UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BAJA CALIFORNIA FACULTAD DE INGENIERIA ARQUITECTURA Y DISEÑO Proyect
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UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BAJA CALIFORNIA FACULTAD DE INGENIERIA ARQUITECTURA Y DISEÑO
Proyecto Niebla Ingenieria Ambiental
Francisco A. Parés Olguín 11/25/2011
Ing. Porfirio Soqui Rodríguez Estudio de viabilidad de la instalación de atrapanieblas en la zona costera bajacaliforniana con fines del aprovechamiento del agua atmosférica.
Introducción y contextualización Situación México El agua es un líquido esencial para la supervivencia de todas las formas de vida existentes en nuestro planeta. Sus propiedades físicas y químicas la convierten además en un solvente universal, provocando que su contaminación y mal aprovechamiento sea más sencillo que en cualquier otra sustancia de uso común. Desde hace varios años, el gobierno a través de CONAGUA y algunas ONG como Alianza Mexicana por una Nueva Cultura del Agua han intentado crear una cultura de conciencia sobre el buen uso de este vital líquido con el propósito de evitar una crisis grave respecto a la falta de agua, pero los intentos generales no han dado los resultados esperados. (Publicación trimestral de Alternativa Ciudadana No. 21) Dentro de una clasificación mundial, México es considerado como un país con baja disponibilidad de agua, dato sorprendente pues México posee alrededor de 11,000 km. de costas y contamos con una gran cantidad de ríos, pero esto, realmente se mide por la cantidad de metros cúbicos de agua que llueve al año. Es importante recordar que un metro cúbico equivale a 1000 litros. En todo el país, llueve alrededor de 1511 kilómetros cúbicos de agua al año. Es importante hacer notar que, en general, el 67% de las precipitaciones, se presentan en tan sólo cuatro meses del año, de junio a septiembre, lo que dificulta su aprovechamiento y nos está obligando a llevar a cabo un cambio total en la infraestructura para su captación. (Semarnat, CNA. Editado en Agua.org.mx) El problema se intensifica cuando la población del país se ha cuadriplicado en los últimos 55 años, aumentando significativamente el consumo promedio de agua en todas las regiones y disminuyendo la disponibilidad per cápita del líquido, pasando ésta de 18,035 a 4,416 metros cúbicos por habitante al año. (Carmona, 2009) - Grafico 1. ^Distribución de la ocurrencia de precipitaciones anuales en México.
Situación Baja California
Baja California es uno de los estados con menos recursos hídricos de la república, predomina el clima Muy seco (69%), aunque también se encuentra el Seco (24 %). Las sierras de Juárez y San Pedro Mártir presentan un clima Templado subhúmedo y semifrío (7%). Las lluvias son muy escasas, alrededor de 200 mm de precipitación total anual. En la región noroeste del estado se encuentran los climas templado y seco con lluvias de invierno, condición muy particular, ya que en el resto del país las lluvias son en verano; esta característica ha permitido que en el clima seco con lluvia de invierno, favorezca el cultivo de vid.(INEGI,2009) Debido a la escasa precipitación la actividad agrícola es baja comparada con el resto del país, pero en la región se cultiva, algodón, trigo, aceituna, la vid, el jitomate y el ajonjolí, lo cual representa un 2.7% del producto interno bruto del estado lo que se traduce aproximadamente a 1.4 mdp anuales y el sustento de muchas familias bajacalifornianas como puede inferirse de la siguiente tabla: -‐ Tabla 1. Muestra los diferentes rubros que componen la totalidad del producto interno bruto de B.C. en los años 2001, 2002, 2003 y 2004.
