Definición de un procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles en cuencas urbanas en expansión Alejandro Franco Botero Universidad Nacional de Colombia Departamento Geociencias y Medio Ambiente Facultad de Minas Medellín, Colombia Año 2018
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Definición de un procedimiento para la planeación de ... · Palabras clave: Sistemas de drenaje urbano sostenible (SuDS), algoritmos genéticos, escorrentía, modelo hidrodinámico,
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Definición de un procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje
sostenibles y flexibles en cuencas urbanas en expansión
Alejandro Franco Botero
Universidad Nacional de Colombia
Departamento Geociencias y Medio Ambiente
Facultad de Minas
Medellín, Colombia
Año 2018
Definición de un procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje
sostenibles y flexibles en cuencas urbanas en expansión
Alejandro Franco Botero
Tesis o trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al
título de:
Magister en Ingeniería - Recursos Hidráulicos
Director:
M. Sc. Luís Fernando Carvajal Serna
Universidad Nacional de Colombia
Codirector:
Ph.D. Arlex Sánchez Torres
Línea de Investigación:
Drenaje Urbano Sostenible
IHE-Delft, Holanda
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Minas
Departamento de Geociencias y Medio Ambiente
Medellín, Colombia
Año 2018
Agradecimientos
A mi esposa, por su motivación continua para iniciar este reto, su apoyo en las
jornadas de estudio y ser un soporte fundamental para realizar la pasantía en el
exterior.
Al profesor Arlex Sánchez del IHE-Delft, por apoyar con entusiasmo mi proyecto de
investigación como codirector, ser guía y consejero constante en todo el proceso
académico. Quiero agradecerle especialmente por convertirse en un muy buen
amigo y mentor en mi estadía en Holanda.
Al profesor Luis Fernando Carvajal de la Universidad Nacional de Colombia, por su
apoyo desde el inicio a este proyecto de investigación, la buena disposición en sus
asesorías y por su motivación para lograr los resultados.
A Empresas Públicas de Medellín y sus directivos, por confiar en el potencial de
sus funcionarios, apoyar con recursos económicos y de tiempo la realización de
estudios de postgrados, y flexibilizar los compromisos laborales para realizar la
pasantía.
A los docentes y personal administrativo del Departamento de Geociencias y Medio
Ambiente de la Universidad Nacional de Colombia, por dar una formación
académica de excelente calidad en un ambiente de respeto y potencialización de
las capacidades de los estudiantes.
Resumen y Abstract VII
Resumen
Se presenta un procedimiento general con un flujograma de apoyo, como una
herramienta guía para planear de manera óptima la implementación de sistemas
de drenaje sostenible en cuencas urbanas que estén en proceso de expansión.
Para ello se debe partir de un modelo hidrodinámico calibrado y validado, la
selección de las infraestructuras que mejor se pueden desempeñar, la definición
de los parámetros de diseño, la distribución de estos elementos en las subcuencas;
y utilizando algoritmos genéticos multiobjetivo se determinan las combinaciones
optimas de cantidad y distribución de SuDS que producen la mayor disminución de
los caudales pico de escorrentía y su costo asociado.
Se presenta un caso de aplicación en una cuenca urbana ubicada en el Municipio
de La Estrella en Antioquia. Se sigue el procedimiento y se plantean escenarios e
indicadores que permiten evaluar el efecto de la intensidad de la lluvia, del
crecimiento urbano y del uso de las infraestructuras de drenaje sostenible, en los
caudales pico de escorrentía y en el desempeño del sistema de alcantarillado. Se
presenta la inversión requerida, la distribución de las infraestructuras y se analiza
cuales de estas tienen mejor desempeño de acuerdo con las condiciones de las
subcuencas.
