TTE153

ANÁLISIS DE PROYECTOS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE PROPUESTAS POR LA SUBDERE EN LA COMUNA DE CARAHUE, A TRAVÉS DEL MÉTODO DEL NÚMERO DE CURVA SCS.

Por

JONATHAN ALEXIS PINTO TORRES

Trabajo de Título Presentado a la

Facultad De Ingeniería de la Universidad Católica de Temuco

Para Optar al Título de Ingeniero Civil en Obras Civiles.

TEMUCO - CHILE

2022

ANÁLISIS DE PROYECTOS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE PROPUESTAS POR LA SUBDERE EN LA COMUNA DE CARAHUE, A TRAVÉS DEL MÉTODO DEL NÚMERO DE CURVA SCS.

Por

JONATHAN ALEXIS PINTO TORRES

Profesor Guía:

DR. WILMER JOSÉ BARRETO CORDERO

Trabajo de Título Presentado a la

Facultad De Ingeniería de la Universidad Católica de Temuco

Para Optar al Título de Ingeniero Civil en Obras Civiles.

TEMUCO - CHILE

Julio 2022

COMISIÓN EXAMEN DE TÍTULO

Este examen de Título ha sido realizado en el Departamento de Obras Civiles y Geología.

Profesor Guía:

_____________________________________________

Wilmer José Barreto Cordero

Doctor en Hidroinformática.

Profesor Informante:

_____________________________________________

María Fabiana Muñoz

Ingeniera Civil.

Profesor Informante:

_____________________________________________

Carlos Andrés Cacciuttolo Vargas

M. Sc. En Gestión y Planificación ambiental.

Temuco, ____ de _______________

Jonathan Alexis Pinto Torres - Análisis de Proyectos de Abastecimiento de Agua Potable Propuestas por la SUBDERE en la comuna de Carahue, a través del Método del Número de Curva SCS.

DEDICATORIA

Esta investigación se la dedico a mi madre, mujer luchadora y de esfuerzo que nunca se rindió ante la adversidad, que a pesar de la pobreza supo sacar adelante a su familia dejando de lado los menosprecios, ya que la vida nos enseña a no olvidar nuestras raíces, como aquel árbol majestuoso que jamás dejo de crecer porque tenía unas raíces muy arraigadas al suelo que le enseñaron que mientras más fuerte son tus raíces más creces y más estabilidad tienes en la vida, pueden venir tormentas y jamás derribar aquel cimiento solido…

Dedicado a Nirelda del Carmen Torres Careaga mi madre luchadora …

II

Jonathan Alexis Pinto Torres - Análisis de Proyectos de Abastecimiento de Agua Potable Propuestas por la SUBDERE en la comuna de Carahue, a través del Método del Número de Curva SCS.

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, quiero agradecer a Dios por permitirme terminar esta etapa de mi vida. También debo agradecer a mis padres, Nirelda y Pedro que, a pesar de las adversidades, siempre estuvieron ahí cuando los necesitaba, también agradecer a mis hermanos por su paciencia y como no nombrar a aquellos amigos más cercanos que me daban fuerza a la distancia, Karen fue una de las personas que más apoyo me ha brindado, al igual que Jorge, Eduardo y Alejandra. Cabe mencionar que Marjorie, Daniel, Jocelyn, Ana y Cecilia igual me apoyaron, me brindaron palabras de aliento y me ayudaron en mi tiempo en la universidad. No puedo dejar de nombrar a mi profesor guía el Dr. Wilmer Barreto que a pesar de todo siempre me apoyo y respaldó para que esta investigación llegara a su término. Así como también al Dr. Ricardo Picon quien me dio ese empujoncito que todos necesitamos para arrojarnos al éxito, no puedo dejar de nombrar a la profesora Carolina Reidel quien me dio palabras de aliento en un momento difícil de mi vida y de la carrera y me insto a no rendirme ante la adversidad y también agradecer a todos esos profesores que siempre se dieron el tiempo de escuchar mis problemas y darme una palabra de aliento... Luego en el transcurso de la investigación fueron apareciendo personas que permitieron que esta investigación llegara a su etapa final, como don Julio Reis Laboratorista Vial clase B, quien me ayudo con los ensayos de suelos, y a Mauricio Muñoz Ingeniero Residente quien me autorizó a usar el laboratorio de la empresa y además me brindó apoyó en momentos donde necesitaba de practica inicial y trabajo.

A Todos simplemente muchas gracias…

III

Jonathan Alexis Pinto Torres - Análisis de Proyectos de Abastecimiento de Agua Potable Propuestas por la SUBDERE en la comuna de Carahue, a través del Método del Número de Curva SCS.

ANÁLISIS DE PROYECTOS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE PROPUESTAS POR LA SUBDERE, A TRAVÉS DEL MÉTODO DEL NÚMERO DE CURVA SCS.

Por: Jonathan Alexis Pinto Torres

Profesor guía: Wilmer José Barreto Cordero

RESUMEN

En esta investigación se elabora un estudio a través del método del número de curva, con el propósito de estimar el comportamiento de la cuenca en el sector de los Laureles ubicado en la comuna de Carahue, región de la Araucanía, lugar en donde se implementaron soluciones de abastecimiento de agua potable sin un estudio previo. Para esto se cuenta con registros climatológicos de las estaciones meteorológicas y agrometeorológicas de la comuna de Carahue. Estos datos mensuales son, de: (i) precipitaciones, (ii) evapotranspiración, (iii) velocidad del viento y (iv) humedad relativa que posteriormente se usarán para determinar la evaporación mensual a través del método de la bandeja clase A. Paralelamente se determina la cobertura vegetal, el tipo y uso de suelo por medio de ensayos de granulometría e información bibliográfica, tomando en cuenta el procedimiento usado por el Servicio de Conservación de Suelos (SCS) de los Estados Unidos, y con los datos almacenados de la precipitación se determina la humedad antecedente. Información que permite hallar el número de curva promedio para cada microcuenca, calculado a partir de tablas que tienen los valores del número de curva de escorrentía para diferentes condiciones de suelo-uso-cobertura. Posteriormente, con los datos de precipitación y evaporación se realizó un balance hídrico superficial y se determina la precipitación útil a la cual, por medio de cálculos, se le restara el porcentaje de pérdida por infiltración obtenido del método del número de curva para obtener la escorrentía. Finalmente, mediante un análisis estadístico a la variable de escorrentía se busca conocer la situación de cada una de las microcuencas en estudio.