En lo que se refiere a los usos generales del agua en Baja California, el volumen total se distribuye en tres rubros principales: uso agrícola (85%), uso doméstico (7%) , uso industrial (4%) y pecuario (4%) . En lo que respecta al aprovechamiento del agua, las eficiencias en el uso son aún muy bajas, ya que en el sector agrícola oscilan entre el 33% y 55%, en tanto que en las ciudades su valor fluctúa entre el 50 y 70%. (Carmona A.,2009) -‐ Tabla 2 presenta datos del rubro del agua en B.C. Datos pluviométricos e hidrológicos de la región • Precipitación media anual 199 mm • Evaporación media 1800 mm al año • Escurrimiento natural de la región 1160 hm3 al año • Escurrimiento de la cuenca del Río Colorado (EE.UU) 1850 hm3 • Capacidad de almacenamiento en la región 220 hm3 (7 Presas) • Recarga de acuíferos 1400 hm3 al año • De los 88 Acuiferos, 4 aportan el 63% del volumen extraido • Extracción total anual 3900 hm3 Fenómenos metereológicos de la región • La región esta sujeta a sequías frecuentes y prolongadas, la de mayor impacto fué la de 1986-‐1988 • Presencia de lluvias extraordinarias cada 10 años Problemas de la región • Sobreexplotación de acuíferos e intrusión salina • Mala calidad del agua, debido a la salinidad del Río Colorado, y a la contaminación del Río Tijuana (30 puntos en el índice ICA) • Deficiente tratamiento de aguas residuales • Baja eficiencia de riego ^ Fuente: Plan Nacional Hidraúlico 2001-‐2006, CNA
Introducción a los “atrapanieblas” Atravéz de la historia, el ingenio de la humanidad ha sabido desarrollar utensilios para sacarle el mayor provecho a la situación en la que se pudiera encontrar. El caso no es distinto para la obtención de agua en medios hostiles, menos siendo este un rubro tan importante para la supervivencia personal. Para este fin se ingeniaron varios métodos para la condensación del agua atmosférica que se encuentra en forma de vapor micrométrico. Estos se pueden clasificar en dos grupos, los pasivos, que son más antiguos y no requieren de energía externa para hacerlos funcionar como son los “estanques de rocío”, los “pozos aéreos” y los “atrapa nieblas”. También existen métodos más contemporáneos que han sabido aprovechar la energía eléctrica para condensar de una manera más eficiente, por ejemplo el AWG (por sus siglas en ingles Atmospheric Water Generator). Los “atrapa nieblas”, como puede inferirse de su nombre, aprovechan las corrientes de niebla existentes en las zonas cercanas a la costa. El sistema consiste de grandes mallas dispuestas verticalmente y que atrapan mecanicamente las pequeñas gotas de agua suspendidas, las acumula hasta que, atraídas solo por la fuerza de gravedad escurren hasta una canaleta especialmente colocada que recoge todo el liquido y lo transporta a un recipiente donde es almacenada para su utilización. En 1956 la ciudad Chilena de Antofagasta, en el desierto de Atacama, sufrió una gran sequía que la dejó sin agua potable durante semanas. El país entero se movilizó en su ayuda y hasta allí se desplazaron los mejores especialistas hídricos en busca de una solución. Uno de ellos fue Carlos Alberto Espinoza, investigador de la Universidad Católica de Santiago quien, con la ayuda de un jesuita y un ingeniero, instaló un primer panel fabricado con hilos de nailon. El dispositivo no llegó a resolver el problema –la mayor parte del agua se perdía– pero sirvió al menos para comprobar que la teoría era aplicable si se encontraban los materiales adecuados. Por si acaso, y aunque nadie más volvió a realizar el experimento, Espinosa y su equipo patentaron el invento en 1963 y lo cedieron gratuitamente a la Unesco. Dicho y hecho, a comienzos de los años 80 los científicos del Atmospheric Environment Service de Canadá perfeccionaron el invento de Espinoza al hallar el sistema para que las minúsculas gotitas de agua de estas nubes, que no caen por su gravedad debido a su escaso peso, pudiesen ser captadas en las redes atrapanieblas sin pérdidas significativas. Por fin, en 1992, las primeras redes fueron colocadas en la aldea chilena de Chungungo, también en el desierto de Atacama. Chungungo es una caleta de pescadores del norte de país donde el agua potable vale más que el petróleo. Durante años, sus 400 habitantes la consiguieron comprándosela a los propietarios de la mina de hierro de El Tofo, situada a 40 kilómetros, que se la enviaban mediante camiones cisterna. Un día la mina cerró y los pescadores comenzaron a emigrar en busca de un destino mejor. Hasta que la campana les salvó en el último asalto de su supervivencia con la llegada de los científicos y su sencillo invento. La zona está dominada por una neblina costera, llamada por los lugareños camanchaca, ideal para el objetivo de este sistema. Una década después, hay instaladas 85 atrapanieblas, con una producción mensual de 300.000 litros de agua, equivalentes al transporte de 30
camiones. Paralelamente, se enseñó a los campesinos técnicas de cultivo para sacar adelante sus pequeños huertos con poco riego. Muchos de los que emigraron regresaron al pueblo que, al crecer, fue también merecedor de los tendidos de luz eléctrica. Incluso ahora disfruta de jardines regados por un sistema de goteo.
