Caracterizar la cuenca del río Síquima teniendo en cuenta las condiciones y variables ambientales en fuentes bibliográficas, DEM, información de las estaciones meteorológicas del Ideam, bases de datos y noticias.

Caracterización física y fisiográfica de la cuenca. A partir de imágenes satelitales y de los DEM a una resolución de 12 m de la misión Alos Palsar, utilizando la metodología planteada por Cerener [13].

Identificación de la población. Para este apartado se tuvo en cuenta el censo que realizo el Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE) en el 2018. Para determinar la población que está presentes dentro de la cuenca se tuvieron en cuenta las viviendas, los hogares y las personas, junto con las veredas totales o parciales que conforman la cuenca.

Estimación de la demanda de agua. La demanda de agua del municipio de Albán se determinó a partir de los lineamientos del Reglamento Técnico para el Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS) 2017, en el cual la demanda media total de agua es la suma de la demanda residencial más la demanda de otros usos. En este caso, solo tuvo en cuenta la demanda media residencial y se despreciaron los otros usos.

Para establecer la dotación neta, se tomaron en cuenta los valores generalizados que se encuentran en la guía, cuyo referente son los promedios de altura sobre el nivel del mar (tabla 1).

Tabla 1

Altura promedio sobre el nivel del mar de la zona atendida (m s. n. m.)	Dotación neta máxima (L/hab. × día
> 2000	120
1000-2000	130
< 1000	140

Fuente: [14].

Para determinar la dotación bruta es vital considerar las pérdidas generadas, que se pueden determinar con el nivel de complejidad, como se puede ver en la tabla 2

Tabla 2

Nivel de complejidad del sistema	Porcentaje de pérdidas
Bajo	40
Medio	30
Medio alto	25
Alto	20

Fuente: [14].

Al determinar las pérdidas generadas, es posible establecer la dotación bruta, aplicando la ecuación (1):

Dbruta = dneta/(1 - %p ) (1)

Fuente: [14].

Donde:

Dbruta: dotación bruta

%P: pérdida de agua en el sistema

Dneta: demanda neta

A partir de los datos anteriores, se calcula la demanda total de agua, de acuerdo con lo estipulado en el proyecto. En este caso, la demanda residencial es igual a la demanda total de agua, la cual se calcula con la ecuación (2).

Qmr = (Ps*Dbruta )/86400 (2)

Fuente: [14].

Donde:

Qmr: demanda media residencial

Dbruta: dotación bruta

Ps: población servida

Finalmente se comparó la demanda de agua para el municipio y el volumen de agua que se capta en la cuenca para cada mes, con el fin de determinar si realmente se alcanza a abastecer.

Establecer una propuesta para el aprovechamiento del agua lluvia mediante un embalse para abastecer al municipio de Albán, utilizando la herramienta HEC-GeoHMS. Se tomó en cuenta la metodología de Bhatt y Pandya [10] (figura 2).

Figura 2

La herramienta se utiliza para procesar la información de los DEM, de la misión de Alos Palsar, con la finalidad de obtener la mayor cantidad datos hidrológicos posibles de la zona y tomar decisiones para el diseño del embalse.

Calcular variables hidráulicas para el suministro de la población de Albán desde el embalse hasta la planta de tratamiento de agua potable.

Demanda de agua. Para determinar la demanda de agua se utilizó la tabla 1 y se estimó la demanda neta desde la demanda bruta sugerida en el RAS 2002, según la altitud del municipio de estudio. Para el periodo de diseño se tomó en cuenta la complejidad del municipio a partir de la proyección de la población [14].

Dimensionamiento del reservorio. Determinar las dimensiones del reservorio implica garantizar que este cubra, por lo menos, un mes la dotación requerida. Se deben tener en cuenta las pérdidas generadas por la filtración y la evaporación. Para el modelo del reservorio se utilizará una capa de 60 cm de arcilla para disminuir la infiltración [15].

