6.9: Agua Potable (Posible Sidebar)
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El agua potable es agua que es lo suficientemente limpia como para beber de manera segura. No contiene niveles nocivos de contaminantes químicos o microorganismos. Gracias a los esfuerzos de ingeniería que comenzaron hace varios miles de años, la mayoría de los residentes de los países desarrollados tienen acceso a agua potable y segura. Sin embargo, muchos residentes de países en desarrollo no tienen ese acceso, y luchan diariamente con la enfermedad y otros efectos del agua mala. Proveer agua a estas personas es un reto para los ingenieros y para las sociedades en las que trabajan.
En esta sección, rastreamos algunos de los importantes avances de ingeniería histórica relacionados con el agua potable en el contexto de sus sociedades. Nos fijamos en el suministro de agua a las grandes ciudades del antiguo mundo romano, la Europa medieval e industrial, y el moderno oeste de Estados Unidos.
Un tema común que recorre todos los proyectos de ingeniería discutidos en esta sección es que estos proyectos eran muy grandes. Muchos extendieron las capacidades técnicas de las civilizaciones que las implementaron. Su implementación requirió no sólo de una buena ingeniería, sino también de grandes compromisos de fondos por parte de los gobiernos para pagar a grandes grupos de trabajadores y proporcionar cantidades significativas de material. A lo largo de la historia, el desarrollo de sistemas de abastecimiento de agua potable y saneamiento ha sido emprendido principalmente por gobiernos y no por particulares o corporaciones. Así, los ingenieros que lideraron estos proyectos necesitaban habilidades que se extendieran mucho más allá de la aplicación de las matemáticas y las ciencias; necesitaban comprender y poder trabajar con los gobiernos para obtener los recursos para los proyectos, y necesitaban comprender las capacidades de los trabajadores que trabajarían en el proyectos.
Roma
Muchas de las civilizaciones que precedieron a Roma desarrollaron importantes técnicas de ingeniería que luego fueron adoptadas por los romanos. Jerusalén fue uno de los primeros grandes asentamientos humanos en los que un sistema diseñado abastecía de agua potable. El agua de manantiales cercanos a la ciudad fue desviada a través de túneles debajo de la ciudad hacia cisternas y embalses subterráneos para su almacenamiento. Civilizaciones vecinas, incluidas las de la actual Siria, Irak e Irán, utilizaron presas, acueductos, túneles y cuanats para abastecer de agua.
Inicialmente, los residentes de Roma obtuvieron agua potable del río Tíber y manantiales y pozos locales. Sin embargo, a medida que Roma crecía, algunas de estas fuentes de agua se contaminaron, y no proporcionaron suficiente agua para la ciudad. Cuando Roma necesitaba un suministro confiable de agua, los ingenieros romanos podían utilizar estas técnicas que habían sido desarrolladas por civilizaciones anteriores para abastecer de agua.
Los romanos construyeron acueductos para trasladar el agua de su fuente en manantiales o ríos a Roma. Estamos familiarizados con los puentes arqueados utilizados para transportar acueductos a través de valles; el acueducto que se muestra en la imagen (Figura abajo) es uno de esos puentes. Quizás menos conocido es que los ingenieros romanos evitaron construir estos puentes siempre que fuera posible, prefiriendo usar canales en el suelo o túneles para transportar el agua.
El Pont du Gard es un acueducto del sur de Francia construido por el Imperio Romano.
El acueducto más antiguo que abastecía a Roma fue el Appis, construido en 312 a.C. Finalmente, alrededor del 100 d.C., doce acueductos suministraron agua a las más de un millón de personas que vivían en Roma; los acueductos tenían una longitud total de unas 300 millas, con solo 40 millas en puentes arqueados. Además de Roma, a la mayoría de las otras grandes ciudades romanas se les abastecía de agua potable.
Similar a muchos proyectos de ingeniería, los ingenieros romanos que planearon y construyeron el sistema de agua romano no inventaron todas las técnicas que utilizaron, pero sí hicieron mejoras en estas técnicas. Por ejemplo, los romanos desarrollaron un cemento resistente al agua que se utilizó para revestir acueductos. Los romanos también desarrollaron la idea de almacenar agua potable en embalses cercanos a la fuente de agua, a diferencia de los embalses de la ciudad.
Gran parte de lo que sabemos del sistema de agua romano proviene de los escritos de Sexto Julio Frontinus (alrededor del 40—103), quien era el comisionado romano del agua alrededor del 100 d.C. Claramente estaba orgulloso del sistema de agua romano y de la ingeniería que lo había implementado. Escribió “con tal conjunto de estructuras indispensables que llevan tantas aguas, compárense si se quiere, las pirámides ociosas o las inútiles, aunque famosas obras del griego”.