IV

Jonathan Alexis Pinto Torres - Análisis de Proyectos de Abastecimiento de Agua Potable Propuestas por la SUBDERE en la comuna de Carahue, a través del Método del Número de Curva SCS.

ANALYSIS OF DRINKING WATER SUPPLY PROJECTS PROPOSED BY SUBDERE, USING SCS CURVE NUMBER METHOD.

By: Jonathan Alexis Pinto Torres

Guide Teacher: Wilmer José Barreto Cordero

ABSTRACT

In this research, a study is elaborated through the curve number method, with the purpose of estimating the behavior of the basin in the Laureles sector located in the commune of Carahue, Araucanía region, where drinking water supply solutions were implemented without a previous study. For this, there are climatological records from the meteorological and agrometeorological stations of the commune of Carahue. These monthly data are: (i) rainfall, (ii) evapotranspiration, (iii) wind speed and (iv) relative humidity that will subsequently be used to determine monthly evaporation through the class A tray method. taking into account the procedure used by the Soil Conservation Service (SCS) of the United States, and with the stored data of precipitation the antecedent humidity is determined. Information that allows to find the average curve number for each micro basin, calculated from tables that have the values of the runoff curve number for different soil-use-cover conditions. Subsequently, with the precipitation and evaporation data, a surface water balance was made and the useful precipitation was determined to which, by means of calculations, the percentage of infiltration loss obtained from the curve number method to obtain the runoff was subtracted. Finally, through a statistical analysis of the runoff variable, it is sought to know the situation of each of the micro-basins under study.

V

Jonathan Alexis Pinto Torres - Análisis de Proyectos de Abastecimiento de Agua Potable Propuestas por la SUBDERE en la comuna de Carahue, a través del Método del Número de Curva SCS.

ÍNDICE TEMÁTICO

RESUMEN___________________________________________________________ IV

ABSTRACT ___________________________________________________________V

ÍNDICE TEMÁTICO____________________________________________________ VI

ÍNDICE DE FIGURAS _________________________________________________ VIII

ÍNDICE DE TABLAS ___________________________________________________ IX

ÍNDICE DE ANEXOS____________________________________________________X

ÍNDICE DE GRÁFICO ANEXOS__________________________________________ XI

ÍNDICE DE TABLA ANEXOS ____________________________________________ XI

ÍNDICE DE ANEXOS FOTOGRÁFICOS ___________________________________ XI

INTRODUCCIÓN _______________________________________________________ 1

CAPÍTULO 1.

GENERALIDADES _______________________________________ 2

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ________________________________ 2

1.2 OBJETIVOS ___________________________________________________ 2

1.2.1

Objetivo General ____________________________________________ 2

1.2.2

Objetivos Específicos _________________________________________ 2

1.3 ALCANCES Y LIMITACIONES _____________________________________ 3

CAPÍTULO 2.

MARCO TEÓRICO _______________________________________ 4

2.1 DESCRIPCIÓN DE LAS SOLUCIONES DE LA SUBDERE, APLICADOS POR LA SECPLAC DE CARAHUE ______________________________________________ 4

2.2 DISEÑOS MÁS UTILIZADOS ______________________________________ 5

2.2.1

Vertientes con Escurrimiento Gravitacional ________________________ 5

2.2.2

Pozos Noria con Escurrimiento Gravitacional ______________________ 6

2.2.3

Solución Individual ___________________________________________ 7

2.3 ANTECEDENTES PLUVIOMÉTRICOS ______________________________ 8

2.4 ANTECEDENTES AGROMETEOROLÓGICOS ________________________ 8

2.5 SUELOS ______________________________________________________ 9

2.6 EL CICLO HIDROLÓGICO _______________________________________ 11

2.6.1

Año Hidrológico ____________________________________________ 11

VI

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2.6.2

Evapotranspiración _________________________________________ 12

2.6.3

Precipitación_______________________________________________ 13

2.6.4

Infiltración _________________________________________________ 14

2.6.5

Escorrentía ________________________________________________ 15

2.7 MÉTODO DE LA BANDEJA DE EVAPORACIÓN CLASE A ______________ 16

2.8 BALANCE HÍDRICO SUPERFICIAL ________________________________ 18

2.9 MÉTODO DEL NÚMERO DE CURVA DEL SCS _______________________ 20

2.9.1

Clasificación Hidrológica de los Suelos __________________________ 24

2.9.2

Uso y Tratamiento del Suelo __________________________________ 25

2.9.3

Condición Hidrológica _______________________________________ 25

2.9.4

Condición de Humedad Antecedente del Suelo ___________________ 26

2.10 ANÁLISIS DE FRECUENCIA _____________________________________ 27

CAPÍTULO 3.

MARCO METODOLÓGICO _______________________________ 28

3.1 LUGAR DE ESTUDIO ___________________________________________ 30

3.1.1

Ubicación _________________________________________________ 30

3.2 ANÁLISIS DE SUELOS __________________________________________ 31

3.2.1

Granulometría _____________________________________________ 31

3.2.2

Límites de Atterberg_________________________________________ 31

3.3 METODOLOGÍA DEL MÉTODO DE LA BANDEJA CLASE A _____________ 33

3.4 PROCEDIMIENTOS DE CÁLCULO DEL MÉTODO DEL NÚMERO DE CURVA 34

3.5 METODOLOGÍA DEL ANÁLISIS DE FRECUENCIA ____________________ 36

3.5.1

Curvas de Variación Estacional ________________________________ 36

CAPÍTULO 4.

