CONDUCCION DE AGUA DULCE BAJO EL MAR

Patricio Valdés Marín
pvaldesmarin@hotmail.com


El presente trabajo es un principio para la evaluación de la viabilidad técnica y la factibilidad económica de prolongar los ríos de la zona Central, después de su desembocadura, hacia el norte del país, conduciendo el agua dulce bajo el mar, dentro de conductos plásticos de amplia sección, a la manera de largos sifones, para ser aprovechada en el regadío de superficies desér­ticas. se ha calculado la posibilidad de construir un conducto de 500 km de longitud para conducir un caudal de 100 m3/s y regar una superficie de 120 mil hectáreas. El costo sería pagado con la plusvalía del terreno afectado.


1. INTRODUCCION

La vida sobre la superficie terrestre depende del agua dulce. Tanto las plantas como los animales terrestres necesitan grandes cantidades de agua para sobrevivir y desarrollarse. Una hectárea de cultivo consume sobre 60000 litros de agua diariamen­te. Un ser humano, como cualquier otro animal, es agua en un 65%, necesita reponer 2,5 litros diariamente y no lograría sobre­vivir sin beber por más de una semana.

Todo el mundo sabe que el agua contenida en los océanos y mares, que representa el 97,2% de toda el agua existente en el planeta, es salada y no apta para el consumo de los organismos terrestres. Del agua dulce existente, el 77% no puede emplearse porque se encuentra en forma de hielo en los casquetes polares y glaciares. Un 11% se encuentra a más de 500 metros de profundi­dad. Una proporción similar se encuentra en acuíferos a menos de 500 metros, pero requiere bombeo para extraerla. Un 0,2% se encuentra como humedad en la atmósfera y en el suelo. Sólo el 0,0035% de la ya escasa agua dulce de nuestro planeta circula por ríos y corrientes; y es esta pequeñísima proporción de un muy preciado recurso el que se usa para abastecer el consumo de los organismos vivos terrestres, tanto vegetales como animales.

Por otra parte, observamos que mientras una gran parte del agua dulce es derramada por los ríos en los océanos, sin poder volverse a utilizar, existen vastas extensiones desérticas que no pueden ser irrigadas porque en esos lugares los ríos y corrientes son o muy pequeños o simplemente inexistentes.

De lo anterior, el planteamiento fundamental de los proble­mas que deben resolverse radica en cómo aprovechar, para regar las superficies desérticas, los grandes caudales de agua dulce que los ríos botan al mar.

Un primer problema es la distancia que existe entre la desembocadura de un río, normalmente de regiones con adecuada pluviometría, y las regiones desérticas, con escasa pluviometría. Estas distancias sobrepasan los 500 kilómetros.

Un segundo problema consiste en la forma de transportar el agua de los ríos hasta las regiones desérticas. Si es por tierra y si el conducto pasa por cimas y hondonadas, deberemos entubar­la dentro de ductos resistentes a la presión y deberemos además bombearla. También un conducto, a la manera de un canal, puede seguir una cota levemente descendente, siempre que su comienzo sea a una cierta altitud. Pero además de significar que se está despojando de recursos hídricos aguas abajo, su conducción dará vueltas y más vueltas alrededor de cordones montañosos, en cir­cuitos interminables, para terminar por perder una gran propor­ción del agua conducida por evaporación e infiltración.

Una solución, en apariencia más económica, consistiría en transportar el agua en grandes buques tanques. Un barco que transporte 400000 tm podría abastecer el riego semanal de 800 hectáreas. Una semana sería el tiempo supuesto para hacer el viaje de ida y vuelta, y para cargar y descargar.

Un tercer problema radica en los caudales que podrían ser rescatados son sustanciales, superando la producción de miles de pozos profundos. Pero la misma magnitud impone una cantidad de problemas. Así, por ejemplo, para conducir un caudal de 100 m/s se necesitaría una tubería de 8 m de diámetro, un canal de sobre 20 m de ancho, o una flota de 150 supertanques.

