Gestión patrimonial de alcantarillados by PUJaveriana

Para responder a esta problemática, y a partir de una juiciosa y extensa revisión bibliográfica, Nathalie Hernández y Andrés Torres han condensado en este libro toda la información sobre la gestión patrimonial de alcantarillados. Específicamente, se han ocupado de las principales herramientas, los métodos y las metodologías que se han desarrollado para redirigir la gestión de los sistemas de alcantarillado de manera proactiva, con el fin de proteger la vida útil de los elementos que los conforman y la correcta funcionalidad de las infraestructuras circundantes.

ISBN 978-958-781-464-4

Nathalie Hernández Rodríguez • Andrés Torres

GESTIÓN PATRIMONIAL DE ALCANTARILLADOS Nathalie Hernández Rodríguez Andrés Torres

Nathalie Hernández Rodríguez Ingeniera civil y magíster en Hidrosistemas de la Pontificia Universidad Javeriana (Bogotá, Colombia). Es candidata a doctora en Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana y miembro del grupo de investigación Ciencia e Ingeniería del Agua y el Ambiente. Además, cuenta con ocho años de experiencia como investigadora en diversos temas de la gestión patrimonial de alcantarillados, como el análisis de variables que influyen sobre la condición estructural de los activos, el desarrollo de herramientas de predicción de fallas y condiciones de los activos del alcantarillado y las propuestas de gestión que apoyan actividades de rehabilitación de esta infraestructura.

Andrés Torres GESTIÓN PATRIMONIAL DE ALCANTARILLADOS

Desde la Antigüedad, las redes de alcantarillado han cumplido la función de evacuar las aguas de las ciudades, tanto las provenientes de las precipitaciones atmosféricas como las residuales generadas por actividades humanas. A mediados del siglo XX, se empezaron a construir sistemas de redes de alcantarillado separados para evacuar las aguas servidas hacia plantas de tratamiento y las aguas lluvias hacia las corrientes de agua. Hoy, estos hidrosistemas urbanos están sometidos a presiones cada vez mayores, producto del cambio climático, la contaminación ambiental, la limitación de recursos y el envejecimiento de su infraestructura, que los han deteriorado y los hacen cada vez más propensos a fallar. Esto ha provocado un impacto en el servicio y, por consiguiente, en la calidad de vida de las comunidades.

Ingenier o c i v il y e spec ial i s t a en S i s tem a s G er enc ial e s en Ingenier ía de l a P ontif ic ia Universidad Javeriana (Bogotá, Colombia). Es magíster en Ingeniería Civil y doctor en Hidrología Urbana de la Universidad de Lyon (INS A Lyon, Francia). Actualmente es profesor titular de la Pontificia Universidad Javeriana y miembro del grupo de investigación Ciencia e Ingeniería del Agua y el Ambiente. Sus actividades como docente se centran en la carrera de Ingeniería Civil, en la Maestría en Hidrosistemas y el Doctorado en Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana. Como investigador ha trabajado por más de quince años en los campos de la hidrología urbana, especialmente en lo que se refiere a sistemas urbanos de drenaje sostenible, aprovechamiento de aguas lluvias y gestión patrimonial de alcantarillados.

9 789587 814644

Gestiรณn patrimonial de alcantarillados

Gestión patrimonial de alcantarillados N at h a l i e H e r n á n d e z R o d r í g u e z An d r é s T o r r e s

Facultad de Ingeniería

Reservados todos los derechos

Corrección de estilo:

Ella Suárez

Diagramación:

Andrés Torres

Marcela Godoy

Primera edición: Bogotá, D. C.,

Diseño de cubierta:

junio de 2020

La Central de Diseño

ISBN (impreso): 978-958-781-464-4

Impresión:

ISBN (digital): 978-958-781-465-1 DOI: https://doi.org//10.11144/

Xpress Estudio Gráfico y Digital

Javeriana.9789587814651 Número de ejemplares: 300 Impreso y hecho en Colombia Printed and made in Colombia Editorial Pontificia Universidad Javeriana

Pontificia Universidad Javeriana | Vigilada

Carrera 7 n.° 37-25, oficina 1301

Mineducación. Reconocimiento como

Edificio Lutaima Teléfono: 320 8320 ext. 4752 www.javeriana.edu.co/editorial

Universidad: Decreto 1297 del 30 de mayo de 1964. Reconocimiento de personería jurídica: Resolución 73 del 12 de diciembre de 1933 del Ministerio de Gobierno.

editorialpuj@javeriana.edu.co Bogotá, D. C.

