Introducción

Aunque en algunas regiones del mundo el agua abunda, en general se torna cada vez más escasa, tanto en el aspecto cuantitativo como en calidad (^{Quispe, 2008}), tanto que hay cifras que muestran que alrededor de 1 100 millones de personas en el mundo no tienen de acceso a fuentes de agua de buena calidad.

La principal fuente aprovechable de agua dulce es el agua subterránea (^{Neri, 2009}). Desde 1940, la extracción mundial de agua ha aumentado entre 2.5% y 3% por año, en comparación con el crecimiento anual de la población que ha variado de 1.5% a 2%. Este problema ha traído consigo la explotación desmedida de muchos acuíferos.

En México, de los acuíferos se extrae aproximadamente 60% del volumen total concesionado para usos consuntivos y 106 están sobreexplotados. La mayor parte de la población rural depende de manera significativa del agua subterránea, y en algunas zonas áridas la dependencia es total (^{CONAGUA, 2012}). La situación actual del recurso hídrico en el estado de Tlaxcala, México, es crítica debido al aumento en la demanda, al abatimiento del manto acuífero y a la contaminación del agua (^{Magaña, 2006}). El municipio de Calpulalpan depende totalmente del agua subterránea.

Se propone la captación del agua de lluvia como una alternativa para hacer frente al problema de abastecimiento de agua y para reducir la explotación de los acuíferos. El objetivo de esta investigación fue diseñar tres sistemas de captación y aprovechamiento pluvial, uno para destinar el agua a consumo humano en una escuela de 1 000 usuarios (as), otro para uso potable en un hogar de cuatro integrantes y; un tercer sistema, para el riego de un invernadero de Stevia revaudiana de media hectárea. La hipótesis planteada es que la captación del agua de lluvia para destinarla a consumo humano, uso doméstico y riego, resulta económicamente viable.

La región de estudio se ubica en la parte noroeste del estado de Tlaxcala (19° 38’ y 19° 27’ latitud norte, y 98° 25’ y 98° 42’ longitud oeste) (^{INEGI, 2009}), en la localidad de Calpulalpan. La metodología consistió de un análisis de los datos de precipitación y del diseño de los sistemas. Los datos de precipitación fueron tomados del registro de la estación climatológica 29035 Calpulalpan, por ser la estación actualmente operando más cercana al sitio de estudio. Los datos faltantes se estimaron con el método US. National Weather Service (^{Aparicio, 2010}).

La precipitación registrada puede ajustarse a una función de distribución, lo que permite conocer la probabilidad de lluvia. De acuerdo con ^{Aparicio (2010)}, las funciones de distribución de probabilidad más usadas en hidrología aplicada son la Normal, Log-Normal, Pearson y Gumbel. Para elegir la distribución a la que mejor se ajustan los datos de precipitación se emplean las pruebas de bondad de ajuste. En el presente trabajo se emplearon la prueba de Kolmogorov-Smirnov, definida por ^{Aparicio (2010)} y la prueba de Smirnov, reportada por ^{Ortiz (2011)}.

Para el diseño de los sistemas, se estimó la precipitación neta de diseño a partir de la precipitación media mensual con probabilidad 75% y aplicar la siguiente expresión:

Donde: PN_j = precipitación neta del mes j (1,2,3,...,12), (mm); P_j ⁷⁵= precipitación total del mes j (1,2,3,...,12) con una probabilidad de 75%, (mm); y Ce= coeficiente de escurrimiento (adimensional).

El coeficiente de escurrimiento depende del material de la superficie de captación y los presenta ^{Anaya (2011)}. La precipitación neta de diseño es la suma de las precipitaciones probables de cada mes.

Para estimar la demanda de agua anual de uso doméstico y consumo humano, considerando un requerimiento de 100 y 1.5 litros diarios por persona, respectivamente; se multiplica el número de beneficiarios por el requerimiento de agua por día y por el número de días a cubrir la demanda. Para el cálculo de la demanda de agua en el invernadero de estevia se multiplica la lámina de riego anual por el área a regar, para este último se consideró riego por goteo con una eficiencia de 90% y un área efectiva de riego de 362 m². Para el diseño de las canaletas se propusieron rectangulares de PVC y pendiente de 2%.

Para obtener el valor de la lámina de riego se divide la evapotranspiración de cultivo (Etc) por la eficiencia de riego (Er). La evapotranspiración de cultivo (Etc) se obtiene al multiplicar la evapotranspiración de referencia (Eto) por el coeficiente de cultivo (Kc), mismo que depende de sus etapas fenológicas. Para estimar la evapotranspiración de referencia dentro de un invernadero se empleó la metodología propuesta por ^{Zamarripa et al. (2013)}.

A partir del cociente de la demanda de agua anual y la precipitación neta de diseño se determinó el área de captación requerida. Para el diseño del sistema de conducción, en primer lugar se diseñan las canaletas y para conocer el gasto que deberán ser capaces de transportar, basta con multiplicar la intensidad de precipitación por el área efectiva de captación e igualar dicho gasto al obtenido de la ecuación de continuidad, donde la velocidad del caudal se obtiene empleando la expresión de Manning y el área proponiendo las dimensiones de las secciones. Posteriormente se diseña la tubería de bajada a partir de la expresión 2, presentada por ^{Anaya (2011)}.