Objetivo El proyecto tiene como objetivo general, la construcción, instalación, recolección de datos y mantenimiento de redes que captan y condensan la humedad ambiental, comúnmente conocidas como redes “atrapa niebla”. Esto con el fin absoluto de verificar la viabilidad de la implementación de un sistema de esta índole y su aprovechamiento para la agricultura en la zona costera de Baja California. Ulteriormente se espera que el proyecto sea capaz de extrapolarse y llegar a ser una empresa duradera, especialmente en las conciencias bajacalifornianas, para de esta manera lograr que sea realmente una fuente alternativa de agua sustentable para la región, contribuir a la conservación de los mantos acuíferos, reducir el costo del consumo del agua, ayudar a poblaciones marginadas en la obtención del liquido vital y en general ser auxiliares en el desarrollo y la sustentabilidad de poblaciones en el medio semiárido bajacaliforniano. Objetivos Particulares -‐ Probar la viabilidad de sistema como fuente alternativa de agua con fines agrícolas en la zona costera bajacaliforniana. -‐ Registrar cada dos días el volumen de agua colectada en los recipientes hechos ex profeso. -‐ Verificar si el agua obtenida es utilizable para el riego -‐ Encontrar los tipos de cultivo que se puede sostener con la cantidad de agua producida. Hipótesis El sistema de redes atrapaniebla es una buena fuente alternativa de agua para riego en zonas áridas costeras
Metodología Utilizando como modelo el estudio realizado en Namibia por Bastos Foundation-‐Topnaar Community Foundation, en el periodo de Enero 2005-‐ Enero 2007 llamado “ATRAPAR AGUA DE LA NIEBLA”. Se desarrollaron los puntos integrales de la investigación para el proyecto “Brisa”. Diseño y estructura de un captador Las redes atrapanieblas, como las que se han empleado en el proyecto “Brisa”, consiste en una malla plana, que es ubicada en forma perpendicular a la dirección del viento predominante. Durante el proceso de captación del agua contenida en la nube, las gotitas que son atrapadas por la malla, se agrupan allí hasta formar un gota de mayor tamaño que se desliza por gravedad hasta ser colectada por una canaleta dispuesta en el borde inferior del panel. De lo anterior se infiere que el sistema es completamente pasivo ya que el agua atrapada es impulsada sólo por la fuerza gravitacional y la tensión superficial del agua que permite el aglutinamiento de las gotas y deslicen hasta el punto donde será usada. La producción de agua de un sistema "atrapanieblas", dependerá del contenido líquido y características físicas de la nube, expresadas como tamaño de la gota y velocidad del viento que conduce a la nube, por una parte, y por otra, de la naturaleza y características de la superficie de captación. La duración de la neblina, también es una variable definitivamente determinante del volumen total de producción como será dejado en claro más adelante con los resultados. El panel atrapanieblas empleado en las experiencias, tiene como elemento de captación una malla que comúnmente es usada en la agricultura. La malla es elaborada en base a un tejido de filamentos planos de polipropileno negro de 1 mm de ancho por 0,1 mm de espesor. Comercialmente se denomina malla Raschel y es producida en distintas densidades de tejido, las cuales son expresadas como porcentaje de sombra. En el panel del proyecto “Brisa” se dispuso la malla en doble paño por el ejemplo de todos los proyectos exitosos revisados, y es que esta manera de instalar la malla hace que rocen y promueve y hace mas eficiente el aglutinamiento de las gotas. El sistema de paneles atrapanieblas fue instalado de inicio en un sitio que hubiera sido mucho más cómodo estar revisando constantemente, pero esto fue un tremendo fracaso durante algunas semanas. Así que se evaluó la situación y se cambio de ubicación a uno previamente elegido por su potencial de producción de agua y por sus características topográficas apropiadas, y aunque menos cómodo de estar registrando los datos de esta nueva ubicación se obtuvieron ciertamente mejores resultados. Las unidades captadoras utilizan una canaleta que atrapa toda el agua captada y conduce al agua hasta una unidad de almacenamiento. Desde allí se espera podrá ser entregada a los usuarios en distintas formas.