Pontificia Universidad Javeriana. Biblioteca Alfonso Borrero Cabal, S. J. Catalogación en la publicación Hernández Rodríguez, Nathalie, autora Gestión patrimonial de alcantarillados / Nathalie Hernández Rodríguez, Andrés Torres. -- Primera edición. -- Bogotá : Editorial Pontificia Universidad Javeriana, 2020. 114 páginas : ilustraciones ; 24 cm Incluye referencias bibliográficas. ISBN : 978-958-781-464-4 1. Alcantarillado 2. Ingeniería de estructuras 3. Estructuras hidráulicas 4. Construcciones subterráneas 5. Patrimonio cultural y urbanístico 6. Ingeniería civil I. Torres Abello, Andrés Eduardo, autor III. Pontificia Universidad Javeriana. Facultad de Ingeniería CDD 628.2 edición 21 inp 26/03/2020 Prohibida la reproducción total o parcial de este material sin la autorización por escrito de la Pontificia Universidad Javeriana. Las opiniones expresadas son responsabilidad exclusiva de los autores y no comprometen a la Pontificia Universidad Javeriana.

Contenido

Siglas

Figuras

Tablas

Prefacio

Introducción general

1. Gestión patrimonial de infraestructura

2. Gestión patrimonial del alcantarillado

3. Tecnologías para recolectar información de los activos del sistema de alcantarillado

4. Evaluación de la condición de los activos de alcantarillado

5. Factores que influyen en la vida útil de los activos de alcantarillado

6. Métodos/metodologías para predecir las condiciones o daños de los alcantarillados (modelos de deterioro)

7. Programas de gestión

Referencias

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Siglas

anp

Analytical network process (proceso de red analítica) American Society of Civil Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Civiles) awwa American Water Works Association (Asociación Americana de Obras Hídricas) cci Combined condition index (índice de condición combinada) cctv Closed-circuit television camera (cámara de circuito cerrado de televisión) Cepal Comisión Económica para América Latina y el Caribe ceriu Centre d’Expertise et de Recherche en Infrastructures Urbaines (Centro de Especialización e Investigación en Infraestructuras Urbanas) cr Consistency ratio (tasa de consistencia) dts Distributed temperature sensor (sensor de temperatura distribuida) dwa Deutsche Wirtschaftsakademie (Academia Económica Alemana) eaab Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá gis Geographic information system (sistema de información geográfica) gpa Gestión patrimonial de alcantarillados gpi Gestión patrimonial de infraestructura her Hierarchical evidence reasoning (razonamiento de evidencia jerárquica) iam Infrastructure asset management (gestión patrimonial de infraestructura) ic Infraestructuras críticas i ndigau Indicateurs de performances pour la gestion patrimoniale des réseaux d’assainissement urbains (indicadores de asce

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desempeño para la gestión patrimonial de las redes de alcantarillado urbano) iobs Impacto observado mscc Manual of Sewer Condition Classification (manual de clasificación de la condición del alcantarillado) naapi North American Association of Pipeline Inspectors (Asociación Norteamericana de Inspectores de Tuberías) assco National Association of Sewer Service Companies (Asociación n Nacional de Compañías de Servicios de Alcantarillado) pacp Pipeline Assessment Certification Program (Programa de Certificación y Evaluación de Tuberías) pca Principal components analysis (análisis de componentes principales) pi Performance indicators (indicadores de desempeño) pvc Polyvinyl chloride (policloruro de vinilo) rerau Réhabilitation des réseaux d’assainissement urbains (rehabilitación de redes de saneamiento urbano) sig Sistemas de información geográfica srm Sewer rehabilitation manual (manual de rehabilitación de alcantarillados) sset Sewer scanner and evaluation technology (tecnología de escáner y evaluación del alcantarillado) svm Support vector machines (máquinas de soporte vectorial) waa Water Authorities Association (Asociation de Autoridades del Agua) wrc Water Research Centre (Centro de Investigación del Agua)

