Conducción por gravedad

Los sistemas de conducción de agua por gravedad son frecuentes alrededor del mundo para transportar el agua de un lugar a otro sin uso de bombas ni energía externa o adicional.  Es un proceso bastante simple, pero puede complicarse en la fase de diseño por ciertos factores como: la distancia que debe recorrer el agua hasta llegar a su punto de destino; la pendiente que determina la rapidez y la facilidad con la que fluye el agua; el tamaño de las tuberías que se utilizan; el tipo de terreno; etc.

De forma sencilla, el agua cae por su propio peso desde la desde la captación (de manantiales; galerías filtrantes; y, de ríos, lagos y embalses) hasta el tanque de almacenamiento, ya sea a través de conductos cerrados (tuberías) o por canales abiertos. En estos últimos, puede haber riesgo de contaminación del agua durante su recorrido hasta que llega a la planta de tratamiento donde se trata con el fin de hacerla apta para el consumo humano (CARE PERÚ 2001; GARCIA 2009).

Una de las características básicas de la conducción por gravedad tiene que ver con que la elevación del agua en la fuente de abastecimiento sea mayor a la altura que hay en el punto de entrega del agua, ya que la diferencia de energías disponible posibilita su transporte. En otras palabras, se hace uso de la topografía existente de manera que la conducción se lleve a cabo sin necesidad de bombeo y se alcance un nivel aceptable de presión (CONAGUA s.f.).

Un sistema de captación por gravedad está conformado por tuberías, cámaras reductoras de presión, válvulas de aire y de purga, otros accesorios y obras complementarias (AGÜERO 1997; GARCÍA 2013; GIZ 2017). Las tuberías normalmente siguen el perfil del terreno, salvo el caso de que existan zonas rocosas insalvables, cruces de quebradas, terrenos erosionables, etc. que requieran de estructuras especiales (AGÜERO 1997). En aquellos lugares donde haya más de 50 m de desnivel del terreno, se necesitan instalar cámaras rompe carga o presión que regulan la presión que lleva el agua evitando problemas en las tuberías o estructuras. Igualmente, se pueden formar bolsas de aire que se acumulan en las tuberías en las zonas altas cuando el terreno es muy accidentado, por lo que se ha de disponer de válvulas de aire para evacuar el aire retenido. Por otro lado, en los puntos más bajos hay riesgo de acumulación de sedimentos o arenilla, por lo que se deben colocar válvulas de purga o de limpieza. Tanto el aire acumulado como el barro o arenilla traen como consecuencia una reducción de la cantidad de agua que circula en el sistema y, por lo tanto, un pobre funcionamiento del mismo (AGÜERO 1997; CARE PERU 2001; USAID 2016).

La conducción de agua por gravedad, se clasifica en dos tipos de sistemas de flujo: libre y a presión. En el primero, la presión corresponde a la del aire o la presión atmosférica y el agua conducida por el sistema está en contacto con el aire por lo que su flujo es libre. Este es característico de canales abiertos o, incluso, tuberías que trabajan sin estar completamente llenas (trabajan a un caudal menor al máximo) pero con permanente movimiento de agua. Es la más fácil de operar porque no necesita reguladores de presión ni infraestructuras de control, siendo un sistema sencillo y económico, requiriendo de poco mantenimiento. Por estas razones, en las comunidades rurales se le da prioridad a la implementación de estos sistemas por encima de los de a presión. En estos últimos, las tuberías trabajan completamente llenas, lo que crea una presión igual o superior a la atmosférica; por ello, se requiere mantener una determinada presión en el sistema por lo que tanto ésta como el flujo de agua se regula a través de válvulas y cámaras rompe carga (GARCÍA 2013).

Antes de iniciar el diseño de la infraestructura del sistema de conducción se deben conocer los siguientes elementos:

• el caudal de agua que se transporta, que asegura las cantidades adecuadas de provisión de agua;
• las características topográficas del lugar, pasos por quebradas, el recorrido previsto de la conducción, para contabilizar las obras complementarias y accesorios necesarios;
• la distancia entre los distintos puntos del sistema para saber el metraje de tuberías o los metros de canales que se necesitarán en la construcción; y
• las pendientes o las diferencias de alturas entre los puntos del sistema, porque de ellas dependerá la velocidad que lleve el agua durante el recorrido.

