Avances en hidrología urbana

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Otros libros publicados en esta colecciónUna de las consecuencias más impactantes del crecimiento urbano de Colombia corresponde a la intensificación de las inundaciones, tanto sus frecuencias como sus magnitudes, según se ha observado en los últimos años. Así mismo, en las principales ciudades de nuestro país, son evidentes otras consecuencias de este fenómeno como la degradación de la calidad de las aguas de ríos y quebradas, fa-llas o malos funcionamientos de las redes de alcantarillado o de la infraestructura de saneamiento urbano en general, e incluso problemas institucionales ligados a sistemas cada vez más difíciles de gestionar. Sin embargo, hoy en día se admite que existen retos en cuanto a la gestión sostenible del ciclo hidrológico urbano, y que ello involucra paradigmas claves de sostenibilidad, como el reciclado, la minimización de pérdidas y la protección ambiental.

La hidrología urbana intenta responder a algunos de los problemas menciona-dos, al estudiar las múltiples relaciones entre el ciclo hidrológico y la ciudad. La comunidad científica reconoce que dichos vínculos son complejos, por lo tanto, su entendimiento y manejo son objeto de diversas investigaciones en Colombia y en el mundo.

En este sentido, el grupo de investigación Ciencia e Ingeniería del Agua y el Ambiente, de la Pontificia Universidad Javeriana, ha desarrollado en los últimos años acciones de investigación en el tema, en especial a través de la asignatura Hidrología Urbana de la Maestría en Hidrosistemas. En este libro de investigación se encuentran editados los trabajos más relevantes desarrollados en el marco de dicha asignatura entre 2010 y 2013, bajo la dirección del profesor Andrés Torres.

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Andrés TorresSantiago Sandoval

(Editores)

Avances en hidrología

urbana

Ingenierías, Arquitectura, Diseño y Urbanismo

Errores innatos del metabolismoLuis Alejandro Barrera Avellaneda

Angela Johana Espejo MojicaEugenia Espinosa García

Olga Yaneth Echeverri Peña-editores-

Arrullos y currulaos. Tomos I y IIJuan Sebastián Ochoa

Leonor ConversOscar Hernández

Autores:

Andrés Torres, Santiago Sandoval, Héctor Zapata, Karen Navarro R., Ángela María Sánchez Vega, Ángela María Polanco Andrade, Óscar Mora, Diego Alvarado, Carlos Devia, Ángela Patricia Puentes, Pervys Rengifo Rengifo, Eliana Marcela Cárcamo Hernández, Nicolás Oviedo Escobar, Héctor Andrés Angarita, Alejandra Ruiz López, María Isabel Rivero, David Zamora, Thomas Rosmann, Milton Duarte, Andrés Velasco, María Camila Perdomo Gaitán, María Alejandra Pérez, Paula T. Niño, Dirceu Enrique Vargas P., Sandra Lorena Galarza Molina, Nelson Obregón, Nathalie Hernández, Yenny Guanay

Autonomía artesanal. Creaciones y resistencias del pueblo kamsá

Gloria Stella Barrera Jurado

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AvAnces en hidrologíA urbAnA



Andrés Torressantiago sandoval

(editores)

AvAnces en hidrologíA urbAnA


Reservados todos los derechos©PontificiaUniversidadJaveriana©AndrésTorres, SantiagoSandoval,HéctorZapata,KarenNavarro R., ÁngelaMaría Sánchez Vega,ÁngelaMaríaPolancoAndrade,ÓscarMora, DiegoAlvarado, CarlosDevia,ÁngelaPatriciaPuentes,PervysRengifoRengifo,ElianaMarcelaCárcamoHernández,NicolásOviedoEscobar,HéctorAndrésAngarita,AlejandraRuizLópez,MaríaIsabelRivero,DavidZamora, ThomasRosmann,MiltonDuarte,Andrés Velasco,María Camila PerdomoGaitán,MaríaAlejandraPérez,PaulaT.Niño,DirceuEnriqueVargasP.,SandraLorenaGalarzaMolina,NelsonObregón,NathalieHernández,YennyGuanay

Primeraedición:Bogotá,D.C.,agostodel2015ISBN:978-958-716-841-9Númerodeejemplares:200ImpresoyhechoenColombiaPrintedandmadeinColombia

EditorialPontificiaUniversidadJaverianaCra.7,núm.37-25,oficina1301Teléfono:3208320ext.4205www.javeriana.edu.co/[email protected]á, d. c.