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Figuras

Figura 1. Ejemplos de la infraestructura pública que poseen

las ciudades

Figura 2. Ejemplos de infraestructura crítica

Figura 3. América Latina: distribución de las inversiones en infraestructura por sector de infraestructura, 2003-2012 (en porcentajes del producto interno bruto)

Figura 4. Etapas de la gestión de activos de infraestructura basadas en Lemer (1999) que originan las principales temáticas de 27 investigación en gestión patrimonial de alcantarillados Figura 5. Inspección de redes con cámara de circuito cerrado de televisión

Figura 6. Perfilador láser para inspección de tuberías

Figura 7. Radar de penetración de suelo o georradar

Figura 8. Dispositivo basado en técnicas acústicas e imagen sonar producto de la inspección de tuberías

Figura 9. Inspecciones ultrasónicas

Figura 10. Sistemas de detección de temperatura

Figura 11. Resumen de las tecnologías de inspección

Figura 12. Gráfico esquemático de los sistemas de información geográfica: integración de mapas ráster y vectoriales

Figura 13. Códigos de defectos estructurales, operacionales y misceláneos

Figura 14. Códigos de defectos adicionales propuestos por el mscc1 43 Figura 15. Antecedentes históricos de manuales de calificación de la condición de alcantarillados basados en el primer manual de rehabilitación de alcantarillados

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Figura 16. Relaciones entre los diferentes tipos de indicadores

Figura 17. Definición de los umbrales de calibración basados en la opinión de expertos y los grados de condición calculados utilizando la metodología indigau

Figura 18. Desarrollo de la metodología del índice de condición combinada

Figura 19. Algoritmo del modelo propuesto por Ennaouri y Fuamba (2011)

Figura 20. Diagrama de flujo del modelo integrado

Figura 21. Ejemplo de atribución de longitudes de reparación a lo largo del activo del alcantarillado

Figura 22. Clasificación de las condiciones de las grietas longitudinales utilizando lógica difusa

Figura 23. Porcentaje de priorización de la rehabilitación determinado a partir de la concentración del daño y la densidad del peso ponderado

Figura 24. Iteración suelo-tubería: transporte de carga

Figura 25. Curva de probabilidad de falla contra tiempo

Figura 26. Materiales del tipo de uniones a través del tiempo

Figura 27. Intrusión de raíces de árboles en activos del alcantarillado

Figura 28. Carga total que soporta el activo del alcantarillado

Figura 29. Instalación/rehabilitación de tuberías de alcantarillado con zanja (arriba) y sin zanja (abajo)

Figura 30. Cambio de los niveles de agua a lo largo del día

Figura 31. Ejemplo Gompitz para tuberías en concreto de una red de alcantarillado calificada en cuatro condiciones

Figura 32. Curva de regresión logística, función logarítmica logit (p(Y)) y función logística p(Y)

Figura 33. Transformación de espacios dimensionales con máquinas de soporte vectorial

Figura 34. Ejemplo de red neuronal: modelo de perceptrón

Figura 35. Red neuronal de dos capas ocultas

Figura 36. Esquema de una red bayesiana

Figura 37. Esquema de Random Forests

Figura 38. Esquema del programa de inspección propuesto por Ahmadi et al. (2015)

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Tablas

Tabla 1. Ejemplo de codificación en el manual de rehabilitación de alcantarillados

Tabla 2. Clasificación por puntajes de las condiciones estructurales y operacionales en srm

Tabla 3. Grados de condiciones de severidad de la norma ceriu

Tabla 4. Tipologías de daños e impactos de acuerdo con rerau

Tabla 5. Factores conocidos que influyen en el deterioro estructural de los alcantarillados

Tabla 6. Resumen de los tipos de material de tuberías y sus fallas

Tabla 7. Resumen de los factores influyentes encontrados en investigaciones de ciudades de diferentes países