ANÁLISIS DE RESULTADOS _____________________________ 37

4.1 RESULTADOS DEL ANÁLISIS DE SUELOS _________________________ 37

4.2 RESULTADOS DE DOTACIÓN PARA UNA SOLUCIÓN INDIVIDUAL ______ 40

4.3 RESULTADOS DE EVAPORACIÓN ________________________________ 41

4.4 RESULTADOS DEL MÉTODO DEL NÚMERO DE CURVA ______________ 42

4.4.1

Potencial Máximo de Retención________________________________ 43

4.4.2

Resultados de la Escorrentía a través del Balance Hídrico Superficial __ 44

VII

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4.5 RESULTADOS DEL ANÁLISIS DE FRECUENCIA _____________________ 46

4.6 PROPUESTAS DE ALMACENAMIENTO ____________________________ 52

4.6.1

Primera Solución - Estanque Australiano ________________________ 54

4.6.2

Segunda Solución - Estanque Horizontal para enterrar______________ 56

CAPÍTULO 5.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES __________________ 58

CAPÍTULO 6.

BIBLIOGRAFÍA ________________________________________ 60

ANEXOS ____________________________________________________________ 63

ANEXOS DE DISEÑOS _______________________________________________ 63

ANEXO DE RESULTADOS DE ANÁLISIS DE SUELOS ______________________ 66

ANEXO DE TABLAS UTILIZADAS EN EL MÉTODO DE EVAPORACIÓN ________ 69

ANEXOS DE LAS TABLAS UTILIZADAS PARA DETERMINAR EL BALANCE HÍDRICO SUPERFICIAL Y ESCORRENTÍA _______________________________________ 71

ANEXO TABLA DE VALORES DEL MÉTODO DEL NÚMERO DE CURVA________ 72

ANEXO FOTOGRÁFICO ______________________________________________ 73

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1: Estudio Agrológico de Suelos, Región de la Araucanía, (CIREN 2018). __ 10

Figura 2.2: Ciclo hidrológico. _____________________________________________ 12

Figura 2.3: Capacidad de Infiltración. ______________________________________ 14

Figura 2.4: Escurrimiento en función de la precipitación y el número de curva CN. ___ 23

Figura 3.1: Diagrama General de trabajo. ___________________________________ 29

Figura 3.2: Ubicación de los tres pozos en estudio. ___________________________ 30

Figura 3.3: Granulometría._______________________________________________ 31

Figura 3.4: Límite Líquido, Limites de Atterberg obtenidos en laboratorio de Ingeniería y Construcciones Santa Fe.____________________________________________ 32

Figura 3.5: Limite Plástico, Limites de Atterberg. _____________________________ 32

Figura 3.6: Delimitación de la microcuenca, curvas de nivel del sector en estudio. Áreas de influencia de pozos. ______________________________________________ 35

Figura 3.7: Proceso para determinar las curvas de variación estacional. ___________ 36

Figura 4.1: Sector alto, Los Laureles. Obtención Muestra 1. ____________________ 37

VIII

Jonathan Alexis Pinto Torres - Análisis de Proyectos de Abastecimiento de Agua Potable Propuestas por la SUBDERE en la comuna de Carahue, a través del Método del Número de Curva SCS.

Figura 4.2: Sector intermedio, Los Laureles. Obtención Muestra 2 (foto del 18/07/21) 38

Figura 4.3: Sector bajo, Los Laureles. Obtención Muestra 3 (foto del 28/12/21) _____ 39

Figura 4.4: Curva de Variación Estacional zona 1, con valores de Tabla 4.13. ______ 46

Figura 4.5:Curva de Variación Estacional zona 1, con valores de Tabla 4.14. _______ 47

Figura 4.6: Curva de Variación Estacional zona 2, con valores de Tabla 4.15. ______ 48

Figura 4.7:Curva de Variación Estacional zona 2, con valores de Tabla 4.16. _______ 49

Figura 4.8: Curva de Variación Estacional zona 3, con valores de Tabla 4.17. ______ 50

Figura 4.9: Curva de Variación Estacional zona 3, con valores de Tabla 4.18. ______ 51

Figura 4.10: Estanque australiano, instalación._______________________________ 55

Figura 4.11: Estanque australiano. ________________________________________ 55

Figura 4.12: Estanque horizontal para enterrar, especificaciones técnicas. _________ 56

Figura 4.13: Estanque horizontal para enterrar, instalación. _____________________ 57

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1: Requisitos mínimos de una solución Individual. _______________________ 7

Tabla 2.2: Demanda de Agua Potable según tamaño de la población.______________ 7

Tabla 2.3: Datos Generales de Estación Carahue. _____________________________ 8

Tabla 2.4: Datos Generales de Estación Quiripio. Comuna de Carahue. ____________ 8

Tabla 2.5: Coeficientes de Bandeja Clase A para distintas condiciones de cobertura de suelo promedio diario de velocidad del viento y humedades relativas locales. ___ 17

Tabla 2.6: Promedio de días con por lo menos 1 mm. de precipitación.____________ 17

Tabla 2.7: Precipitación acumulada para tres condiciones de humedad antecedente. Fuente: (Monsalve, 1999). ___________________________________________ 26

Tabla 2.8: Fórmulas de estimación de probabilidades y recurrencia (Urra, 1995). ____ 27

Tabla 4.1: Clasificación de la muestra 1, correspondiente a la Zona 1. ____________ 37

Tabla 4.2: Clasificación de la muestra 2, correspondiente a la Zona 2. ____________ 38

Tabla 4.3: Clasificación de muestra 3, correspondiente a la Zona 3. ______________ 39

Tabla 4.4: Dotación para solución individual. ________________________________ 40

Tabla 4.5: Resultados de caudales mínimos. ________________________________ 40

IX

Jonathan Alexis Pinto Torres - Análisis de Proyectos de Abastecimiento de Agua Potable Propuestas por la SUBDERE en la comuna de Carahue, a través del Método del Número de Curva SCS.