Además de un suministro de agua potable, Roma contaba con un sistema de alcantarillado. En este sistema, el agua de los acueductos junto con el agua de arroyos y manantiales arrojaron desechos humanos y otras sustancias indeseables a través de las alcantarillas hacia el río Tíber. A diferencia de un sistema de alcantarillado moderno, los desechos no fueron tratados y contaminaron el río. Sólo las casas privadas más ricas estaban conectadas al sistema. Para aquellos sin plomería interior, las letrinas públicas estaban disponibles por un pequeño precio. Sin embargo, mucha gente vaciaría ollas de cámara desde las ventanas del piso superior hasta la calle.
Londres
Con el declive del Imperio Romano, muchos de los avances en el abastecimiento de agua potable y en el tratamiento de los desechos se perdieron, particularmente en el norte y oeste de Europa.
Londres se encuentra a orillas del río Támesis. En el siglo XIII, tenía una población de alrededor de 40 mil. Para el siglo XVII, esta población había crecido a más de medio millón. Al igual que en Roma, los londinenses dependían inicialmente del agua del río Támesis y de manantiales y pozos, pero a medida que la ciudad crecía, estos recursos se contaminaron y no sostenían a la población.
Se desarrollaron muchos proyectos de ingeniería para aumentar el suministro de agua. A mediados del siglo XIII, el “Gran Conducto” fue el primero de doce sistemas de conductos que se construyeron. En estos sistemas, el agua de un manantial se almacenaba en una gran cisterna cercana. Esta cisterna estaba conectada por una tubería a otra cisterna a una milla de distancia; esta segunda cisterna tenía espitas para dispensar el agua. De 1609 a 1613, el río Nuevo, un canal de casi 60 km, fue construido por Sir Hugh Myddleton (1560-1631). Este canal sigue siendo una importante fuente de agua para Londres hoy en día.
Al igual que en Roma, la eliminación de desechos humanos y animales también fue un problema en Londres a lo largo de su historia. El agua potable impura y el saneamiento deficiente fueron las principales causas de las devastadoras epidemias de peste que arrasaron Europa, incluida Londres, desde mediados del siglo XIV hasta mediados del siglo XVII. A pesar de los repetidos esfuerzos del gobierno, el río Támesis estaba contaminado por las aguas residuales y otros desechos que fluían hacia él.
A mediados de la década de 1840, la Comisión Metropolitana de Alcantarillas de Londres ordenó que se cerraran los cespits y que los desagües de las casas se conectaran al sistema de alcantarillado que drenaba hacia el Támesis. El aumento de la contaminación provocó brotes de cólera en 1848 y 1849. La imagen (Figura abajo) muestra una caricatura de comentario ofrecida por Michael Faraday (1791-1867), un influyente científico británico, sobre el estado del río en 1855. El verano de 1858 fue inusualmente caluroso, y el río Támesis, así como muchos de los arroyos que fluyen a través de Londres hacia él, estaban extremadamente contaminados con aguas residuales. El olor resultante era tan malo que amenazó con cerrar la operación del gobierno británico. Este episodio fue etiquetado como el “Gran Apesto”.
Una caricatura de comentario sobre el estado del río Támesis ofrecida por Michael Faraday en 1855.
El gran hedor era tan malo que la Junta Metropolitana de Obras (que reemplazó a la Comisión Metropolitana de Alcantarillas) autorizó a su ingeniero jefe, Joseph Bazalgette (1819-1891), a rediseñar y reconstruir el sistema de alcantarillado londinense. Su diseño utilizó 83 millas de túneles de alcantarillado forrados de ladrillo para mover las aguas residuales aguas abajo de Londres donde se liberaron sin tratar hacia el Támesis. La capacidad del sistema de alcantarillado era lo suficientemente grande como para que todavía esté en uso hoy en día. El sistema de alcantarillado de Londres era un programa masivo de obras públicas.
El oeste de los Estados Unidos
Gran parte del oeste de Estados Unidos es tierra árida o semiárida. Muchos de los principales centros metropolitanos de Occidente pueden sostener a sus poblaciones actuales solo debido a grandes proyectos de conservación del agua. Los proyectos de conservación del agua incluyen presas para almacenar agua y canales para distribuir esta agua.