Corrección de estilo:EllaSuárezDiagramación y montaje de cubierta:ClaudiaPatriciaRodríguezÁvilaImpresión:Javegraf

Avancesenhidrologíaurbana/editoresAndrésTorresySantiagoSandoval.--Primeraedición.--Bogotá:EditorialPontificiaUniversidadJaveriana,2015.--(Colecciónlibrosdeinvestigación).

233páginas:ilustraciones,gráficas,planosytablas;24cmIncluyereferenciasbibliográficas.ISBN:978-958-716-841-91.HIDROLOGÍAURBANA.2.DISPOSICIÓNDEAGUASRESIDUALES.3.ALCANTARILLADO.4.CONTROLDEINUNDACIONES.

5.CALIDADDELAGUA.6.SANEAMIENTOURBANO.I.TorresPalacio,AndrésFelipe,editor.II.SandovalArenas,Santiago,editor.III.PontificiaUniversidadJaveriana.CDD628.21ed.21Catalogaciónenlapublicación-PontificiaUniversidadJaveriana.BibliotecaAlfonsoBorreroCabal,S.J.

dff. Agosto5/2015

Prohibidalareproduccióntotaloparcialdeestematerial,sinautorizaciónporescritodelaPontificiaUniversidadJaveriana.

Colección Libros de Investigación

Vicerrectoría de Investigación


conTenido

INTRODUCCIÓNGENERAL 11

PaRte a CONFIABILIDADDEINUNDACIÓNYTéCNICASPARAMITIGARINUNDACIONES PLUVIALESENZONASURBANAS 19

Capítulo1 ESTIMACIÓNDELACONFIABILIDADDEINUNDACIÓNENSISTEMAS DEALCANTARILLADOSURBANOS 23Confiabilidaddeinundación 23Confiabilidaddeinundaciónpormediodemétodosdegeneraciónaleatoria 26Ejemplodeaplicacióndelametodologíapropuesta 33

Capítulo2 PAVIMENTOSPOROSOS:ESTRATEGIASDEMITIGACIÓNPARA INUNDACIONESURBANAS 37Métodosdediseñohidráulicodepavimentosporosos 38Propuestasimplificadadediseño 59Espesoresrecomendados 60


Capítulo3 TECHOSVERDES:ESTRATEGIASDEMITIGACIÓNPARAINUNDACIONES URBANAS,DINÁMICAHÍDRICAENLACIUDAD 63Montajesexperimentales,métodosutilizadosyresultadosobtenidos 65ReferenciasdelaparteA 95

PaRte B METROLOGÍAYMONITOREOENHIDROLOGÍAURBANA 103

Capítulo4 experienciAs con cApTores in siTu pArA el moniToreo en conTinuo DELACALIDADDEAGUAENHIDROSISTEMASDESANEAMIENTOURBANO 107Primerasexperiencias 107Operaciónymantenimientoenelmonitoreoencontinuo 115

Capítulo5 ANÁLISISDEFRECUENCIASDEMEDICIÓNPARAELMONITOREO DELACALIDADDEAGUAENHIDROSISTEMASDESANEAMIENTOURBANO 123

Capítulo6 REDESNEURONALESAPLICADASAESPECTROMETRÍAUV-VISIBLE 131Machinelearningyredesneuronalesartificiales 131Redesneuronalesartificialesysumodeloderetropropagación 133Validacióncruzada 133Herramientainformáticaimplementada 134