A fin de construir el reservorio se realizará un talud que se encuentre sobre una cota que en la parte superior se pueda remover la cobertura vegetal [15] (figura 3).

Figura 3

El núcleo debe fabricarse de un material tipo arcilloso para darle estabilidad al embalse. En la instalación de la tubería de salida se debe abrir una zanja de 60 cm × 60 m de profundidad y luego de colocar la tubería se rellena con 40 cm de arcilla, compactándola al final (figura 4). Para ajustar la tubería a la tierra es necesario soldarle unas placas cuadradas, que eviten su movimiento en la compactación del suelo.

Figura 4

Formación de taludes. En la construcción de los taludes se deben utilizar materiales que estén compuestos por un 40 % de arcilla. Los diámetros de los taludes se calculan a partir del grado de inclinación, que debe ser de 1:2 en el lado seco y 1:3 en el lado húmedo (tabla 3), para transferir la carga estática del peso de agua de manera vertical y disminuir así la componente del peso en la horizontal [16].

Tabla 3

Grado de inclinación del lado seco	Grado de inclinación del lado húmedo

Corona. El espesor de la corona se calcula por la relación con la altura del reservorio. Se recomienda que el espesor sea de 1,5 m por cada metro de altura en el talud [15]. Con el fin de que la corona no acumule agua, se recomienda que esta tenga un desnivel intermedio de 15 cm, con una buena compactación y que sea de un material arcilloso, que le confiere impermeabilidad.

Desarenador. Para los reservorios, el desarenador es una caja de concreto reforzado con ladrillo. Se construye a 3 m de distancia del talud en la parte inferior. Se recomienda construir la caja de 0,8 m2 × 0.6mde profundidad. El tubo de PVC contará con un codo en la punta de la tubería.

Diseño de tubería de transporte de agua. En el diseño hidráulico del proyecto se utilizó el software Flowmaster, el cual simula el comportamiento del fluido, teniendo en cuenta los componentes internos (diámetro de la tubería, tipo de material, entre otras) y los componentes externos (altitud, temperatura ambiente, etc.).

Para el diseño de tubería es vital caracterizar el fluido, y entre los parámetros se encuentran: la temperatura (C°), la densidad (kg/m3), el estado en el que se encuentra y la viscosidad del fluido (Pa*s) .

Posterior a la identificación del fluido, se deben caracterizar algunos componentes de la zona y de las materias que se van a utilizar [17].

Se utilizó el programa Flowmaster que trabaja con la ecuación de Darcy-Weisbach y Colebrook-White para determinar las variables deseadas [18]:

hf=f (L_T* )/D 〖v^2〗_2/2g (3)

Fuente: [17]

Donde:

LT: longitud total

D: diámetro interno de la tubería

V22: velocidad del flujo del fluido en la cota 2

g: gravedad

f: factor de fricción.

En el programa se calculan el factor de fricción y las velocidades de flujo para cumplir con las condiciones de flujo deseadas según el diámetro de la tubería que se va a utilizar.

Con la ecuación 3 se estima la velocidad de flujo para hallar las demás relaciones con las ecuaciones de Bernoulli (ecuaciones 4 y 5). Ellas nos permiten saber si se puede realizar una conducción por gravedad o si es necesario el uso de un sistema de bombeo

P_1/ρ+ 〖v^2〗_1/2g+ h_1= P_2/ρ+ 〖v^2〗_2/2g+ h_2+〖hf〗_(1-2 )(4)

Fuente: [17].

Donde:

P1: cabeza de presión en la cota 1

P2: cabeza de presión en la cota 2

ρ: densidad del fluido

V21: velocidad del flujo del fluido en la cota 1

V22: velocidad del flujo del fluido en la cota 2

g: gravedad

h1: altura de la cota 1

h2: altura de la cota 2

hf: pérdidas por fricción

F= 1,325/( {〖-Ln[0,0015/3,7D+5,74/〖Re〗^0,9 ]〗^2 } ) (5)

Fuente: [17].