Tabla 4.6: Resultados de los coeficientes de bandeja, considerando la Humedad Relativa (%) y la velocidad del viento (km/día). __________________________________ 41

Tabla 4.7: Resultados de Evaporación (mm/mes). ____________________________ 41

Tabla 4.8: Resultados del análisis de información de la Microcuenca. _____________ 42

Tabla 4.9: Resultados de aplicar la ecuación de Infiltración a cada una de las zonas según el Número de Curva de Escorrentía.____________________________________ 43 Tabla 4.10: Resultados de aplicar la fórmula de infiltración para determinar la escorrentía, Pozo 1, Zona 1 de 3.256 hectáreas. ____________________________________ 44 Tabla 4.11: Resultados de aplicar la fórmula de infiltración para determinar la escorrentía Pozo 2, Zona 2 de 0.641 hectáreas. ____________________________________ 44 Tabla 4.12: Resultados de aplicar la fórmula de infiltración para determinar la escorrentía, Pozo 3, Zona 3 de 4.331 hectáreas. ____________________________________ 45 Tabla 4.13: Caudal mensual disponible mediante la probabilidad de excedencia para la zona 1 a través de Weibull.___________________________________________ 46 Tabla 4.14: Caudal mensual disponible mediante la probabilidad de excedencia para la zona 1 a través de Hazen. ___________________________________________ 47 Tabla 4.15: Caudal mensual disponible mediante la probabilidad de excedencia para la zona 2 a través de Weibull.___________________________________________ 48 Tabla 4.16: Caudal mensual disponible mediante la probabilidad de excedencia para la zona 2, a través de Hazen. ___________________________________________ 49 Tabla 4.17: Caudal mensual disponible mediante la probabilidad de excedencia para la zona 3 a través de Weibull.___________________________________________ 50 Tabla 4.18: Caudal mensual disponible mediante la probabilidad de excedencia para la zona 3 a través de Hazen. ___________________________________________ 51 Tabla 4.20: Disponibilidad v/s Demanda de agua, con un 50 % de probabilidad de excedencia. _______________________________________________________ 52 Tabla 4.21: Disponibilidad v/s Demanda de agua, con un 85 % de probabilidad de excedencia. _______________________________________________________ 53 Tabla 4.19: Análisis de demanda de agua y disponibilidad anual. ________________ 52

ÍNDICE DE ANEXOS

Anexo 1: Plano de Vertiente con escurrimiento gravitacional 1/2. ________________ 63

Anexo 2: Plano de Vertiente con escurrimiento gravitacional 2/2. ________________ 64

X

Jonathan Alexis Pinto Torres - Análisis de Proyectos de Abastecimiento de Agua Potable Propuestas por la SUBDERE en la comuna de Carahue, a través del Método del Número de Curva SCS.

Anexo 3: Plano de pozo noria con escurrimiento gravitacional. __________________ 65

ÍNDICE DE GRÁFICO ANEXOS

Gráfico Anexo 1: Curva granulométrica muestra 1.____________________________ 66

Gráfico Anexo 2: Curva granulométrica muestra 2 ____________________________ 67

Gráfico Anexo 3: Curva granulométrica muestra 3.____________________________ 68

ÍNDICE DE TABLA ANEXOS

Tabla Anexo 1: Análisis granulométrico muestra 1. ___________________________ 66

Tabla Anexo 2: Análisis granulométrico muestra 2. ___________________________ 67

Tabla Anexo 3: Análisis granulométrico muestra 3. ___________________________ 68

Tabla Anexo 4: Valores de la evapotranspiración en mm. ______________________ 69

Tabla Anexo 5: Valores de la velocidad del viento en km/día. ___________________ 69

Tabla Anexo 6: Valores de la Humedad relativa en %. _________________________ 70

Tabla Anexo 7: Resultados de evaporación de lluvia en mm.____________________ 70

Tabla Anexo 8: Valores de las precipitaciones Mensuales, Utilizados para el Balance Hídrico Superficial y para determinar la Escorrentía. _______________________ 71 Tabla Anexo 9: Valores de la precipitación menos la evaporación, Utilizados para el Balance Hídrico Superficial y para determinar la Escorrentía. ________________ 71

Tabla Anexo 10: Número de Curva, según tratamiento del suelo. ________________ 72

ÍNDICE DE ANEXOS FOTOGRÁFICOS

Anexo Fotográfico 1: Ubicación pozo 1, en la zona 1. _________________________ 73

Anexo Fotográfico 2: Ubicación pozo 1. ____________________________________ 73

Anexo Fotográfico 3: Tubo de 25 mm, que conduce el agua al pozo 2 en la zona 2.__ 74

Anexo Fotográfico 4: Ubicación pozo 2. ____________________________________ 74

Anexo Fotográfico 5: Ubicación del primer pozo en la zona 3. ___________________ 75

Anexo Fotográfico 6: Ubicación segundo pozo en la zona 3. ____________________ 75