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Prefacio

El libro Gestión patrimonial de alcantarillados es producto de una revisión bibliográfica de los autores durante la formación doctoral de uno de ellos. Este libro recopila artículos científicos, normas nacionales e internacionales vigentes, informes gubernamentales, productos de proyectos de investigación, tesis doctorales, ponencias de eventos científicos internacionales, entre otros. El interés de los autores fue condensar en un solo texto toda la información sobre la gestión patrimonial de alcantarillados, para que sea un libro guía, práctico y asequible a estudiantes y profesionales interesados y relacionados con este tema. A pesar de que el libro se enfoca en la gestión patrimonial de los alcantarillados, los métodos y herramientas revisadas podrían extrapolarse a otros tipos de infraestructura. Gestión patrimonial de alcantarillados consta de ocho capítulos, entre los que se encuentran: 1) una introducción general que plasma, en resumen, la evolución de los sistemas de alcantarillado hasta nuestros días, las problemáticas social, ambiental y urbanísticas que han tenido las ciudades debido a los daños y deterioro de esta infraestructura y la necesidad del desarrollo de herramientas que apoyan la toma de decisiones en la gestión para la prolongación de su vida útil; 2) la definición de la gestión patrimonial de infraestructura, su relevancia en estos tiempos y la definición de infraestructura crítica; 3) la definición de la gestión patrimonial de los alcantarillados y una contextualización mundial de la inversión e importancia que los gobiernos le dan a este tema; 4) el desarrollo de tecnologías para la inspección y recopilación de información de los activos de sistemas de alcantarillado; 5) la normatividad, los protocolos y las metodologías desarrolladas para la evaluación del estado estructural y operacional de los activos del alcantarillado, de la que los

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gestores se basan para tomar decisiones; 6) diversos estudios y herramientas para determinar los factores que potencializan el deterioro de los activos del alcantarillado; 7) el desarrollo de diversas herramientas para la predicción y el pronóstico de la condición de los activos del alcantarillado; y, por último, 8) el desarrollo de programas de gestión proactiva aplicados en diversos casos de estudio que ilustran los beneficios para la gestión patrimonial. Esperamos sea un libro guía para aquellos que les apasione y perciban la importancia de trabajar en este tema para el desarrollo de las ciudades durante el siglo xxi. Los autores

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Introducción general

Las redes de alcantarillado han cumplido la función de evacuar las aguas de las ciudades, ya sean aquellas provenientes de las precipitaciones atmosféricas o las residuales generadas por actividades humanas (Torres, Pérez y Perdomo, 2011). En ciudades de culturas antiguas, como en la isla de Creta (actual isla griega en el mar Mediterráneo) y en la península Anatolia (actualmente territorio de Siria, Líbano, Turquía, Irak e Irán), se han encontrado sistemas de desagües en ruinas. Por otro lado, en escritos y ruinas se ha corroborado la existencia de sistemas de desagües para conducir el agua lluvia hacia los cuerpos de agua más cercanos en épocas del Imperio romano. Este tipo de desagües (zanjas abiertas) se localizaban en el centro de la sección transversal de las vías y transitaban a lo largo de ellas dentro de las ciudades hacia cuerpos de aguas más cercanos: al estar abiertas y dentro del casco urbano, los ciudadanos empezaron a depositar todo tipo de residuos. Este tipo de sistema fue el utilizado en todas las ciudades hasta mediados del siglo xviii, cuando múltiples enfermedades mortales (como el cólera, la peste negra, la fiebre tifoidea, entre otras) aparecieron en la comunidad, debido a la exposición de esta agua contaminada a los transeúntes. A mediados del siglo xix se tomó la decisión de enviar subterráneamente el flujo de estas aguas por medio de redes de elementos de desagüe (ductos), con la misión de no solo recoger el agua lluvia de las calles, sino también las aguas negras de las viviendas. A este tipo de sistema se les llamó combinado, por los dos tipos de afluentes en una sola red cuyo último fin era drenar hacia los ríos. Sin embargo, con el tiempo, la contaminación de los ríos no dio espera, pues originó incomodidades y peligro en las poblaciones rurales o ciudades situadas aguas abajo. Por lo tanto, muchas ciudades consideraron pronto y necesario tratar las aguas residuales antes de que las evacúen los cuerpos de