Donde: D= diámetro de las tuberías de bajada en m; Q= gasto que debe conducir la canaleta en (m³); v= velocidad del agua (m s^-1).

El sistema de almacenamiento es la parte del sistema de captación del agua de lluvia más costosa, por lo que su dimensionamiento debe realizarse con sumo cuidado. En el método de balance de masas se obtienen las diferencias acumuladas de las entradas (precipitación neta) y salidas (demanda mensual) y el máximo valor se toma como el volumen mínimo requerido para el sistema de almacenamiento. Para obtener el costo por metro cúbico del agua, tanto subterránea como de lluvia, se empleó la metodología presentada por ^{Cruz (2009)}, a partir de la expresión 3.

Los costos totales son la suma de los costos fijos y los costos variables, para el cálculo de los primeros se consideró que el pozo que abastece a la región opera 365 días al año 22 h diarias, extrayéndose un volumen anual de 520 344 m³. Para los costos variables se consideró un trabajador que labora todo el año con salario de $238.63, 10% del costo de equipamiento como gastos de mantenimiento, y el costo por consumo anual de energía eléctrica se obtuvo de los recibos emitidos a la Comisión de Agua Potable y Alcantarillado (CAPAM) del municipio.

Resultados y discusión

Con la función normal se obtuvo la precipitación con una probabilidad de ocurrencia 75%, y se muestra en el Cuadro 1.

Cuadro 1 Precipitación media mensual con probabilidad de ocurrencia 75% en mm. 

A partir de la información registrada en el Cuadro 1 y aplicando la ecuación 1 se obtuvo una precipitación pluvial neta total de diseño de 324.1 mm, siendo asi 50% de la precipitación media, que de acuerdo al Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informatica (^{INEGI, 2009}), es de 650 mm, lo que implica una mayor seguridad de tener el agua estimada. Se consideró un coeficiente de escurrimiento de 0.85 correspondiente a superficies de metal.

La capacidad de la cisterna se obtuvo considerando dos condiciones: una para abastecer de agua todo el año la cisterna y la otra para abastecer el agua solamente en época de lluvias. Con respecto al diseño de las canaletas el resultado fue que las dimensiones de las canaletas deben ser mínimo de 10×15 cm. Los resultados de los tres diseños de sistemas de captación del agua de lluvia se presentan en el Cuadro 2.

Cuadro 2 Resultados del diseño de los tres sistemas de captación del agua de lluvia.  

Se observa que la capacidad requerida de la cisterna es considerablemente menor cuando solo se capta y usa el agua de lluvia en época lluviosa. La captación del agua sólo en época de lluvias se recomienda cuando el sistema no se pueda construir debido a razones económicas, pues tal como lo indica ^{Palacio (2010)}, la inversión inicial de los sistemas es muy alta, lo que puede volver al sistema inaccesible.

En el Cuadro 3 se ejemplifica el cálculo de la capacidad de la cisterna para el agua destinada a consumo humano, considerando captarla y usarla únicamente en época lluviosa.

Cuadro 3 Cálculo de la capacidad de la cisterna para consumo humano.  

Para obtener el costo por metro cúbico de agua extraída del pozo el costo fijo fue de $369 881.6, el costo variable de $1 267 608.19 y el costo por consumo anual de energía eléctrica de $975 848.05. Finalmente el costo de extracción resultó de $3.15 m^-3 considerando todo el volumen extraído por el pozo; sin embargo, si sólo se considerara construir un pozo para consumo humano; es decir, extraer 300 m³ año^-1 calculados en la demanda, el costo sería de $2 199.1 m^-3. Desde luego económicamente no es viable construir y operar un pozo para extraer un volumen bajo, la comparación se hace para demostrar que la captación del agua de lluvia es una opción económicamente viable para volúmenes pequeños.

En el caso del agua extraída para riego, el volumen considerado de 1 575 m³ año^-1, el costo total resultó de $668 882.23, con un costo de $424.69 m^-3. El costo por metro cúbico del agua captada se obtuvo empleando el mismo método económico y los resultados se muestran en el Cuadro 4. Los resultados muestran que extraer agua subterránea es económicamente viable cuando se trata de volúmenes grandes lo que a su vez incide en la explotación desmedida de los acuíferos, mientras que la captación del agua de lluvia es económicamente más viable para volúmenes pequeños y como indica ^{Palacio (2010)} son proyectos que apuntan a la sostenibilidad.

Cuadro 4 Costo de los sistemas de captación y del agua por metro cúbico.  

El costo de los sistemas de captación es alto por la inversión inicial pero se compensa por el bajo costo por metro cúbico de agua.

Conclusiones

Captar el agua de lluvia resulta más económico que extraer el agua del subsuelo cuando se trata de volúmenes relativamente pequeños, entre 146 y 1 575 m³. Además de que con la lluvia del lugar es suficiente para abastecer de agua todo el año en los casos estudiados. La implementación de sistemas de captación del agua de lluvia se recomienda ampliamente.