XI

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INTRODUCCIÓN

En la comuna de Carahue, región de la Araucanía, el año 2019 se realizan trabajos de construcción de soluciones que permiten a una cierta cantidad de personas ser beneficiada con agua potable. Los diseños tienen una particularidad que, a pesar de llamarse pozos noria con escurrimiento gravitacional y vertientes con escurrimiento gravitacional, estos no cumplen con el objetivo de un pozo convencional, más bien son fuentes de almacenamiento de agua, pues esta no fluye desde el fondo, sino que es conducida desde quebradas hasta la noria. Además, no existen estudios de suelos, y tampoco análisis que faciliten la construcción de una solución acorde al entorno. Al hablar de entorno se refiere al ciclo hidrológico, como un sistema en el cual las precipitaciones que caen son el estímulo de este, mientras que la respuesta es el escurrimiento en su salida. Este sistema depende de varios factores que están relacionados entre sí y que son controlados por la geomorfología de la cuenca y también su contexto urbano o rural. En consecuencia, existen dos condicionantes para el comportamiento de estos factores, uno de ellos es el volumen de escurrimiento, que está relacionado directamente con las características del suelo y el área de la cuenca. Mientras que, la velocidad de respuesta está asociada con la pendiente de la cuenca. Al estar condicionado por las características del suelo se refiere a un fenómeno llamado infiltración. El movimiento del agua a través de la superficie del suelo y hacia dentro de este desempeñan un papel crucial en la relación lluvia-escurrimiento. Para determinar la infiltración y escorrentía existen diferentes metodologías que se pueden aplicar, pero para efectos de esta investigación se aplica el método del número de curva, ya que este representa el movimiento del agua en el suelo de mejor manera. Usando la evapotranspiración mediante el método de la bandeja Clase A, se obtienen los coeficientes de bandeja que permiten determinar la evaporación de lluvia. Con estos valores, se puede efectuar un balance hídrico entre la precipitación y la evaporación de lluvia, de modo que al aplicarle los valores de la infiltración del método del número de curva se obtiene la escorrentía mensual. Por último, con los valores que se obtienen de la escorrentía se les efectúa un análisis de frecuencia, con el objetivo de determinar las probabilidades de excedencia para finalmente hacer las curvas de variación estacional que permiten llevar a cabo un análisis de cada una de las zonas en estudio.

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CAPÍTULO 1.

GENERALIDADES

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En Chile, la falta de acceso al suministro de agua potable, deja de manifiesto la importancia de la Ingeniería para que se generen soluciones que permitan el manejo del recurso de manera más eficiente. En la comuna de Carahue, en el sector de los Laureles se comienzan a implementar el año 2019 diseños de la SUBDERE. Estos diseños son pozos noria y vertientes con escurrimiento gravitacional, que consisten en crear pozos de tal manera de almacenar agua, que luego es elevada mediante un motor y conducida a un estanque de 1300 litros. El problema es que al cabo de un año este tipo de obras han comenzado a fallar, aparentemente por problemas de mantención de los equipos, como también por una mala implementación. Esto genera que las familias beneficiadas con este tipo de proyectos tengan que recurrir a la municipalidad para solicitar que se les entregue agua a través de camiones aljibes.

¿Existe otra alternativa para satisfacer la necesidad de agua en estos sectores?

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo General

➢ Elaborar un estudio preliminar para proyectos de abastecimiento de agua potable en sectores aislados de la comuna de Carahue a través del Método del Número de Curva, verificando que se cumplan los requisitos mínimos para soluciones individuales.

1.2.2 Objetivos Específicos

➢ Analizar la información básica necesaria para la aplicación del método del Número de Curva, mediante cálculos en Excel.

➢ Verificar la cantidad de agua que se puede captar en los sistemas existentes, mediante el empleo de balance hídrico, así como también mediante el análisis de las curvas de variación estacional.

➢ Realizar un análisis de soluciones, calculando la disponibilidad de agua para la mejora del sistema de abastecimiento, incluyendo almacenamiento.

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1.3 ALCANCES Y LIMITACIONES

En esta tesis se elabora un estudio preliminar de las soluciones de abastecimiento de agua potable rural propuestas por la subsecretaría de desarrollo regional y administrativo y que son implementadas por la secretaria comunal de planificación de la comuna de Carahue. Ya que no se encontró la existencia de estudios que permitan determinar la ubicación de los diseños según su topografía, tipo y uso de suelo, entre otros factores preponderantes. Dentro de las limitaciones, no se cuenta con la instrumentación necesaria para que se efectúen mediciones in situ de, topografía y de parámetros específicos del suelo como: i) la permeabilidad, ii) capacidad de campo. Debido a la pandemia y el conflicto mapuche fue imposible realizar un levantamiento topográfico, por lo cual se recurrió a los softwares Google Earth Pro y QGIS 3.20.1. para la realización de las curvas de nivel.

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CAPÍTULO 2.

MARCO TEÓRICO

2.1 DESCRIPCIÓN DE LAS SOLUCIONES DE LA SUBDERE, APLICADOS POR LA SECPLAC DE CARAHUE

Esta iniciativa busca entregar soluciones particulares de agua potable, que atiendan la problemática que no es posible resolver vía proyectos de Agua Potable Rural , considerando que las familias potencialmente beneficiarias se encuentran emplazadas en sectores rurales geográficamente dispersos y muchas veces de difícil acceso. (SUBDERE, 2009) Cabe mencionar, que estas soluciones de abastecimiento de agua potable propuestas en primera instancia por el gobierno regional en conjunto con la subsecretaría de desarrollo regional y administrativo, dice relación con el mejoramiento de pozos o norias y vertientes existentes, construyéndose las instalaciones necesarias (torre o plataforma, estanque, bomba eléctrica, clorador y distribución hasta la vivienda) para la obtención de agua potable certificada a través de una resolución de funcionamiento por parte del Servicio de Salud de la Región. Esta solución es del tipo individual, situación que la diferencia de proyectos APR, los cuales entregan soluciones colectivas en su gran mayoría. Los proyectos de Abastecimiento de Agua Potable son relevantes y muchas veces la única solución a problemas de escasez de agua que se viene arrastrando por años en muchas comunas de la región, sobre todo en los meses de diciembre – abril, llegando en ocasiones a la ausencia del agua durante todo el año, lo que conlleva a que familias enteras deban recorrer grandes distancias para la obtención del vital recurso. Los 1 proyectos de agua potable, además de suplir la necesidad de este recurso hídrico, dan la opción de autonomía de sobrevivencia en el sector rural y no tener que trasladarse o emigrar definitivamente a las zonas urbanas para obtener trabajo y los productos que pueden producir en su propio terreno (papas, trigo, etc.), además del emprendimiento personal o familiar porque muchos productos (tallados en madera, carbón, leña, etc.) que se generan en el sector y son comercializados en las ciudades lo que con este tipo de proyecto le da un punto adicional al producto, para su destino final.