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agua (McGhee y Steel, 1991). Se instalaron plantas para tratar el agua antes de su descarga en los cuerpos de agua naturales; sin embargo, estas fueron insuficientes para todo el volumen de agua drenada. Por esto, a mediados del siglo xx empezaron a construirse sistemas de redes de alcantarillado separados que evacuaban las aguas servidas hacia plantas de tratamiento y las aguas lluvias hacia las corrientes de agua. Hoy en día, la mayoría de las ciudades poseen estos dos sistemas de alcantarillado (combinados y separados), que cumplen correctamente su función de evacuar las aguas negras y lluvias, protegiendo la salubridad pública y el medio ambiente. No obstante, problemas de índole político, económico y social, así como la migración de población rural a las urbes, han tenido como consecuencia el crecimiento de las ciudades (en área y densidad poblacional), y ello ha originado que los hidrosistemas urbanos se encuentren sometidos a presiones cada vez mayores potencializados por el cambio climático, la contaminación ambiental, la limitación de recursos y el envejecimiento de la infraestructura (Ferguson, Brown y Deletic, 2013). Reportes provenientes de países desarrollados y en vías de desarrollo indican que esta infraestructura presenta tasas alarmantes de envejecimiento y deterioro (Osman, 2012). En efecto, la mayoría de las redes de alcantarillado son cada vez más propensas a fallar (Ward y Savi , 2012), lo que trae como consecuencia su deterioro estructural e hidráulico, al igual que un impacto en el servicio y, por consiguiente, en la calidad de vida de las comunidades (Micevski, Kuczera y Coombes, 2002; Liu y Kleiner, 2013; Osman, 2012). Al incrementarse la probabilidad de deterioro de las redes de alcantarillado, en el sistema de drenaje se presentan problemas como inundaciones en las vías, daños en edificios, alteraciones del tráfico vehicular, impactos ambientales, afectación de la infraestructura vial y problemas que impactan directamente a los usuarios del sistema de alcantarillado, los cuales se hacen cada día más críticos y frecuentes (Sægrov, 2006). Por esto, el presente libro ilustra las principales herramientas, métodos y metodologías que se han desarrollado para redirigir la gestión de los sistemas de alcantarillado de manera proactiva, a fin de proteger la vida útil de los elementos que los conforman y la correcta funcionalidad de las infraestructuras circundantes. A este grupo de herramientas, métodos, metodologías y prácticas lo han denominado gestión patrimonial del alcantarillado.

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1. Gestión patrimonial de infraestructura

La gestión patrimonial (o de activos) de infraestructura (gpi) es el conjunto integrado y multidisciplinar de estrategias para gestionar los activos (elementos que representan un bien que una sociedad posee y puede convertirse en dinero u otros medios líquidos equivalentes) de la infraestructura pública, como son: instalaciones de las plantas de tratamiento de agua, redes de alcantarillado, carreteras y vías, redes de servicios públicos, puentes y ferrocarriles. Algunos ejemplos de infraestructura pública se ilustran en la figura 1. Figura 1. Ejemplos de la infraestructura pública que poseen las ciudades Sistemas de acueducto

Vías y transporte

Infraestructura verde

Redes subterráneas: alcantarillado, gas, etc.

Infraestructura pública

Bienes físicos de las ciudades que proveen servicios esenciales a la comunidad

Fuente: elaboración propia.