El diseño de este sistema atrapanieblas particular y a escala fundamenta su ejecución en los conceptos de la tecnología apropiada para el propósito que se pretende realizar, ya que por estar este proyecto principalmente orientado a la satisfacción del sector rural, se debe concebir la creación de una estructura que solucione el problema de obtención de agua a bajo costo, utilizando elementos eficientes y disponibles en un amplio mercado. El montaje del sistema es a base de elementos pasivos y estáticos que son de fácil construcción o ensamblaje en la obra. La instalación de cada panel y su canalización es rápida y simple, no requiriéndose gran cantidad de mano de obra para su ejecución. Debido a lo simple del diseño del sistema, no se requiere de personal altamente calificado para su construcción. Además, por ser la conducción del agua un flujo gravitacional, ésta no emplea mecanismos que usan energía para su funcionamiento y/o que sean complejos de operar y reparar. La tecnología de captación de agua atmosférica, es particularmente ventajosa en proyectos que por su tamaño relativamente pequeño, no justifican inversiones de gran magnitud. El captador En términos simples, el panel captador que se construyo en este caso consiste en dos postes, distanciados a 1.50 metros, entre los cuales va dispuesta la doble malla de 1 m2 . Sin embargo, el atrapanieblas incluye además de los mencionados varios elementos que en conjunto le dan las características de funcionamiento. Elementos estructurales Antes de describir cada elemento de los paneles, se debe considerar el tremendo esfuerzo realizado en contra del viento. Por esto, en la elección de los materiales y en el diseño de Ingeniería de detalles es imprescindible tener presente que el panel captador debe estar diseñado y construido en base a elementos cuya resistencia soporte precisamente la demanda estructural solicitada por el viento, además de la humedad, el roce entre las mismas piezas que lo componen. Dicho lo anterior, se quiere aclarar también que por la naturaleza piloto de este estudio y por la falta también de presupuesto, el panel construido no fue especialmente con los mejores materiales disponibles, así que primero procedo a describir los elementos del captador ideal y mostrar en el grafico 2 los paneles atrapanieblas del proyecto de namibia, y después la versión de los elementos y las fotografías del captador del proyecto “Brisa”.
Versión Namibia 1.Estructura de soporte: Esta estructura está conformada por dos o más pilares, que en este caso son postes de Eucalipto impregnado en Creosota de 7 metros de altura y 5" de diámetro en la punta superior. La cantidad de postes depende del número de subunidades que compongan el panel captador. Además, componen esta estructura los cables de sostén de los postes, que se sujetan al suelo por medio de anclajes prefabricados. 2.Elemento de captación: La superficie captadora está compuesta por una doble malla, de 12 x 4 metros (aprox. 1OOm2 de material), la cual va cosida a un grupo de cables de sostén y sujeta a los postes por un conjunto de barras de anclaje. Luego, los elementos que componen el sistema de captación son: 2.1Cables de sostén: Existen dos grupos de cables que cumplen distintas funciones: Elemento de sustentación vertical: Está compuesto por dos cables de acero de 3/16" de diámetro (superior e inferior) cuyo rol es soportar verticalmente la malla. Dado que la malla se ha definido como el elemento de sacrificio frente a un siniestro mayor, los cables en su punto de anclaje llevan un "fusible de seguridad" constituido por un tramo pequeño hecho con un cable de menor resistencia. Elemento de sustentación horizontal: Dado que la fuerza del viento produce una catenaria en la malla, lo que ocasiona una pérdida significativa del agua captada, se optó por subdividirla en tres paños discretos de las mismas dimensiones. Para ello se dispuso entro los cables superior o Inferior, dos líneas de alambres galvanizados y plastificados de 5.11 mm de diámetro. 2.2Barras de anclaje: Ellas están compuestas por dos o más pares de tablillas de pino tratado.. para prevenir el ataque de hongos e insectos, en las que se envuelven los extremos de la malla. Estas barras, que van adosadas a cada poste,, permiten traccionar la malla en forma pareja y a la vez le otorgan un cierto grado de rigidez. 3.Canaleta colectora y drenaje: En el cable inferior de la malla colectora se cuelga una canaleta por medio de alambres galvanizados, ésta recibe las aguas que escurren por gravedad en la malla y las conducen hacia una aducción que se conecta a una cañería matriz o estanque de acumulación. En la experiencia Namibia se ha usado, como canaleta, una tubería de PVC de 110 mm de diámetro, cortada longitudinalmente en parte de su sección.