Palabras clave: Sistemas de drenaje urbano sostenible (SuDS), algoritmos
Figura 6-11. Relación entre el porcentaje de área impermeable tratada y el porcentaje de
caudal pico de escorrentía ............................................................................................. 98
Figura 6-12. Distribución SuDS en optimización en subcuencas existentes y de expansión
para evento 4. ................................................................................................................ 99
Figura 6-13. Distribución SuDS en optimización en subcuencas existentes y de expansión
para evento TR5 ............................................................................................................100
Figura 6-14. Distribución de unidades de celdas de bioretención en optimización en
subcuencas existentes y de expansión .........................................................................101
Figura 6-15. Distribución de unidades de tanques de almacenamiento en optimización en
subcuencas existentes y de expansión .........................................................................101
Figura 6-16. Distribución de unidades de pavimentos permeables en optimización en
subcuencas existentes y de expansión .........................................................................102
Figura 6-17. Distribución de unidades de celdas de bioretención en optimización de
subcuencas de expansión .............................................................................................103
Figura 6-18. Distribución de unidades de tanques de almacenamiento en optimización de
subcuencas de expansión .............................................................................................104
Figura 6-19. Distribución de unidades de pavimentos permeables en optimización de
subcuencas de expansión .............................................................................................104
Contenido XV
Lista de tablas
Tabla 4-1. Aspectos para definición de escenarios ......................................................... 42
Tabla 5-1. Información aliviaderos .................................................................................. 51
Tabla 5-2. Factor de variación de caudales de aguas residuales patrón 1...................... 58
Tabla 5-3. Factor de variación caudales aguas residuales patrón 2 ............................... 59
Tabla 5-4. Eventos de lluvia ........................................................................................... 62
Tabla 5-5. Parámetros curva IDF estación San Antonio de Prado TR 5 años ................. 64
Tabla 5-5. Calibración de aliviaderos .............................................................................. 71
Tabla 5-6. Resultados calibración hidráulica .................................................................. 72
Tabla 5-7. Estadísticos validación modelo calibrado con eventos 1 y 3 .......................... 75
Tabla 5-8. Selección de SuDS ........................................................................................ 77
Tabla 5-9. Implementación de SuDS por tipo de subcuenca .......................................... 81
Tabla 5-10. Recomendaciones parámetros algoritmo genético ...................................... 84
Tabla 5-11. Parámetros algoritmo genético optimización 100 variables ......................... 84
Tabla 5-12. Parámetros algoritmo genético optimización 9 variables ............................. 85
Tabla 5-13. Escenarios optimización .............................................................................. 85
Tabla 6-1. Indicadores de desempeño escenarios 1 y 2 ................................................. 86
Tabla 6-2. Indicadores de desempeño escenarios 3 a 5. ................................................ 88
Tabla 6-3. Indicadores de desempeño escenarios 6 a 8. ................................................ 88
Tabla 6-4. Individuo seleccionado para presentación de resultados ............................... 99
Tabla 6-5. Individuo seleccionado para presentación de resultados ..............................103
Lista de Símbolos y abreviaturas
Subíndices
Subíndice Término
Fm Función objetivo
x Individuo
gi
hk
Función i a maximizar
Función k a minimizar
Abreviaturas
Abreviatura Término
SUDS Sustainable Drainage Systems (Sistemas de drenaje sostenibles)
EPM Empresas Públicas de Medellín
SCS Soil Conservation Service
PBOT Plan Básico de Ordenamiento Territorial
UFCD Urban Drainage and Flood Control District
PEARL Preparing for Extreme and Rare Events in Coastal Regions
SIG Sistema de Información Geográfico
IDF Intensidad, duración frecuencia
POT Plan de Ordenamiento Territorial
Contenido XVII
Abreviatura Término
PBOT Plan Básico de Ordenamiento Territorial
RAS Reglamento técnico del sector de Agua potable y Saneamiento básico
MDT Modelos Digital de Terreno
SWMM Storm Water Management Model
FO Función objetivo
BR Bioretencion cell (Celda de bioretención)
RB Rain barrel (tanque almacenamiento)
PP Permeable pavement (Pavimento permeable)
Introducción
La vida moderna no se concibe sin la existencia de las ciudades, estas concentran personas
y servicios que permiten dar atención a todas las necesidades de la población y cada vez
se tiene un mayor porcentaje de personas viviendo en ellas. Para su existencia es necesario
contar con los servicios públicos básicos como agua potable, alcantarillado, aseo, energía
y transporte.
Históricamente, las ciudades se han situado cerca de fuentes de agua, lo cual facilitó un
acceso directo al líquido vital; sin embargo, y como producto de su uso, las aguas residuales
corrían por las calles y causaban enfermedades en la población. Como una solución a esta
problemática nacen los sistemas de alcantarillado, que constan de tuberías y canales que
transportan las aguas residuales a los cuerpos de agua. Posteriormente y con el crecimiento
de los centros urbanos, también se empezaron a presentar inundaciones y a formar arroyos
cuando se presentaban lluvias, con lo cual se identificó la necesidad de transportar y
disponer de estas aguas, naciendo así el servicio de drenaje urbano.
Este tipo de infraestructura fue la que permitió prestar un servicio de alcantarillado residual
y de drenaje urbano durante gran parte de los siglos XIX y XX. Su filosofía es captar las
aguas lluvias y residuales y transportarlas lo más rápido posible a los cuerpos de agua
cercanos, sin tener en cuenta los efectos en los mismos.