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Las entidades responsables de la infraestructura en las urbes se enfrentan a grandes desafíos, en cuanto a determinar cuándo y cómo inspeccionar, mantener, reparar y remplazar estos elementos de manera rentable. La gestión integrada de la infraestructura facilita el flujo de información a través de diversas disciplinas y actividades, y, así, se promueve la disponibilidad, la confiabilidad y la consistencia de la información de la infraestructura, lo que da lugar a decisiones oportunas y más eficientes (Marzouk y Osama, 2017). De acuerdo con Cagle (2003), con el fin de tener una infraestructura sostenible, la gpi debe perseguir las siguientes actividades: • Mantener un registro sistemático de los activos individuales (un inventario) respecto a los costos de adquisición, vida útil de diseño y actual, condición e historial de costos de reparaciones y mantenimiento. • Contar con un programa definido para mantener el cuerpo total de los activos de la infraestructura a través del mantenimiento planificado, reparación o remplazo. • Implementar y administrar sistemas de información para respaldar estos elementos. A pesar de que la gpi, en general, debe ser uno de los objetivos dentro del plan de gobierno de los municipios y ciudades, existen algunas infraestructuras consideradas críticas que deben priorizarse. Las infraestructuras críticas (ic) son aquellas estructuras que tienen una gran importancia en las sociedades modernas y en la vida cotidiana de las comunidades, ya que de la seguridad y el óptimo funcionamiento de esta infraestructura depende la vida de las comunidades (Di Pietro et al., 2017). Ejemplos típicos de ic son los sistemas de energía eléctrica, las redes de telecomunicaciones, los sistemas de suministro y drenaje de agua y los sistemas de transporte (figura 2). Estos son sistemas dinámicos, de gran escala, complejos, distribuidos espacialmente y ricos en datos que constituyen un elemento articulador de la infraestructura económica de los territorios y mercados (Lardé y Sánchez, 2014). Estas infraestructuras, en particular, tienden a deteriorarse a un ritmo desconocido, especialmente los sistemas de acueducto, alcantarillado y gas, debido al tipo de afluente que transportan. Adicionalmente, el daño a estos sistemas por actores externos, como desastres naturales, terrorismo, actividad delictiva o comportamiento malicioso, puede producir un impacto negativo y significativo para la seguridad y el bienestar de los ciudadanos, así como su influencia en otras estructuras circundantes (Di Pietro et al., 2017).

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Figura 2. Ejemplos de infraestructura crítica Redes de telecomunicación

Redes eléctricas

Estructuras de gran importancia para las sociedades modernas y la vida cotidiana de las comunidades

Redes de acueducto y alcantarillado

Redes de transporte

Fuente: elaboración propia.

Particularmente, los sistemas de aguas residuales constituyen una de las infraestructuras urbanas más importantes, debido a sus adversas consecuencias y efectos por un funcionamiento inadecuado y porque eventos de falla pueden llevar a interrumpir parte del funcionamiento de una ciudad. Una de las características de estos sistemas es que pueden seguir utilizándose con un nivel inferior al deseable durante largos periodos antes de que aparezcan evidencias de los problemas existentes. Es decir, las fallas estructurales o hidráulicas de esta infraestructura pueden ser desconocidas durante un tiempo prolongado hasta que aparezcan interrupciones del servicio, colapso de vías o inundaciones en los predios (Anbari et al., 2017; Khan, Zayed y Moselhi, 2009). Algunas de las consecuencias que producen las fallas son los impactos sociales, económicos y ambientales (Anbari, Tabesh y Roozbahani, 2017): • En los impactos sociales se incluyen el riesgo en la salud pública, interrupción del servicio, retrasos en el tránsito vial, accidentes y olores desagradables causados por el desbordamiento de aguas residuales en sótanos o calles, lo que aumenta el número de personas afectadas, y las consecuencias sociales serán mucho mayores.

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• Dentro de los impactos económicos se incluyen aquellos en el comercio, debido a la restricción del acceso a centros comerciales e industriales, el retraso en el transporte de bienes y servicios, el costo de la rehabilitación de otras infraestructuras que resultan ser afectadas por daños en las redes de alcantarillado y la interrupción del servicio de alcantarillado a estos centros. • El impacto ambiental está relacionado con la contaminación de los recursos hídricos, como ríos y acuíferos, al igual que la contaminación del suelo, los cuales pueden llegar a afectar tanto a la salud pública como a la vida silvestre.

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ISBN 978-958-781-464-4

Nathalie Hernández Rodríguez • Andrés Torres

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