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Grafico 2
Version Proyecto Niebla La estructura de soporte esta compuesta por dos barrotes de 2x4 plg. De dos metros de longitud acomodados cada uno en una cubeta anclada con concreto. Los barrotes a su vez cuentan con otros barrotes del mismo calibre que están dispuestos de manera que forman una pendiente entro los barrotes originales (verticales) y el suelo que hacen las veces de los cables de sostén (véase figura 5). La malla colectora tiene como dimensión 1m2 y se sostiene en varios puntos con hilo resistente de nylon utilizado comúnmente en la fabricación de elementos de pesca y de una forma que quedara bien estirado (considérense las figuras 3 y 4). El sistema de drenaje consistió en la instalación de un tubo de PVC a manera de canaleta por debajo del ancho de la malla, y al final del tubo un embudo de plástico para aceite de motor que conducia el agua a una manguera para pecera de ¾ que finalmente se conectaba con la cubeta que habría de recibir toda el agua (véase las figuras 5 y 6).
Figura 3. Atrapanieblas terminado
Figura 4. Atrapanieblas terminado
Figura 5. Canal colector Figura 6. Sistema de drenaje.
De la recopilación de datos De los datos del captador El agua se recolecto cada segundo día en el intervalo del 1ero de Octubre al 8 de Noviembre del año en curso (2009). Se utilizó un matraz graduado en ml. Y una libreta simple donde se iba tomando nota de la fecha, el agua registrada, y si había habido neblina o algún otro tipo de fenómeno de relevancia. De los datos climatologicos Para la recopilación de los datos climatológicos del área se recurrio a www.wunderground.com que presenta lo registrado por la estación climatológica del aeropuerto de Tijuana. También se consulto personalmente con el Dr. Edgar Pavía López y el Lic. Santiago Higareda que están a cargo de una de las estaciones meteorológicas del Centro de Investigaciones Científicas y Estudio Superior de Ensenada (CICESE). De los datos de riego Para obtener los datos necesarios referentes al riego se consulto personalmente a manera de entrevista con personal de la empresa de agrocultivos VALLEXPORT S. DE R.L DE C.V. empresa localizada en las periferias sureñas de Ensenada. Además se consultaron artículos encontrados en internet incluyendo: Waller-‐Barrera, C. 2008. Optimización del manejo del agua de uso urbano de Ensenada y uso agrícola de Mandadero y Valle de Guadalupe, B.C. Tesis de Maestría. Universidad Autónoma de Baja California. 112 p. Del Analisis y comparación de los datos Con el propósito de analizar y procesar los datos encontrados se utilizo Microsoft Office Excel como herramienta. Los datos fueron comparados con los resultados del proyecto de namibia antes mencionado.
Resultados Tabla 3
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Se muestra el agua recolectada en el mes de octubre, y los sucesos atmosférico relacionados.
Figura 7
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Expresa la cantidad de agua recolectada en mililitros en el intervalo del primero de octubre al 8 de noviembre por el atrapanieblas (en azul). En rojo muestra el promedio del agua captada en el periodo observado.
Tabla 4.
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Descripcion del estado del tiempo en Ensenada para el mes de Octubre.
Tabla 5
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Descripcion del estado del tiempo en Ensenada para el mes de Noviembre.
Figura 9
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Grafica que compara los datos registrados con la de la humedad ambiental promedio y muestra la relación que existe entre los dos fenómenos.