Capítulo7 MANEJOYExPLOTACIÓNDEDATOSDECALIDADDEAGUASEFLUENTES DECUENCASURBANAS 145ReferenciasdelaparteB 156


PaRte C GESTIÓNPATRIMONIALENSISTEMASDESANEAMIENTOURBANO 161

Capítulo8 INSPECCIÓNYMANEJODEDATOSENGESTIÓNPATRIMONIAL 167Inspección 167Manejodedatos 173

Capítulo9 HERRAMIENTASPARALATOMADEDECISIONESENGESTIÓNPATRIMONIAL DEALCANTARILLADOSURBANOS 181Herramientasparalatomadedecisiones 181Aplicacióndeherramientasparalagestiónpatrimonialdealcantarillados 193ReferenciasdelaparteC 218

LOSAUTORES 225



INTRODUCCIÓNGENERALAndrésTorresySantiagoSandoval(editores)

El crecimiento urbano continúa y se acelera drásticamente: en el periodo 1970-2000, el área urbana global se cuadruplicó (Seto et al., 2011); en 2008, la población ur-bana mundial sobrepasó a la rural (Seto et al., 2010; Crossette, 2010) y se proyecta que para el año 2050 el porcentaje de habitantes en las ciudades sobrepase el 67 % (United Nations, 2012; Chen et al., 2012). Para los países en vías de desarrollo, el proceso de urbanización ha estado ligado al crecimiento económico en los últimos cincuenta años (United Nations, 2010). Latinoamérica pasó de tener el 61 % de la población total (198 millones de habitantes) en zonas urbanas en 1975 al 78 % de la población total (448 millones de habitantes) en zonas urbanas en 2007. Según estimaciones de las Naciones Unidas, en 2025 el 84 % de la población total de La-tinoamérica (575 millones de habitantes) estará concentrada en los centros urbanos (United Nations Population Division, 2008).

Hoy en día se reconoce que la urbanización, acompañada por la intensificación de la agricultura y la deforestación, es una de las principales causas de los cambios del uso del suelo y, sobre todo, de la degradación de los ecosistemas (Yu et al., 2013). El crecimiento urbano genera desafíos significativos en cuanto a la sostenibilidad de las ciudades, sobre todo en lo que concierne a la energía y el agua (Sun et al., 2013). En efecto, las demandas de energía, el desarrollo de infraestructura y, en particular, de los servicios de saneamiento y agua, así como los procesos industriales se han centrado en las ciudades o alrededor de ellas (Nevens et al., 2013). Por ejemplo, la demanda global de energía de las ciudades se estima alrededor del 75 % y la pro-ducción de gases efecto invernadero en las ciudades se estima alrededor del 75 % de la producción de dichos gases en el mundo (United Nations Environment Program


Avances en hidrología urbana12_

[Unep], 2011). Para el caso particular del agua, el aumento en la demanda de re-cursos hídricos en las ciudades, ha traído numerosos desafíos debido al crecimiento de las comunidades urbanas y sus cambios de hábitos en lo que respecta a su uso y a la variabilidad de sus fuentes locales, influenciados por diferentes factores como el cambio de uso del suelo y el cambio climático (Pandey et al., 2003).