Donde:

D: diámetro interno de la tubería

Re: número de Reynolds

Por último, se determina el caudal de salida mediante la ecuación 6:

Q=(πD^2)/4*v (6)

Fuente: [17].

Donde:

Q: caudal de salida

D: diámetro interno de la tubería

V: velocidad del fluido

A partir del análisis con los SIG, se hizo un reconocimiento de la cuenca del río Síquima como se puede observar en la figura 5, identificando el área de captación de la cuenca, la dirección del flujo de agua, el flujo acumulado, además del geoposicionamiento en coordenadas y altura de los municipios.

Figura 5

Los parámetros morfométricos de una cuenca nos permiten predecir y comparar algunos entornos, con el fin de determinar características propias del área de estudio [19]; en otras palabras, las variables físicas que componen la cuenca se encuentran relacionada con el comportamiento hidrológico como se muestra en la tabla 4

Tabla 4

Parametros morfométricos	Valores
Área de la cuenca	18,91 Km
Perímetro	20,72
Coeficiente de compacidad	1,33
Longitud del cauce mas largo	7,622 Km
Factor de forma	0,38
Pendiente media	16,15%

Fuente: Los autores.

La pendiente de la cuenca es del 16,15 %. Debido a que es un paisaje montañoso, una alta pendiente hace que se generen procesos de inundación y sequía en la cuenca, por la alta velocidad de flujo en el tránsito de crecientes de la zona de estudio, y si a esto se añade el proceso de cambio de cobertura de bosques a pastizales, los procesos de escorrentía se ven aumentados (figura 6).

Figura 6

En este apartado se presentan los diferentes procesos definidos en la herramienta HEC-GeoHMS, para las características de la cuenca del río Síquima. Los procesos definidos se determinaron según las herramientas individuales que conforman el procedimiento del HEC-GeoHMS. También se interpoló información en zonas donde el DEM no registraba.

Según Bhatt y Pandya [10], se determinaron los resultados obtenidos del procedimiento de la herramienta HEC-GeoHMS, junto con las imágenes de cada herramienta, como se muestra en la tabla 5:

• Depressionless DEM (DEM sin depresión): en este proceso se creó una capa en el cual se llenan las depresiones, es decir, aumentan los pozos a la elevación de las capas al nivel del terreno circundante.

• Flow direction (direción del flujo): se muestra un proceso en el cual se define la dirección del flujo de acuerdo con el modelo de elevación de terreno corregido.

• Flow accumulation (acumulación de flujo): determinación del número de celdas río arriba que drenan a una capa determinada. Donde el área es calculada al multiplicar el tamaño de la celda por el número de celdas aportantes.

• Streamdefinition (definición de flujo): se muestra una clasificación de todas las celdas con una acumulación de flujo mayor al umbral definido por el usuario como número de celdas que ocasionarán una red de flujo.

• StreamSegmentation (segmentación de flujo): realiza una división de la cuadrícula del flujo en segmentos. Los segmentos de corrientes o enlaces son las secciones de una corriente que pueden conectar dos uniones sucesivas, una unión con la salida o la división de drenaje.

• Catchment grid delineation (delimitación de la cuadrícula de captación): se evidencia la delimitación de cada subcuenca para cada segmento de flujo.

• Catchment polygon processing (procesamiento de polígonos de captación): se crea una capa vectorial de las subcuencas utilizando la cuadrícula de captación del paso anterior.

• Drainage line processing (procesamiento de una línea de drenaje): creación de una capa de flujos en formato vectorial.

• Watershed aggregation (agregación de cuencas): proceso en el cual se agregan las subcuencas aguas arriba en cada confluencia. Paso obligatorio que no solo mejora el rendimiento computacional de las subcuencas delineadas, sino que también la extracción de datos, al definir un proyecto HEC-GeoHMS.