De los riegos Tabla 6
Consumo de agua El volumen de agua consumido por cultivo se obtuvo mediante las laminas de riego y consumos de agua por hectarea recomendada por INIFAP y SAGARPA,para cada cultivo y ajustada de acuerdo al testimonio de los agricultores (tabla 6). ^Tabla y texto obtenido de Waller-‐Barrera, C. 2008. Optimizacion del manejo del agua de uso urbano de Ensenada y uso agricola de Maneadero y Valle de Guadalupe.
Discusion y Conclusion El agua obtenida a partir del experimento con 1m2 de superficie de captación tuvo un promedio de 223.5 ml. por día durante el intervalo muestreado, y que para el mes de Octubre se obtuvo un promedio de 3 litros con 470 ml. Esto nos hace suponer que al aumentar la superficie de captación a uno parecido al que se utilizo en el proyecto de namibia (mallas de 12x4 metros para un total aproximado de 2400 m2 ) se podría haber obtenido un promedio de alrededor 60 litros de agua por día bajo las condiciones climatológicas del lugar elegido para la instalación del captador. Lo cual comparado con la figura 11 supone que el sitio elegido, o no fue muy adecuado, o que la malla del atrapanieblas no era la ideal, ya que se obtuvo un promedio litros/m2/mes comparado con los mas bajos registrados por las investigaciones africanas. Figura 11
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Muestra la productividad de los atrapanieblas por estación.
Ahora, respecto a la posibilidad de la utilización del agua obtenida para riego. Debido a la baja producción y a los altos requerimientos de la misma, se concluye que con los resultados obtenidos en el sitio elegido, el sistema de atrapanieblas seria muy inadecuado para mantener cosechas en cantidades industriales, aunque sería muy adecuado para una pequeña hortaliza familiar, pero al igual, tardaría mucho tiempo en amortizar lo invertido en la construcción e instalación del sistema, y sería bastante estorboso en materia del espacio que ocupa. En general, los resultados, por el corto intervalo de tiempo, el bajo presupuesto y la falta de completa disposición (por otras actividades que pudieran interponérseles) del equipo de trabajo son poco contundentes y definitivamente no puede concluirse certeramente si puede o no utilizarse este sistema de captación pasiva de la neblina con fines de riego en la zona costera de Baja California. Por otra parte los resultados si muestran claramente la posibilidad de extracción de agua a partir de la humedad ambiental y se muestra una correlación importantísima entre la humedad ambiental (en forma de neblina) y la producción de agua del sistema. Tanto así, que si no existe al menos el 83% de humedad en el ambiente el sistema no produce agua alguna, afortunadamente por lo encontrado el promedio de humedad oscila entre 75% y 95% entonces es muy probable que se alcance el nivel necesario. Haría falta, para obtener datos más concluyentes, probar un intervalo de tiempo mucho más grande, y además contar con mayor presupuesto y disposición del equipo completo de trabajo.
Bibliografia: Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima (Peru). Programa Académico de Agronomía. Captación de agua atmosférica a partir de las nieblas en las lomas de Lachay. Tesis (Ing Agrónomo). Lima (Perú). 1974. 40 p. CAPTACION DE AGUAS; NIEBLA; CLIMATOLOGIA; COSTA. LOMAS; LACHAY.
Badan, A., T. Kretzschmar, I. Espejel, T. Cavazos, H.D´Acosta, P. Vargas, L. Mendoza, C. Lyva, G.Arámburo, W. Dásele, y B. Ahumada. 2005. Hacia un plan de manejo del agua en el valle de Guadalupe, Baja California. Ciencia. Revista de la Academia Mexicana de Ciencias. En: II Seminario Internacional de Vitivinicultura, pp. 45-‐64.
Rueda, V.O.M., C.G. García. 2002. Vulnerabilidad y adaptación regional ante el cambio climático y sus impactos ambientales, sociales y económicos. Gaceta Ecológica. Instituto Nacional de Ecología, 65:7-23. Waller-Barrera, C. 2008. Optimización del manejo del agua de uso urbano de Ensenada y uso agrícola de Mandadero y Valle de Guadalupe, B.C. Tesis de Maestría. Universidad Autónoma de Baja California. 112 p.