Para conducir los grandes caudales de agua desde las desem­bocaduras de ríos hasta los desiertos e incorporar extensas superficies al riego, el presente trabajo analiza una solución que podría ser económicamente viable y técnicamente factible. En resumen, esta solución consiste en tomar el caudal de un río un poco antes que desemboque en el mar y conducirlo, a la manera de una prolongación del mismo río, bajo la superficie del mar, del mismo modo que un largo sifón. La conducción se realizaría en mangas flexibles de polietileno de baja densidad (PEBD), que denominaremos en lo sucesivo "el conducto". El apoyo del contor­no del conducto lo estaría ejerciendo la presión del agua del mar que rodea su envoltura. La conducción del agua dulce se haría hasta los puntos de consumo, a muchos cientos de kilómetros de distancia. En estos puntos, el agua sería bombeada hasta las superficies a irrigar, las cuales estarían más bien cercanas a la costa y a baja altitud.


2. CONSIDERACIONES Y CONDICIONES GENERALES

La anterior solución, tan simplemente expuesta, implica una serie de consideraciones y condiciones, las que se expresarán en tiempo potencial.

2.1. Un caudal práctico sería lo que un río, como el Maipo, el Rapel o el Maule, tiene en su desembocadura. Un caudal de 100 m/s sirve para regar directamente unas 120.000 hectáreas. Es posible que este caudal alcance para el riego indirecto de una superficie adicional, pues su evapotranspiración haría aumentar la humedad de la atmósfera, consiguiendo una precipitación media mayor. Debe considerarse además que esta superficie, al estar en latitudes menores, de mayor insolación, podría estar sometida al cultivo permanente, durante el año redondo, y tener varias cose­chas.

2.2. La bocatoma se efectuaría a partir de una represa construída al río antes de desembocar al mar. Con ello se consiguen tres objetivos:
2.2.1. Se podría regular el caudal. Mayor caudal que el requerido se podría desviar a un rebalse regulable.
2.2.2. Se podría regular la calidad del agua. Los sólidos tendrían tiempo para decantar, y los materiales flotantes podrían ser derivados fuera del conducto. La aducción podría cerrarse en avenidas de río.
2.2.3. Se conseguiría una altura apropiada sobre el nivel del mar de alta marea.

2.3. La conducción del agua desde la bocatoma hasta el empalme con el conducto debería hacerse con tubería sólida y subterránea para que no fuera afectada por la rompiente.

2.4. En el punto del empalme debería instalarse un regulador de presión. Este componente consistiría en un flotador en forma de rosquilla cuyo diámetro interior se conectaría al tubo que sale hacia la superficie desde conducto sumergido, antes de emprender su recorrido. El diámetro de este ramal debería ser capaz de conducir el mismo caudal que el conducto. El diámetro de la boca del tubo, que es rodeada por el flotador, debería ser lo sufi­cientemente grande como para que todo el caudal captado en la bocatoma pudiera rebalsar al mar sin que el nivel suba por sobre el borde más que una fracción de la carga de trabajo, pues la altura del agua de rebalse debería adicionarse a la carga reque­rida para vencer la pérdida por conducción. El flotador debería reunir tres condiciones adicionales:
2.4.1. Estar firmemente anclado, pero que pudiera subir y bajar según la marea.
2.4.2. Tener protección lateral para que posibles rompientes no ingreseran agua salada al conducto.
2.4.3. Tener una cierta magnitud para que el oleaje tuviera un mínimo efecto sobre el mismo.

2.5. La altura del borde de rebalse de la boca del regulador de presión con respecto al nivel presente del mar sería la componen­te de la pérdida de carga total por conducción, la carga necesaria para contrarrestar la mayor presión que ejerce el agua salada sobre el agua dulce a causa de su mayor peso específico y la carga adicional para compensar culaquier fluctuación debido al oleaje. Esta última altura conferiría una mayor carga para que la presión interna del conducto impida cualquier ingreso de agua salada a su interior a causa de una posible filtración.

2.6. El conducto para transportar el caudal de agua dulce se reali­zaría bajo la superficie del mar, a más de 30 m de profundidad. A esta profundidad, no se vería afectado por el oleaje y mareja­das de los temporales, ni por el tráfico marino de superficie, ni tampoco por la radiación UV que degrada el plástico.

2.7. En consideración a que la densidad del agua de mar es 2,5% mayor que la del agua dulce, se deberían tomar un par de impor­tantes resguardos:
a) aumentar la carga del agua dulce para compensar la mayor densidad del agua de mar, y por tanto su mayor peso, el cual se traduce en una mayor presión sobre la pared interna del conducto que iguale la mayor presión del agua salada sobre la pared exter­na.
b) Puesto que el menor peso del volumen de agua dulce conducida tendería a hacer flotar el conducto, éste debería ser anclado en toda su longitud al fondo del mar. El anclaje podría consistir en barrotes metálicos embutidos en tarugos metidos en perforacio­nes efectuadas en el fondo marino, en la proyección vertical de ambos lados del conducto, a distancias regulares. Estos barrotes sujetarían las cuerdas que estarían rodeando el conducto por su parte superior.