Uno de los principales problemas generados por la urbanización corresponde a las inundaciones: entre 2001 y 2010, las inundaciones fueron el tipo más común de desastre global, responsables de, al menos, la mitad de las víctimas de desastres naturales y de pérdidas económicas valoradas en 185 billones de dólares (Emergen-cy Events Database [Em-Dat], 2011). Para años posteriores a 2010, se espera un incremento en la frecuencia e intensidad de las inundaciones, dado el aumento de los niveles de los mares y eventos de precipitación más frecuentes y extremos (In-tergovernmental Panel on Climate Change [IPCC], 2007). Para el caso particular de las ciudades, debido a la utilización de materiales impermeables, se presenta una reducción de la infiltración y una aceleración de la escorrentía superficial, lo cual aumenta las inundaciones en zonas distintas a las llanuras de inundación (Chen et al., 2009). adicionalmente, el impacto generado por las inundaciones puede ser mucho más alto en zonas urbanas, porque las áreas afectadas están densamente pobladas y contienen infraestructura de vital importancia (Yazdi y Neyshabouri, 2012). Por consiguiente, el riesgo por inundaciones —calculado como una función de la probabilidad de ocurrencia de la inundación y de su impacto— puede resultar muy elevado (Fernández y Lutz, 2010). además, el aumento de la urbanización va a significar que más personas alrededor del mundo estén expuestas a eventos de inundación (Du et al., 2010).

aparte del incremento de las áreas impermeables, el crecimiento urbano genera contaminación y altera la configuración, la composición y el contexto de los tipos de usos de suelo, lo que a su vez puede repercutir en impactos directos o indirectos sobre los procesos hidrológicos, biológicos y químicos de los ecosistemas acuáticos (Yu et al., 2013). Varios estudios han demostrado que la transformación de los usos del suelo provocada por la urbanización desempeña un papel clave en la degradación de la calidad del agua (e. g. Ren et al., 2003; Wang et al., 2008; tu y Xia, 2008; Carey et al., 2011). aunque la calidad del agua es impactada por una combinación de factores naturales (altura e intensidad de precipitación, caudal del río, geología, tipo de suelo, topografía, cobertura vegetal, etc.) y de origen antropogénico, en estos últimos se concentra la planeación urbana y la gestión de cuencas (Yu et al., 2013).

En efecto, la escorrentía de aguas lluvias se ha identificado como una de la causas principales de la degradación de la calidad en las aguas receptoras, especialmente


_13Introducción general

durante el primer lavado o first flush (Lee et al., 2002): la escorrentía pluvial contie-ne cargas significativas de contaminantes como metales pesados, bacterias, hidro-carburos provenientes del petróleo, sedimentos y nutrientes (Pan et al., 2013). Por ejemplo, las superficies viales actúan como sumideros y fuentes de metales y otros contaminantes en entornos urbanos (Deletic y Orr, 2009; Yuen et al., 2012). Los sedimentos urbanos pueden actuar como un mecanismo de transporte de una gran variedad de contaminantes hacia los cuerpos hídricos receptores, en concentraciones que pueden llegar a exceder los índices de toxicidad para los organismos acuáticos (Selbig et al., 2013). Debido a lo anterior, el agua lluvia presenta características de calidad y cantidad muy diferentes de aquellas de las aguas residuales domésticas (Barbosa et al., 2012), lo cual constituye un reto en cuanto a su eventual tratamiento. Por otro lado, las alteraciones del flujo base provocadas por el crecimiento urbano generan consecuencias potenciales para los ecosistemas lóticos (Hamel et al., 2013): a) mayor afectación de la calidad del agua por entradas de contaminantes y b) im-pactos en los ecosistemas riparios.

Dentro de la infraestructura desarrollada por las ciudades a través de los años se encuentran las redes de drenaje. Según reportes provenientes de países desarrollados y en vías de desarrollo, esta infraestructura presenta tasas alarmantes de envejeci-miento y deterioro (Osman, 2012). La mayoría de redes de alcantarillado cada vez son más propensas a fallar (Ward y Savic, 2012), lo que trae como consecuencia su deterioro estructural e hidráulico, que, a su vez, impacta el servicio y, por consi-guiente, la calidad de vida de las comunidades (micevski et al., 2002; Liu y Kleiner, 2013; Osman, 2012). Por otro lado, con el rápido crecimiento de las ciudades, el número de instalaciones necesarias para la vida urbana ha aumentado, así como la complejidad de sus funciones y estructuras (Lee et al., 2013).