1 (SUBDERE, 2009)

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2.2 DISEÑOS MÁS UTILIZADOS

Los sistemas de abastecimiento de agua potable son sistemas individuales, por lo que la responsabilidad del uso y mantención del sistema corresponde al beneficiario del proyecto (SUBDERE, 2009). Para conseguir este objetivo, el beneficiario deberá ser informado y capacitado para poder determinar la forma de mantenimiento y así tenga una mayor durabilidad en los años. La viabilidad del proyecto tendrá como elemento principal la aceptación, comprensión y participación del beneficiario con su sistema de agua potable. Para todo lo anterior, en el proyecto se contempla una capacitación de parte de la empresa a los beneficiarios, en donde se instruirá en qué consiste el mantenimiento preventivo y el mantenimiento correctivo del sistema como también el de los equipos que lo conforman. Son obras de captación naturales, donde normalmente aflora el agua al cortar a la superficie piezométrica (napa freática), la superficie del terreno; aunque también pueden ocurrir en zonas donde existen rocas fracturadas. En general, y debido a que son descargas naturales de los acuíferos, su productividad persiste durante todo el año o puede variar hasta agotarse, y su rendimiento será un índice de la calidad del acuífero que las alimenta. (Reckmann, 2000; Sandoval & Barrientos, 2010). El sistema de vertientes con escurrimiento gravitacional (Anexo 1 y Anexo 2) consiste en la construcción de un pequeño marco de captación, en el sitio donde aflora la vertiente, con la colocación de un tubo de HDPE de 800 milímetros, para luego rellenar con bolón o grava de ¾ de pulgada. Luego se construye una losa sanitaria de hormigón armado G30, para sellar la estructura del marco de captación, y así evitar el contacto del agua con el exterior y con cualquier tipo de contaminantes. Se considera, despiche de estanque de captación y un chupador que extraerá el agua, a canalización de tubería de PVC sanitaria Clase 10 de 50 milímetros que llevará el agua gravitacionalmente al estanque regulador de 1300 litros de capacidad, sobre una estructura metálica. Este estanque, también considera, sistema de rebalse y despiche, además de un sistema de cloración de contacto, que permite la potabilización del agua. Luego se canaliza el agua a la vivienda gravitacionalmente hasta sus dos llaves de jardín en el exterior de la vivienda, con su respectivo filtro de membrana, para el consumo humano. Se deberá considerar 2.2.1 Vertientes con Escurrimiento Gravitacional

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las exigencias mínimas al momento de la ubicación del pozo, como por ejemplo emplazar a mínimo de 20 metros de cualquier foco contaminante y a 10 metros del predio del vecino (Secretaria comunal de planificación, 2010).

2.2.2 Pozos Noria con Escurrimiento Gravitacional

Estas obras se construyen generalmente excavadas a mano; por lo tanto, el diámetro interior no puede ser inferior a 1,2 metros, debido a que la excavación se dificulta al llegar al acuífero, donde se deben emplear equipos de bombeo para su agotamiento. Los caudales obtenidos en estas condiciones son en general inferiores a los que se obtienen en los pozos profundos perforados. (Reckmann, 2000; Sandoval & Barrientos, 2010). El sistema de pozo noria con escurrimiento gravitacional (Anexo 3), es una solución que consiste en el mejoramiento de captaciones de agua desde el pozo noria, por medio de la construcción de un pozo aislado y revestido de hormigón armado de profundidad variable de 6 a 12 metros, para la acumulación del agua y extracción de está, por medio de equipo de bombeo hasta el estanque regulador y escurrimiento gravitacional. Se deberá considerar las exigencias mínimas al momento de la ubicación del pozo, como, por ejemplo: emplazar mínimo a 20 metros de cualquier foco contaminante y a 10 metros del predio del vecino (Secretaria comunal de planificación, 2010).

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2.2.3 Solución Individual

En 2 relación a bases de cálculo y criterios generales de diseño de los sistemas de agua potable rural, el Manual de Soluciones de Saneamiento Sanitario Para Zonas Rurales propone adoptar referencialmente las siguientes exigencias mínimas, muchas de las cuales poseen el respaldo de haber sido consideradas con resultados exitosos en el Programa Nacional de Agua Potable Rural desarrollado en el País.

Tabla 2.1: Requisitos mínimos de una solución Individual.

Dotación media de Consumo

100

l/hab/día hab/viv % anual

Densidad Habitacional

4 - 5

Tasa de Crecimiento de la población

4

Fuente: Elaboración propia.

La Solución individual implica 1 o 2 viviendas. Cabe mencionar que también se debe considerar la dotación de actividades de subsistencia.

• Dotación mínima: 20 litros/habitante/día. • Dotación Máxima: 50 litros/habitante/día.

Esta dotación corresponde a pequeñas actividades comerciales o artesanales. (ej. Riego de pequeñas huertas, agua para animales).

Tabla 2.2: Demanda de Agua Potable según tamaño de la población.