Figura 10

Acorde al análisis de la figura 10, por las ubicaciones de los municipios y la planta de tratamiento de agua potable del municipio de Albán, se determinó la posible ubicación del reservorio de agua. Se identificaron las cotas máxima y mínima para usar a favor la variable de la gravedad para almacenar la precipitación de la cuenca.

La figura 11 no solo muestra el área de la subcuenca, sino también la exageración del terreno, y para una perspectiva de 3D se encuentra la ubicación de la estación meteorológica Venecia 2119756 de la jurisdicción de la Corporación Autónoma Regional (CAR). Finalmente, se muestran las vertientes de agua tanto en la microcuenca como en la cuenca.

Figura 11

Con la topografía de la cuenca de Guayabal de Síquima se predice fácilmente el recorrido que hace el agua cuando se presentan eventos de precipitación, debido a las pronunciadas pendientes. Algunas técnicas de aprovechamiento de agua lluvia permiten pequeños cambios en la topografía, a fin de conducir el recurso mediante camellones y zanjas [22].

Figura 12

Los resultados del objetivo 3 están compuestos en el hidrograma de crecida de la cuenca por el método SCS en la herramienta HEC-GeoHMS. La segunda parte expresa las características del reservorio de agua y el diseño de tubo conductor para transportar el agua desde el embalse hasta la planta de tratamiento

En primera medida, se determinaron las características del fluido a partir de la temperatura promedio del sector, como se puede ver en la tabla 7

Tabla 7

Nombre del fluido	Formula química	Temperatura C°	Presión	Densidad Kg/m3	Estado	Viscosidad del fluido (pa*s)
Agua	H2O	16	0	998	Líquida	0,001109

Fuente: Los autores.

Los datos generales del fluido son insuficientes para alimentar el programa Flowmaster de tuberías. Son necesarios otros datos de entrada que especifiquen las condiciones del terreno y de los materiales que se van a utilizar (tabla 8).

Tabla 8

Datos de entrada
Cota 1 (m)	2343
Cota 2 (m)	2293
Longitud total (m)	1780
Densidad del fluido ( Kg/m3)	998
Viscosidad del fuido (pa*s)	0,001109
Rugosidad (mm) PVC	0,0015
Diámetro interno de la tuberia (mm)	99,7

El software Flowmaster, de forma sencilla, determina el comportamiento del fluido en una tubería considerando las pérdidas de energía producida por los accesorios o el material del que se encuentra compuesto la tubería (tabla 9). Este programa se puede llevar a cabo en sistemas simples o complejos [18].

Tabla 9

Variable	Valor	Variable	Valor
Elevacion 1(m)	45	Grado energético 1(m)	45
Elevacion 2(m)	31.9	Grado energético 2(m)	31.999
Longitud (m)	1780	Flujo de área (pies 2)	0.1
Rugosidad de altura (mm)	0.0015	Perímetro húmedo (m)	0.319
Diámetro (pull)	4	Velocidad (0.87(m/s)	0.87
Caudal de salida(L/s)	7.09	Fricción (Método Darcy Weisbach)	0.019
Coeficiente de viscocidad (m2/s)	1.14E-06	Número de Reynolds	77939.54
Peso especio(N/m3)	9810	velocidad de perdida (m)	0.039
Perdidas por la friccion (m)	13	Fricción de pendiente (pies/pies)	0.007

Fuente: Los autores.

Además, se tuvieron en cuenta las pérdidas por accesorios (6,42 m) y las pérdidas por fricción en la tubería (13,1 m), que reducen la energía del sistema a 19,52 m (figura 16).

Figura 16

El trazado de la tubería se realizó de acuerdo con la ubicación del reservorio, hasta la ubicación de la planta de tratamiento del municipio de Albán, donde se verificaron distancias y altitudes para saber las pérdidas por fricción en el software Flowmaster (figura 17).

Figura 17

La tubería debe tener un recubrimiento para evitar movimiento, además de protegerla del sol; por tanto, se hace una zanja y se le dan los recubrimientos de la figura 15.