Finalizada esta etapa de la búsqueda de datos, entonces hay que, por un lado, calcular el diámetro y seleccionar el material de la tubería y, por otro, determinar las obras complementarias y los accesorios que se requieren. Estos accesorios son las diferentes piezas que van incorporadas a las tuberías y sirven para unirlas, aumentar o disminuir el diámetro, regular flujo y presiones, etc. y entre las que se pueden nombrar: conexiones roscadas, codos, conexiones en T, bridas, flotantes, válvulas, uniones, entre otros (GARCÍA 2013).

Un punto importante a ser tomado en cuenta es la velocidad de flujo, para la que se recomiendan no sobrepasar unos valores mínimos de 0.30 m/s, para evitar la sedimentación de las partículas que arrastra el agua, y unos valores máximos de 3 a 5 m/s para no generar erosión en las paredes de las tuberías. No obstante, en la práctica se tiende a no llegar a dichos valores siendo los valores mínimos de 0.5 m/s y los máximos de entre 2.1 y 2.5 m/s, aunque en casos donde hay grandes desniveles se permiten velocidades máximas de hasta 3 m/s (CONAGUA, s.f.).

Las tuberías pueden ser de diferentes materiales como acero, concreto, cloruro de polivinilo (PVC), hierro galvanizado, poliéster reforzado con fibra de vidrio, entre (CONAGUA, s.f.). El diámetro mínimo para la línea de conducción debe ser de 2 pulgadas (GARCÍA 2009).

Cuando existen terrenos accidentados o con grandes desniveles son necesarios otros elementos, tales como:

• Cámaras o tanques rompe presión o rompe carga: este elemento es necesario cuando existen fuertes desniveles entre la captación y otros puntos a lo largo de la línea de conducción. Tales desniveles pueden crear presiones superiores a la máxima que una tubería puede soportar. Se sugiere instalar cámaras rompe presión cada 50 m de desnivel existente y, además, la tubería de ingreso debe estar por encima del nivel del agua (TIXE 2004a).

• Válvulas reguladoras de presión: por medio de estas válvulas se logra reducir la presión en las tuberías, protegiendo las instalaciones que se encuentran aguas abajo. Por medio de ellas se logra mantener y controlar una presión constante.  La función es la misma que la de las cámaras rompe presión, pero con la ventaja de que necesitan menos espacio para su instalación. Aunque son costosas, la tendencia parece marcar preferencia hacia este tipo de válvulas (CARE/AVINA 2012).
• Válvulas de aire o ventosas: estas dejan salir el aire que se acumula en la tubería, impidiendo que el agua siga su curso. En toda la extensión de los puntos altos de las líneas de conducción se suele acumular aire (en la parte superior de la tubería) en forma de bolsas que hace que cambie la velocidad del agua en el interior del tubo. Esto ocurre porque el aire es más liviano que el agua, permitiendo que se forme un tapón que no sólo impide su paso, sino que también deteriora la tubería (CARE/AVINA 2012; TIXE 2004a).
• Válvulas de purga: “son accesorios que permiten tanto desalojar o “purgar” el material acumulado en el interior de los tubos, como la normal circulación del agua y descargue de tubería” (CARE/AVINA 2012). Los materiales que arrastra el agua (tierra, arena, piedras, etc.) se suelen sedimentar en los puntos bajos de la línea de conducción obstruyéndola y provocando la reducción del área de flujo del agua. Estos accesorios se instalan lateralmente en tales puntos y se abren para dejar salir esos sedimentos acumulados, permitiendo que periódicamente se limpien las tuberías (CARE/AVINA 2012; TIXE 2004a).

Fomentar la participación de la comunidad en todas las actividades referidas a construcción, operación y mantenimiento de estos sistemas es muy importante, no sólo porque ellos conocen mejor la zona donde viven, sino por el aporte que sus opiniones pueden brindar y porque así se logra asegurarse que la operación de estos sistemas sea sustentable en el tiempo, tanto desde el punto de vista tecnológico como el organizativo. Como se dijo anteriormente, los sistemas de conducción que incluyen cámaras rompe presión requieren de mantenimiento periódico, por lo que en la mayoría de las obras que se realizan en comunidades rurales se tiende a priorizar los sistemas de conducción con flujo libre. En algunos casos, lo que se hace es usar estos sistemas desde la captación (de manantiales, de ríos, lagos y embalses o galerías filtrantes) hasta el tanque de almacenamiento y, a partir de allí, regular las presiones con tales cámaras (GARCÍA 2013).