ÍTEM

Caso 3: 1 Vivienda

Q medio [l/s] Q Max. [l/s]

0.006 0.009 0.013

Q Max. Horario [l/s]

Q Bombeo [l/s]

0.02 0.02 0.15

Capacidad de la Fuente [l/s] Volumen de Regulación [m 3 ]

Fuente: Elaboración propia.

2 (Departamento de Gestión de Inversiones, 2009)

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2.3 ANTECEDENTES PLUVIOMÉTRICOS

Para el desarrollo de esta investigación se utilizaron datos pluviométricos de la estación de la Dirección General de Aguas.

Tabla 2.3: Datos Generales de Estación Carahue.

Estación

Carahue

Código BNA

09151001-4

Cuenca

Río Imperial

Subcuenca

Río Imperial

Altitud (msnm)

77

UTM Norte

5713466

UTM Este

661057

Datum

WGS 84

Huso

18 S

Fuente: https://snia.mop.gob.cl/BNAConsultas/reportes

2.4 ANTECEDENTES AGROMETEOROLÓGICOS

Para el desarrollo de esta investigación se utilizaron datos de la Red de Agrometeorología INIA.

Tabla 2.4: Datos Generales de Estación Quiripio. Comuna de Carahue.

Estación

Quiripio INIA

Cuenca

Río Imperial

Altitud (msnm)

322

UTM Norte

5722812

UTM Este

653197

Datum

WGS 84

Huso

18 S

Fuente: https://agrometeorologia.cl

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2.5 SUELOS

La comuna de Carahue 3 , tiene participación de terrenos agrícolas donde predominan las plantaciones forestales, bosque nativo y matorral. Según el (Centro de Información de Recursos Naturales, 2018), los suelos de la comuna de Carahue, en su mayoría, corresponden a la clase VI y VII, como se aprecia en la Figura 2.1 , los cuales se caracterizan por presentar limitaciones en su uso, generalmente no adaptadas para cultivos. Le siguen en orden de importancia los suelos de clase III, IV y VIII. Los 4 suelos de la Clase III y IV presentan moderadas limitaciones en su utilización y restringen la elección de cultivos, aunque pueden ser buenos para ciertas especies. Tienen moderadas limitaciones que reducen la elección de plantas o requieren de prácticas especiales de conservación o de ambas. La Clase VI agrupa tierras con problemas de pendientes complejas y pronunciadas y de poca profundidad efectiva, y se encuentran afectadas por un fuerte escurrimiento superficial y un elevado potencial hidroerosivo. Si la cubierta vegetal fuera eliminada por cultivos impropios, sobre pastoreo, tala y quema, el fenómeno que aparecería sería la disminución vertiginosa de las escasas reservas nutricionales y la capacidad productiva de los suelos, sobreviniendo el empobrecimiento prematuro del recurso y el arrastre de grandes masas de tierras por acción de la erosión pluvial. La clase VII agrupa a las tierras inapropiadas para uso agropecuario y que están relegadas para propósitos de explotación de recursos forestales. Se localizan principalmente en áreas muy empinadas y muy a menudo asociadas con tierras de la Clase VIII, con topografía abrupta y pendientes extremadamente empinadas. Se extienden sobre las laderas disectadas de las formaciones montañosas, aunque también suelen encontrarse ocupando sectores planos a ligeramente depresionados; son de drenaje pobre y tienen problemas de inundación severa. Las condiciones físicas de estas tierras son deficientes debido a que reúnen una mezcla de suelos superficiales a moderadamente profundos. Dichos suelos están afectados por pendientes muy pronunciadas, fertilidad natural baja, presencia de grava y muchas veces afloramiento rocoso superficial. Además, tienen problemas severos de erosión hídrica potencial, pues el régimen pluvial en esa zona es acentuado y el drenaje muy defectuoso.

3 (Centro de Información de Recursos Naturales, 2018)

4 (Chacon, 2019)

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Figura 2.1: Estudio Agrológico de Suelos, Región de la Araucanía, (CIREN 2018).

Zona de estudio

Fuente: (Centro de Información de Recursos Naturales, 2018).

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2.6 EL CICLO HIDROLÓGICO

Al 5 hablar del ciclo hidrológico, se refiere a la circulación del agua en sus diferentes estados en el planeta. El concepto suele describirse normalmente iniciando desde los mares u océanos, porque estos constituyen la fuente principal del agua en circulación. La radiación solar evapora el agua de los océanos y es en la atmosfera donde el vapor de agua asciende formando las nubes. Bajo ciertas condiciones, la humedad de estas se condensa y desciende a la superficie en forma de lluvia, granizo o nieve, las diferentes formas de precipitación. La precipitación que cae en la tierra es el origen de toda el agua dulce. Parte de esta precipitación, después de mojar las hojas y el suelo, corre por el suelo a los cursos de agua, constituyendo el escurrimiento superficial y otra se infiltra en el suelo. Mucha de esta última es retenida por las raíces de las plantas y parte de ella vuelve a la atmosfera por la evapotranspiración. El excedente se filtra de la zona de raíces hacia abajo por la fuerza de gravedad y continúa su descenso hasta ingresar a un reservorio de agua subterránea. El agua subterránea fluye a través de los materiales porosos saturados del subsuelo hacia niveles más bajos que los de infiltración y puede volver a surgir naturalmente como manantiales y caudal de base de los ríos. La mayoría de estos devuelve el agua a los mares o la lleva a cuencas cerradas donde se evapora. De esta forma, el agua subterránea representa una fracción muy importante de la masa de agua en cada uno de los continentes. Estas están almacenadas en acuíferos, ubicados a diferentes niveles de profundidad, hasta sistemas confinados que están a kilómetros por debajo de la superficie. Se pueden encontrar aguas subterráneas en casi cualquier parte, trátese de zonas húmedas, áridas o semiáridas. El agua del subsuelo es un recurso vital y muy relevante, pero de difícil gestión, por su sensibilidad a la contaminación y la sobreexplotación.