La hidrología urbana intenta responder a parte de los problemas mencionados, pues en particular se interesa por las múltiples relaciones entre el ciclo hidrológico y la ciudad. La comunidad científica reconoce que dichos vínculos son complejos y, por lo tanto, su entendimiento y manejo son objeto de múltiples investigaciones en Colombia y en el mundo. Hoy en día se admite que existen retos en cuanto a la gestión sostenible del ciclo hidrológico urbano y que ello involucra paradigmas cla-ve de sostenibilidad como el reciclado, la minimización de pérdidas y la protección ambiental. adicionalmente, se identifica la necesidad de continuar los esfuerzos en modelación como apoyo a la toma de decisiones, en especial aquella relacionada con la gestión de inundaciones y la calidad de aguas lluvias de escorrentía, y se propende a una representatividad adecuada de los fenómenos, para lo cual se requieren sis-temas de monitoreo más adaptados a su dinámica, así como una integración de los



diversos elementos que componen el sistema de saneamiento (red de alcantarillado, planta de tratamiento, cuerpo hídrico receptor, etc.).

En particular, Colombia ha conocido un crecimiento urbano considerable desde mediados del siglo XX: en el censo de 1973 se contabilizó una población urbana del 59 % sobre la población total (14 millones de habitantes) (murad Rivera, 2003) y en el censo de 2005 se contabilizó una población urbana del 74 % sobre la pobla-ción total (32 millones de habitantes) (Departamento administrativo Nacional de Estadística [Dane], 2005). Por consiguiente, los retos en la hidrología urbana en Colombia corresponden en su mayoría a los ya enunciados. Sin embargo, las par-ticularidades locales, en especial de los entes reguladores y de las empresas encar-gadas de la infraestructura de saneamiento urbano, así como el grado de desarrollo de las principales ciudades del país, hacen que haya retos adicionales que merecen atención inmediata.

La gestión de aguas urbanas involucra tanto el control de las descargas de aguas residuales como de la red de drenaje natural modificada; por lo tanto, las ciudades con altas tasas de crecimiento de la población tienen numerosos problemas con el ma-nejo de aguas de escorrentía durante los eventos de lluvia (Fernández y Lutz, 2010). Una de las consecuencias más impactantes del crecimiento urbano en nuestro país corresponde a la intensificación de las inundaciones, en cuanto a las frecuencias y magnitudes observadas en los últimos años. Sin embargo, otras consecuencias como degradación de la calidad de las aguas de ríos y quebradas, problemas de abasteci-miento de agua potable, fallas o malos funcionamientos de las redes de alcantarillado o de la infraestructura de saneamiento urbano en general, así como problemas insti-tucionales ligados a sistemas cada vez más difíciles de gestionar son evidentes en las principales ciudades de nuestro país.

En este sentido, la maestría en Hidrosistemas de la Pontificia Universidad Jave-riana, sede Bogotá, viene ofreciendo una asignatura llamada Hidrología Urbana, de carácter investigativo, la cual ha sido tomada no solamente por estudiantes de dicha maestría, sino por estudiantes en formación doctoral, estudiantes de otras maestrías y de pregrado de la misma universidad. Este libro reúne en forma editada los trabajos más sobresalientes de estudiantes de la asignatura durante el primer semestre de 2010 y el segundo semestre de 2011. adicionalmente, otros esfuerzos investigativos en hidrología urbana, realizados en el marco de la maestría en Hidrosistemas y por el grupo de investigación Ciencia e Ingeniería del agua y el ambiente de la misma universidad, se han tomado en cuenta para su edición final.