La conducción por gravedad se aplica para el abastecimiento comunal por gravedad con y sin tratamiento. De los escenarios que corresponden a dichos sistemas el que es más idóneo es el de poblados de hasta 2500 habitantes, con recursos y capacidades y con disposición de agua óptima.  Por otro lado, el escenario de poblados de hasta 2500 habitantes, sin recursos ni capacidades, pero con disposición de agua óptima podría aplicar el sistema de abastecimiento comunal por gravedad con tratamiento, siempre y cuando exista por parte de las autoridades un programa de ayuda a la comunidad y se ejecute un proyecto de aprovechamiento de manantiales o aguas subterráneas en su totalidad.

Generalmente, cuando se instala o se repara una tubería, existe la posibilidad de que su interior se contamine con el suelo, el lodo, el agua presente en la zona o incluso con el material que arrastren las botas de los trabajadores. Por este motivo, es necesario que se eliminen todos estos posibles elementos contaminantes antes de volver a abastecer a la comunidad de agua. En casos donde la fuente es un manantial hay que tener mucho cuidado con letrinas o excrementos de animales cercanos al área de captación porque podrían filtrarse en el suelo y penetrar al manantial. Se recomienda desinfectar con cloro el manantial todos los días y, además, extender dicho consejo hacia las otras fuentes de agua disponibles para asegurar un suministro seguro de este recurso, en el sentido de realizar un tratamiento y desinfección continuos al agua, ya sea en el domicilio o en una instalación de tratamiento (WHO 1996). Cuando se refiere al tratamiento de agua se debe considerar el mantenimiento de todas las instalaciones presentes, porque de ello dependerá la calidad del agua que se consuma en casa. Por último, hay que tener en cuenta la calidad física, química y bacteriológica que tiene la fuente de agua que se está transportando porque con ello se tendrá la seguridad de si es necesario un tratamiento o no del agua captada.

Para evitar que se produzcan casos de contaminación del agua que se conduce por gravedad al tanque del almacenamiento se requiere que de forma periódica se revisen las instalaciones en busca de grietas o desperfectos tanto en la tubería como en los accesorios y obras complementarias. De observar que existe algún desperfecto debe arreglarse inmediatamente. Igualmente, se recomienda mantener limpios los alrededores del sistema de conducción o incluso cercar las instalaciones para evitar entrada de animales y personas.

De manera más detallada, CARE/AVINA (2012) establece las siguientes actividades de mantenimiento preventivo:

1. Mantener el área adyacente a la tubería despejada para facilitar su inspección.
2. Frecuentemente, recorrer la extensión de las tuberías para verificar su estado y detectar si hay riesgos de inestabilidad del terreno.
3. Evitar la exposición al sol de las tuberías, sobre todo si son de plástico o polietileno, porque daña su superficie, afecta su flexibilidad y las hace menos resistentes. Se recomienda cubrir la tubería siempre con al menos 60 cm de tierra por encima del lomo de la tubería.
4. Detectar fugas, filtraciones y roturas y repararlas de inmediato. Las fugas pueden producir exceso de humedad en el suelo, provocando derrumbes o asentamientos del terreno alrededor de la tubería.
5. Revisar periódicamente que las válvulas para aire o ventosas funcionen correctamente, es decir que expulsen el aire contenido en las tuberías. La válvula de conexión entre la tubería de conducción y la ventosa debe permanecer siempre abierta. Lo mismo debe ocurrir con las válvulas de purga, que se deben abrir periódicamente para dejar salir los sedimentos que se acumulan en el fondo de las tuberías. Durante esta operación, las válvulas se deben abrir y cerrar lentamente, con el fin de evitar sobrepresiones en las tuberías (golpe de ariete).
6. Verificar que el chorro en la cámara o tanque rompe presión esté sumergido.
7. Revisar periódicamente el funcionamiento de las válvulas y lubricarlas.
8. Detectar y eliminar conexiones no autorizadas.