2.6.1 Año Hidrológico

Periodo continuo de doce meses seleccionados de manera que los cambios globales en el almacenamiento sean mínimos. Por lo que la cantidad sobrante de un año al siguiente, se reduce al mínimo. En Chile, el año hidrológico comienza en abril y termina en marzo del siguiente año.

5 (Pérez, s.f.)

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Figura 2.2: Ciclo hidrológico.

Fuente: http://ponce.sdsu.edu/enghydro/engineering_hydrology_01.php

La (Figura 2.2) describe los diferentes elementos que constituyen el ciclo hidrológico, distinguiéndose tanto elementos de almacenamiento como de transferencia o transporte de agua. El movimiento del agua en el ciclo hidrológico se caracteriza por su irregularidad, tanto en el espacio como en el tiempo. En el caso del agua temporalmente almacenada en forma de nieve o hielo, o procesos más complejos como la existencia de periodos de crecidas (avenidas), periodos húmedos, secos o de sequías (estiaje).

2.6.2 Evapotranspiración

La 6 evapotranspiración corresponde a la suma de los flujos de vapor de agua hacia la atmósfera desde la superficie del suelo (evaporación) y la transpiración de las plantas,

6 (Actualización del balance hídrico nacional, 2017, pág. 19)

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siendo una componente fundamental del ciclo hidrológico. Entender la variación espacial y temporal de la evapotranspiración permite comprender la interacción entre la superficie y la atmósfera, lo que resulta crucial para el manejo del agua, detección de sequías y aplicaciones hidrológicas (Mu et al., 2007). Evapotranspiración 7 es la consideración conjunta de dos procesos diferentes: la evaporación y la transpiración. La evaporación es el fenómeno en el que el agua es convertida de líquido a vapor de agua y es removida de la superficie usando energía calórica para proveer calor latente de vaporización: mediante radiación solar. a) La superficie del suelo y la vegetación inmediatamente después de la precipitación. b) Desde las superficies de agua (ríos, lagos, embalses). c) Desde el suelo, agua infiltrada que se evapora desde la parte más superficial del suelo. Puede tratarse de agua recién infiltrada o, en áreas de descarga, de agua que se acerca de nuevo a la superficie después de un largo recorrido por el subsuelo. La transpiración es el fenómeno biológico por el que las plantas pierden agua a la atmosfera. Toman agua del suelo a través de sus raíces, donde una pequeña parte es para su crecimiento y el resto lo transpiran. En el ciclo hidrológico se produce en:

2.6.3 Precipitación

La precipitación 8 es cualquier producto de la condensación del vapor de agua atmosférico que se deposita en la superficie de la Tierra. Ocurre cuando la atmósfera (que es una gran solución gaseosa) se satura con el vapor de agua, y el agua se condensa y cae de la solución (es decir, precipita). El aire se satura a través de dos procesos: por enfriamiento y añadiendo humedad. La precipitación que alcanza la superficie de la tierra puede producirse en muchas formas diferentes, como lluvia, lluvia congelada, llovizna (precipitación liquida), nieve, aguanieve y granizo (precipitación sólida). La virga es la precipitación que comienza a caer a la tierra, pero que se evapora antes de alcanzar la superficie.

7 (https://hidrologia.usal.es, s.f.)

8 (https://www.ciclohidrologico.com, s.f.)

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2.6.4 Infiltración

La infiltración es el proceso por medio del cual el agua pasa a través de los poros del suelo; primero satisface la deficiencia de humedad del suelo y puede formar parte del agua subterránea. Al considerar un área de suelo pequeña, de tal forma que sus características y la intensidad de lluvia en el espacio puedan ser uniformes. Además, se suponen que al inicio de una tormenta el suelo se encuentra seco y que la capacidad de agua que puede absorber en la unidad de tiempo (infiltración) es mayor que la intensidad de la lluvia en los primeros instantes (Figura 2.3). En esta parte del proceso las fuerzas producidas por la capacidad predominan sobre las gravitatorias.

Figura 2.3: Capacidad de Infiltración.

Fuente: Hidrología Aplicada, Infiltración y humedad del suelo.

La lluvia 9 que cae se consume totalmente en intercepción, detención superficial o almacenamiento en depresiones, humedad del suelo, precipitación directa sobre la corriente de agua que sirve de drenaje al área considerada, agua subterránea, flujo superficial y escorrentía superficial.

9 (Hidrología de la Ingeniería, 1999)

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2.6.5 Escorrentía

La 10 escorrentía es una parte de la precipitación que se origina por la saturación del suelo, es el agua que alimenta las corrientes superficiales, continuas e intermitentes de una cuenca. Existen varios tipos de escorrentía y se denominan según su procedencia: a) Escorrentía Superficial, b) Escorrentía Hipodérmica o Subsuperficial y c) Escorrentía subterránea.

➢ Escorrentía Superficial o Directa

La escorrentía Superficial o directa es la precipitación que no se infiltró en ningún momento y llega a la red de drenaje moviéndose sobre la superficie del terreno por la acción de la gravedad. Corresponde a la precipitación que no queda detenida en las depresiones del suelo, y que escapa a los fenómenos de evapotranspiración.

➢ Escorrentía Hipodérmica o Subsuperficial

Es el agua de la precipitación que, habiéndose infiltrado en el suelo, se mueve sub horizontalmente por los horizontes superiores para reaparecer súbitamente al aire libre como manantial e incorporándose a microsurcos superficiales que la conducirán a la red de drenaje.

➢ Escorrentía Subterránea

Es parte de la precipitación que se infiltra hasta el nivel freático, desde donde circula hasta alcanzar la red de drenaje. La escorrentía superficial es la más rápida de todas y la escorrentía subterránea es la más lenta (del orden de m/h).

10 (https://hidrologia.usal.es, s.f.)

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