2.8. La sección del conducto se haría tan grande como para que la pérdida de carga en un trayecto de 500 kilómetros, o más, fuera mínima, de modo que la carga inicial fuera tan pequeña que permi­tiera que el conducto tuviera una pared muy delgada y así econo­mizar en material.

2.9. Si bien una sección grande del conducto permite que tenga paredes delgadas, ahorrando material, el mayor volumen de agua dulce admitido tiene por efecto aumentar la flotabilidad del conducto, lo que obligaría a anclajes más resistentes. Luego, el cálculo debería considerar ambos factores para que la relación material con espesor mínimo (sólo considerando la carga requerida para vencer la pérdida de carga, más la altura del agua sobre el rebalse) del conducto y material de cuerdas, fuera cercana a 1.

2.10. Si bien el nivel superior del conducto estaría a 30 m bajo el nivel de mar, su trayectoria podría seguir tanto la trayectoria curva de la cota ‑30 m como la trayectoria recta que implica subir y bajar de acuerdo con la topografía del fondo marino, siempre que la inclinación fuera moderada para que los sólidos que arrastrare el agua no llegaren a depositarse en algún punto bajo que obstruyera el conducto en el corto plazo. En cualquier caso, la trayectoria dependería de la situación del fondo marino.

2.11. Cada cima del trayecto debería tener un ducto abierto a la presión atmosférica, de poco diámetro y flexible, para evacuar al aire los gases transportados por el agua, los que podrían aumen­tar la flotabilidad del conducto si llegaran a establecerse como burbujas en las cimas de las curvas. El extremo superior de estos ductos se apoyaría en sendos elementos flotantes, los cuales servirían adicionalmente como señales a los barcos pesque­ros de arrastre sobre la proximidad del conducto.

2.12. Del conducto podrían salir ramales para abastecer las regio­nes aptas para el cultivo, pero con escasez de agua, que estuvie­ren en el camino del conducto.

2.13. El agua dulce llegaría, por último, a una boca de salida flotante, similar al rebalse flotante. En dicha plataforma se dispondría el sistema de bombas para bombear a la superficie de irrigación. A pesar de que el sistema consiste en un largo conducto que comunica dos vasos, el del rebalse flotante y la llegada en la boya flotante, el agua dulce surgiría a un nivel levemente superior que el nivel presente del mar, pues tendría la carga adicional compensatoria, más la que ha permitido compensar la mayor presión ejercida por el mar sobre la pared externa del conducto.

2.14. Las regiones aptas para el riego tendrían dos condiciones:
a) Su altitud máxima sería tal que el mayor gasto de energía en bombeo fuera compensado por el grado de competividad de los cultivos.
b) Su suelo debería ser apto para el cultivo en cuanto pendiente, salinidad, temperaturas extremas, etc.

2.15. La construcción y tendido del conducto se efectuaría mediante una embarcación de una capacidad suficiente para albergar una gran extrusora de mangas de plástico, compresores, bodegas para materias primas, tanques para el combustible requerido por la maquinaria. También dicha embarcación requeriría ser abastecida en alta mar. Su andar, muy controlado, dependería de la produc­ción de la extrusora, pues, al ir avanzando, descolgaría por la popa, hacia el mar, la manga plástica, la cual se fabricaría de una sola pieza para toda la extensión del conducto. La manga, al entrar al mar se iría llenando con el agua dulce que le estaría ingresando por su extremo inicial, adyacente a la desembocadura del río.

2.16. El afianzamiento del conducto al fondo marino lo efectuaría una segunda embarcación que seguiría a la anterior. Esta sumi­nistraría la cuerda necesaria para el afianzamiento del conducto, y arrastraría además, por el fondo marino, una estructura que iría perforando y montando los anclajes a control remoto.

2.17. Una tercera embarcación precedería a las dos anteriores. Su función sería ir investigando el trayecto y señalando el lugar preciso para la instalación del conducto.


3. DIMENSIONAMIENTO DEL CONDUCTO


En base a las anteriores consideraciones, se ha elaborado un método de cálculo, el cual se explicará utilizando un ejemplo:

3.2. Bases para el cálculo.
Tanto las bases como las ecuaciones pueden escribirse en una planilla de cálculo computacional. Las cantidades dimensionales son el resultado de una de las posibilidades particulares, la que servirá de ejemplo.