La mayoría de estos grandes proyectos de conservación del agua en Occidente fueron construidos en la primera mitad del siglo XX. La construcción de estos proyectos fue una hazaña importante de ingeniería. Todos involucraron grandes presupuestos, grandes fuerzas de trabajo e hicieron uso de la tecnología más avanzada de su tiempo. Tres de estos proyectos son el proyecto Salt River en Arizona, el acueducto de Los Ángeles en California y la presa Hoover en el río Colorado (en la frontera Nevada/Arizona). Describimos brevemente estos tres proyectos.
El Proyecto del Río Salado
El Proyecto Salt River se inició en 1904 con el inicio de la construcción de la presa Theodore Roosevelt. El río Salt fluye desde las montañas en el este de Arizona, a través del área metropolitana de Phoenix, luego se une al río Gila en el camino hacia el río Colorado. El Río Salado está sujeto tanto a inundaciones como a sequías. Los agricultores cuyos cultivos fueron regados por el río necesitaban un suministro de agua más confiable. Por lo que crearon la Asociación de Usuarios de Agua del Valle del Río Salado en 1903. El primer gran proyecto de ingeniería fue la construcción de la Presa Theodore Roosevelt mostrada en una fotografía de 1915 en la imagen (Figura abajo). Iniciada en 1904 y terminada en 1911, esta presa era la presa de mampostería más alta del mundo en el momento de su finalización. Tenía 280 pies de altura y almacenaba 1.65 millones de pies acres (537 mil millones de galones) de agua en el lago Theodore Roosevelt (el embalse creado por la presa). La siguiente imagen (Figura abajo) es una fotografía de la dedicación de la presa de Theodore Roosevelt, quien era presidente de Estados Unidos en el momento de su finalización.
La presa Theodore Roosevelt en 1915.
El presidente Theodore Roosevelt hablando en la presa que lleva su nombre.
Se agregaron tres presas más (Horse Mesa, Mormon Flat y Stewart Mountain) en el río Salt debajo de la presa Theodore Roosevelt entre 1923 y 1930. El agua almacenada por estas presas se libera al río Salt cuando es necesario, y fluye aguas abajo hacia la presa de desvío Granite Reef donde se canaliza hacia canales que distribuyen el agua en toda el área metropolitana de Phoenix. El propósito original del Proyecto Río Salado era abastecer de agua para la agricultura. Desde la década de 1960, esta agua también ha hecho posible el rápido crecimiento poblacional del área metropolitana de Phoenix; el área metropolitana de Phoenix ha crecido a más de 4 millones de personas.
El Acueducto de Los Ángeles
El acueducto de Los Ángeles abastece de agua al área metropolitana de Los Ángeles. El acueducto transporta agua desde el río Owens en el centro de California hasta Los Ángeles. Fue construido de 1908 a 1913 por unos 5000 trabajadores a un costo de 23 millones de dólares.
El ingeniero principal responsable del diseño y construcción del acueducto fue William Mulholland (1855-1935). Inmigrante irlandés nacido en 1855, llegó a Los Ángeles en 1877 y comenzó a trabajar como mantenedor de zanjas. Tenía poca educación formal, pero en su mayoría era autodidacta a partir de libros de texto de matemáticas e ingeniería. Finalmente se convirtió en el jefe del Departamento de Agua y Energía de Los Ángeles, y fue en esta posición donde planeó y construyó el acueducto. Su carrera como ingeniero terminó abruptamente en 1928, cuando se derrumbó la Presa de San Francisco que había diseñado y cuya construcción había supervisado, y la inundación resultante mató a casi 500 personas.
El acueducto fue un logro significativo de ingeniería en el momento de su construcción. Transporta agua por 226 millas. Cuenta con 142 túneles cuya longitud total es de 43 millas; el túnel más largo es el Elizabeth, que tiene cinco millas de largo. El acueducto utiliza sifones para atravesar varios valles grandes. El ingreso del acueducto a Los Ángeles es por las cascadas que se muestran en esta imagen (Figura abajo).
Después de fluir por el acueducto, el agua ingresa a Los Ángeles a través de estas cascadas.
El acueducto de Los Ángeles hizo posible el rápido crecimiento del área de Los Ángeles, particularmente durante la primera mitad del siglo XX. Esto llegó a un costo ambiental severo: el valle del río Owens se transformó en un desierto. El lago Owens, originalmente alimentado por el río Owens, se secó en un salar alcalino, y el polvo de este piso hoy en día es un peligro ambiental. Las aves alguna vez usaron el lago Owens como área de descanso mientras migraban; ya no lo hacen. Como resultado de una demanda resuelta en 2003, se requirió que el Departamento de Agua y Energía de Los Ángeles (que opera el acueducto de Los Ángeles) comenzara a permitir que algo de agua fluyera en el río Owens.