El libro contiene nueve capítulos reunidos en tres partes. Cada una trata aspectos relevantes de la hidrología urbana de manera independiente. La parte a corresponde



al manejo de inundaciones en zonas urbanas; se interesa especialmente en la esti-mación de la confiabilidad de inundación (capítulo 1) y en dos técnicas para mitigar inundaciones pluviales en zonas urbanas: pavimentos porosos (capítulo 2) y techos verdes (capítulo 3). En la parte B se presentan los avances en investigación sobre metrología y monitoreo en hidrología urbana. Los capítulos 4, 5 y 6 se interesan particularmente en captores para monitoreo in situ, en especial lo que concierne a espectrómetros UV-visibles, al tratar temas como frecuencias de medición (capítu-lo 5) y métodos de calibración de dichos captores (capítulo 6). El último capítulo de esta parte (el 7) presenta herramientas para el manejo y explotación de datos de calidad de aguas adquiridos mediante muestreo puntual o monitoreo in situ. La úl-tima parte de este libro (parte C) expone avances en gestión patrimonial de sistemas de saneamiento urbano, introduciendo herramientas para inspección y manejo de datos (capítulo 8) y para la toma de decisiones (capítulo 9).

Referencias

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Este libro fue realizado en caracterestwCenmtCondensed y

ameriGarmnd Bt, e impresoen bond beige de 70 gramos,en el mes de agosto del 2015 en Bogotá, D. C., Colombia.


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Otros libros publicados en esta colecciónUna de las consecuencias más impactantes del crecimiento urbano de Colombia corresponde a la intensificación de las inundaciones, tanto sus frecuencias como sus magnitudes, según se ha observado en los últimos años. Así mismo, en las principales ciudades de nuestro país, son evidentes otras consecuencias de este fenómeno como la degradación de la calidad de las aguas de ríos y quebradas, fa-llas o malos funcionamientos de las redes de alcantarillado o de la infraestructura de saneamiento urbano en general, e incluso problemas institucionales ligados a sistemas cada vez más difíciles de gestionar. Sin embargo, hoy en día se admite que existen retos en cuanto a la gestión sostenible del ciclo hidrológico urbano, y que ello involucra paradigmas claves de sostenibilidad, como el reciclado, la minimización de pérdidas y la protección ambiental.

La hidrología urbana intenta responder a algunos de los problemas menciona-dos, al estudiar las múltiples relaciones entre el ciclo hidrológico y la ciudad. La comunidad científica reconoce que dichos vínculos son complejos, por lo tanto, su entendimiento y manejo son objeto de diversas investigaciones en Colombia y en el mundo.

En este sentido, el grupo de investigación Ciencia e Ingeniería del Agua y el Ambiente, de la Pontificia Universidad Javeriana, ha desarrollado en los últimos años acciones de investigación en el tema, en especial a través de la asignatura Hidrología Urbana de la Maestría en Hidrosistemas. En este libro de investigación se encuentran editados los trabajos más relevantes desarrollados en el marco de dicha asignatura entre 2010 y 2013, bajo la dirección del profesor Andrés Torres.

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Errores innatos del metabolismoLuis Alejandro Barrera Avellaneda

Angela Johana Espejo MojicaEugenia Espinosa García

Olga Yaneth Echeverri Peña-editores-

Arrullos y currulaos. Tomos I y IIJuan Sebastián Ochoa

Leonor ConversOscar Hernández

Autores:

Andrés Torres, Santiago Sandoval, Héctor Zapata, Karen Navarro R., Ángela María Sánchez Vega, Ángela María Polanco Andrade, Óscar Mora, Diego Alvarado, Carlos Devia, Ángela Patricia Puentes, Pervys Rengifo Rengifo, Eliana Marcela Cárcamo Hernández, Nicolás Oviedo Escobar, Héctor Andrés Angarita, Alejandra Ruiz López, María Isabel Rivero, David Zamora, Thomas Rosmann, Milton Duarte, Andrés Velasco, María Camila Perdomo Gaitán, María Alejandra Pérez, Paula T. Niño, Dirceu Enrique Vargas P., Sandra Lorena Galarza Molina, Nelson Obregón, Nathalie Hernández, Yenny Guanay

Autonomía artesanal. Creaciones y resistencias del pueblo kamsá

Gloria Stella Barrera Jurado

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Avances en hidrología urbana

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