Caudal, Q = 100 m3/s
Longitud total del conducto, L = 500 km
Diámetro del conducto, D = 14 m
Diámetro del rebalse, Dr = 15 m
Densidad del agua de mar, ds = 1.025
Carga adicional compensatoria, Hc = 0.33 m
Coeficiente de tracción del PEBD y del PP, st = 160 kg/cm²
Coeficiente de rugosidad del PEBD, C = 150
Peso específico del PEBD, Pm = 0.92
Peso específico del PP, Pc = 0.98

3.2. Cáculo.

3.2.1. Cálculo de la sección, S, del conducto.

S = Pi D² / 4 =153.94 m²

3.2.2. Cálculo de la velocidad, v, del agua.

v = Q / S = 0.65 m/s, tardando 8.9 días en efectuar el recorrido de 500 km.

3.2.3. Cálculo de la altura de agua, Ha, sobre el rebalse.

Ha = [Q/(Pi Dr/4)] /2 g (m)

donde:
Dr = 15 m
g = 9,81 m/s s

Luego, Ha = 0,01 m

3.2.4. Cálculo de la pérdida de carga.

a) Para calcular la pérdida de carga, J, se empleó la fórmula de Hazen y Williams, la cual se expresa del siguiente modo:

J = 106,65 (60000 Q)1.852 / C1.852 (1000 D) 4.869 = 0,000132 m de presión por cada 100 m de recorrido

b) En 500 km, la pérdida de carga total, Hj, es:

Hj = J L/100 = 0,66 m

3.2.5. Cálculo de la altura de carga, Hd, para compensar la mayor densidad del agua de mar.

Hd = (ds 10) ‑ 10 = 0,25 m

3.2.6. Cálculo de la altura del rebalse, Hr.

Hr = Hj + Hd + Hc = 1,24 m

3.2.7. Cálculo de la presión interna, Hi, de la tubería.

Hi = Hj + Ha + Hc = 1,00 m = 0,10 kg/cm²

3.2.8. Cálculo del espesor, e, de la pared del conducto.

e = D Hi / 2 st = 0,0022 m = 2,2 mm

3.2.9. Cálculo del volumen total de material, Vm, de la manga de PEBD para el conducto.

Vm = Pi D e L = 48500 tm

3.2.10. Cálculo del peso total, wm, de la manga de PEBD para el conducto.

wm = Pm Vm = 44600 tm

3.2.11. Cálculo de la flotabilidad, F, por metro lineal de conducto.

F = S (ds ‑ 1) = 3,85 tm/m = 3850 kg/m

3.2.12. Cálculo de la sección, Sc, de la cuerda de sujeción por
metro lineal de conducto.

Sc = F / 2 st = 12 cm²

3.2.13. Cálculo de la longitud, Lc, de la cuerda de sujeción.

a) Por metro lineal de conducto.

Lcm = Pi D = 44 m

b) Por la longitud total del conducto.

Lct = Lcm L = 22000 km

3.2.14. Cálculo del volumen, Vc, total de las cuerdas de sujeción.

Vc = Sc Lct = 26400 tm

3.2.15. Cálculo del peso, wc, total de las cuerdas de sujeción.

wc = Pc Vc = 25900 tm


4. CONCLUSION

Siempre una idea que abre nuevas posibilidades plantea nuevas incógnitas, las que deberán ser resueltas. Mencionaremos algunas que surgen con un cierto realismo:
1. Magnitud de las corrientes marinas y su efecto sobre el conducto, lo cual determina el reforzamiento del anclaje.
2. Riesgo de ruptura del conducto por causas externas (pesca de arrastre, un pez espada, un sabotaje, un ancla, un naufragio) y la tecnología para detectar la avería y reparar el conducto.
3. Cuantificación de la superficie apta para irrigación. Su altitud determinará el costo de bombeo.

Si bien lo que se ha expuesto es un principio de evaluación de una idea, ésta no es sólo el punto de partida válido para la formulación de un proyecto de factibilidad técnica y económica, sino que también puede llegar a representar una innovación tecno­lógica que bien podría transformar la economía de una extensa región del país, haciendo aumentar enormemente el valor de la tierra a causa de su nuevo uso, atrayendo población y capital y generando trabajo y producción.

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