Presa Hoover
El río Colorado fluye por 1440 millas desde su nacimiento en las Montañas Rocosas hasta el Golfo de California en el Océano Pacífico, y drena un área de 244,000 millas cuadradas. Tiene un flujo promedio anual de 17.5 millones de acres pies; este flujo varía enormemente de mucho más bajo en años de sequía a mucho mayor en años de inundación. La cuenca del río Colorado incluye porciones de siete estados: Arizona, Colorado, California, Nevada, Nuevo México, Utah y Wyoming. El río Colorado suministra agua a más de 24 millones de personas que viven en comunidades dentro y fuera de su cuenca, incluyendo Los Ángeles, Phoenix, Albuquerque, Las Vegas, Salt Lake City, Denver y San Diego. También proporciona agua de riego a unos 2 millones de acres de tierra.
El río Colorado es una de las fuentes de agua más reguladas en Estados Unidos, y la proporción de agua de cada estado está determinada por varias leyes federales. Para abastecer esta agua, se ha desarrollado un sistema de presas y canales en el río Colorado y sus afluentes. Hoover Dam fue la primera de estas presas y uno de los proyectos de ingeniería más grandes de Estados Unidos.
La presa Hoover (originalmente llamada presa Boulder Canyon) fue construida entre 1931 y 1935. Se muestran la presa y el lago Mead (el embalse detrás de la presa) (Figura abajo). En el momento de su construcción, era la estructura de concreto más grande del mundo. Mide 726 pies de altura, y fue la presa más alta del mundo cuando se construyó. La central hidroeléctrica en la base de la presa genera energía eléctrica; fue la central hidroeléctrica más grande del mundo de 1939 a 1949.
Una fotografía aérea de la presa Hoover.
La siguiente imagen (Figura abajo) muestra un plano de la presa y el cañón circundante. Se muestran varias de las técnicas que fueron necesarias para construir la presa en el fondo de un profundo cañón. Antes de que pudiera comenzar la construcción en la presa, el río Colorado fue desviado lejos del sitio de construcción. El río fue desviado a través de cuatro túneles cortados en las paredes del cañón. Los túneles tenían 56 pies de diámetro con forros de concreto de tres pies de grosor. Una vez terminados los túneles, se construyeron dos cofferdam, una aguas arriba del sitio de la presa y otra aguas abajo del sitio de la presa. Estos desviaron el río a través de los túneles, dejando seco el sitio de la presa para su construcción.
Un mapa de contorno de la presa Hoover y el cañón circundante.
Al momento de su construcción, la presa era la estructura de concreto más grande que se había construido. Esto presentó varios retos en la construcción. Uno estaba moviendo el concreto húmedo a la ubicación adecuada a medida que se construía la presa. Otro fue enfriar el concreto a medida que se endurecía (el concreto desprende calor a medida que fragua, y si se calienta demasiado, no se endurecerá correctamente).
Frank Crowe (1882—1946) fue el ingeniero que dirigió la construcción de la presa. Inventó las técnicas que se utilizaron para resolver muchos de los problemas de construcción. Nacido en 1882, asistió a la Universidad de Maine de 1891 a 1895, estudiando Ingeniería Civil. En 1905, comenzó a trabajar en el Servicio de Reclamación de Estados Unidos, y trabajó en la construcción de presas durante los siguientes 20 años; fue en este periodo cuando comenzó a desarrollar las técnicas de construcción que permitirían construir la Presa Hoover. Además de su experiencia técnica, fue talentoso para llevarse bien con diferentes personas en diferentes niveles. Según un compañero de trabajo, “Una cosa que sabía eran los hombres”.
Al igual que con todos los desarrollos de tal magnitud, también hay temas asociados con la presa. Una es que Lake Mead se está llenando lentamente de sedimentos. El río Colorado lleva una enorme cantidad de rocas, arena y limo que ha sido erosionado de la tierra que drena. A medida que el flujo del río se ralentiza al ingresar al lago Mead, este sedimento se asienta fuera del agua. Estudios recientes muestran que ahora tiene entre 30 metros y 70 metros de profundidad. Al ritmo actual de sedimentación, se acumulará suficiente sedimento para llenar completamente el Lago Mead en los próximos cientos de años a menos que se idee un método para resolver el problema de sedimentación.