se encuentra ubicada al norte de la Ciudad de México y que debido a los vientos dominantes son arrastrados al sur de la Ciudad. La importancia de generar de nuevos conocimientos, por medio de este tipo de estudios con e objetivo de obtener información que evalúe en cuanto a su concentración, características químicas y físicas que permita crear un marco de referencias para el uso adecuado del agua de lluvia sin que genere problemas tanto sociales como de salud en el ser humano.
  • 13. 1.2 Hipótesis La captación de agua de lluvia puede ser una fuente alterna para el abastecimiento en época de lluvia en sitios donde el suministro no es continuo o en aquellas edificaciones que buscan la sustentabilidad hídrica en sus instituciones. 1.2 Objetivo General Cuantificar y caracterizar el agua de lluvia en el Edificio de la Secretaria de Posgrado e Investigación de la Facultad de Ingeniería en Ciudad Universitaria, Ciudad de México; para determinar la factibilidad de captación de agua pluvial para su aprovechamiento dentro de la edificación, a partir de un análisis químico que indicará el grado de contaminación que ésta presenta. 1.4 Objetivos específicos  Obtener la caracterización del agua de lluvia captada en el edificio de Posgrado de la Facultad de Ingeniería.  Se analizar la calidad del agua de lluvia con fines de aprovechamiento como agua para contacto directo con el ser humano.  Realizar el balance hídrico en el edificio para estimar el ahorro de agua potable con la sustitución de agua de lluvia. 1.4 Alcances  Caracterizar el agua de lluvia en el edificio de la Sección de Posgrado e Investigación de Ingeniería por medio de la medición de los aniones y cationes ( , , , , , , ), pH, coliformes fecales, sólidos disueltos totales y iones metálicos (Cr, Cd, Pb, Al, Fe, Mn ).  Realizar un muestreo del agua de lluvia colectada de la azotea por medio de un muestreador adaptado a las bajadas del edificio.
  • 14. CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO LA CAPTACIÓN DE AGUA PLUVIAL Desde los inicios de la civilización, los seres humanos han desarrollado sus sociedades en torno a las aguas superficiales disponibles de la zona, utilizándolas como medio de transporte, consumo y demás actividades. La alta disponibilidad de aguas superficiales siempre limitó los usos del agua de lluvia, siendo indispensable únicamente en la agricultura. Pero debido al gran crecimiento demográfico, muchas civilizaciones se vieron obligadas a ocupar regiones de baja o nula disponibilidad de aguas superficiales (zonas áridas y semiáridas), en donde el aprovechamiento de agua de lluvia para los usos domésticos se vuelve una necesidad. Es así como desarrollaron mecanismos de almacenamiento de agua de lluvia que hoy son encontrados en los rescates arqueológicos que datan de 4000 años a.C, y que demuestran la alta importancia que tenía su aprovechamiento en siglos pasados, como por ejemplo los hallazgos en Israel, Jordania, Yemen, Roma, China, Irán, y algunas culturas indígenas de Centroamérica. Todas estas experiencias coincidían en dirigir las aguas de escorrentía, de patios y techos hacia lugares de almacenamiento para luego ser aprovechadas en la agricultura y en usos domésticos. (FAO), (Ballén y Galarza y Ortiz, ). En la actualidad, muchas de esas prácticas siguen siendo utilizadas, en especial en regiones áridas o semiáridas, y su principal función es el almacenamiento del agua de lluvia para usos agrícolas y domésticos.
  • 15. 2.1 Antecedentes de la captación de agua pluvial Cuando las civilizaciones crecieron demográficamente y algunos pueblos ocuparon zonas áridas o semiáridas del planeta, el desarrollo de formas de captación de agua de lluvia comenzó como alternativa para el riego de cultivos y el consumo doméstico. En el Oriente, actual Jericó, antes del surgimiento de las primeras ciudades en el período, anterior a 8000 a 4000 a.c., en el Valle del Río Jordán se establecieron grandes comunidades para desarrollar una arquitectura en sus construcciones de piedra. En estos primeros sitios habitados estuvo el origen del trigo y la cebada, cuya característica fue el crítico indíce de precipitación de 300 mm/año, justo lo necesario para la agricultura, aunque menos fueron las planicies aluviales y oasis donde era posible el establecimiento de cultivos. Pero el área cultivada del Oriente estuvo restringida a la presencia de lluvias y nacimientos de agua natural (UNEP, 2000). Arqueólogos encontraron un sofisticado sistema de colección y almacenaje de aguas de lluvia en la isla de Creta, mientras trabajaban en la reconstrucción del Palacio de Knossos (1700 a.c.). En Yemen donde las lluvias son escasas, se encuentran edificaciones (templos y sitios de oración) que fueron construidas antes del año 1.000 a.c., que cuentan con patios y terrazas utilizadas para captar y almacenar agua de lluvia (Ballen S, et al; 2006). En el desierto de Negev, Israel, en cuyas laderas se colectaba y conducía la escasa precipitación de los pequeños lomeríos hasta un recipiente construido con arcilla, el cual funcionaba como filtro de basuras y sedimentos que el agua arrastraba a su paso; posteriormente el líquido caía en cisternas de capaci
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