Con el crecimiento de las ciudades se ha identificado que la cantidad de aguas de
escorrentía se incrementa exponencialmente, esto causa inundaciones en las zonas bajas,
contaminación en los cuerpos de aguas receptores por el lavado de las vías y techos y
afectación en las corrientes naturales superficiales ya que estas no tienen la capacidad de
transportar caudales tan grandes. Adicionalmente, implica un costo económico importante
para la sociedad por la construcción de sistemas de tuberías y canales.
Estas problemáticas han causado que se dé una mirada diferente al drenaje urbano, la cual
tiene en cuenta el ciclo hidrológico del agua y busca que el proceso de escorrentía en las
ciudades sea similar al que se da naturalmente. Con este fin se introducen los sistemas de
drenaje sostenibles, los cuales tienen como objetivo dar un manejo de la escorrentía en la
fuente o lo más cercana a está, buscando favorecer la infiltración, la evapotranspiración, la
retención y dar caminos lentos a los flujos de agua. Algunos ejemplos de infraestructura de
drenaje sostenible son los pavimentos permeables, los pondajes (del anglosajón “pond” que
traduce estanque), las zanjas verdes y las celdas de bioretención entre otros. Estas
tecnologías se han introducido en algunos países desarrollados y han tenido un efecto muy
2 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
positivo en la reducción del riesgo de inundación, en la calidad de las aguas y en la gestión
de los cuerpos de agua receptores.
Para esta investigación, se plantea el reto de como implementar estos sistemas en cuencas
urbanas en expansión, en donde se evalué el desempeño del sistema de drenaje existente,
se determine la mejor manera en que se puede intervenir y se defina como hacer los
desarrollos futuros para tener un sistema de drenaje sostenible y flexible.
Para esto se propone utilizar los resultados y procedimientos de las investigaciones
realizadas en el tema a nivel mundial. Se parte de un modelo hidrodinámico calibrado del
sistema de drenaje de la cuenca urbana, se seleccionan los tipos de infraestructura
sostenible que se adaptan mejor a las condiciones locales utilizando las guías
internacionales y se realiza un proceso de optimización con algoritmos genéticos en el que
se evalúan múltiples formas de implementar los sistemas de drenaje sostenible con el fin
de obtener un conjunto de soluciones que produzca la mayor reducción de escorrentía al
mínimo costo.
Se plantea como objetivo principal desarrollar un procedimiento que permita planear
sistemas de drenaje sostenibles y flexibles en cuencas urbanas en expansión. Este
procedimiento será general para cualquier cuenca urbana y tendrá un caso de aplicación
específico en el Municipio de La Estrella ubicado en el Valle de Aburrá.
Se definen como objetivos adicionales proponer diferentes medidas de infraestructura que se requiere implementar para mejorar la eficiencia del sistema de drenaje actual y que su rehabilitación o expansión sea flexible, adaptable y a mínimo costo; y evaluar diferentes escenarios hidrológicos de una subcuenca urbana para determinar el desempeño hidráulico del sistema de drenaje considerando el uso actual y uso potencial del suelo.
Este estudio permitirá tener resultados para el medio local, el cual tiene condiciones
particulares cómo lluvias tropicales intensas, superficies de alta pendiente y poca
disponibilidad de espacios verdes que son diferentes a las condiciones de clima y
urbanismo de Europa y Norteamérica en donde se han desarrollado la mayor parte de los
estudios.
Esta investigación presenta una metodología para la implementación de sistemas de
drenaje sostenible en cuencas urbanas en expansión, la cual es un aporte importante para
el campo de investigación de infraestructura de drenaje sostenible, ya que no se cuenta con
un procedimiento de este tipo y se constituye en una información útil para su uso en otras
ciudades.
Los resultados del caso de estudio son una información base que le permitirá a las
autoridades locales y la empresa de servicios públicos conocer los costos y planear como
se deben implementar estos sistemas en la ciudad y cuál será la efectividad de estas
medidas.
Esta investigación se limita a cuencas urbanas y sus zonas de expansión aledañas, a la
modelación y evaluación del sistema de tuberías y/o canales que hacen parte del sistema
Introducción 3
de drenaje urbano y no incluye los cuerpos naturales de agua como ríos o lagos. La
metodología por proponer y el caso de estudio se enfocan en la cantidad de agua y no
abordan temas de contaminantes o calidad del agua.
1. Proyecto de investigación
1.1. Planteamiento del problema
La infraestructura de drenaje urbano de las ciudades se puede dividir en tres grupos, el
primero se constituye de elementos urbanísticos que reciben directamente las aguas lluvias
que cae en la superficie y la conducen hasta los sistemas de alcantarillado o drenajes
naturales, estos elementos son principalmente las cunetas, zanjas, vías y andenes; el
segundo grupo lo conforman las redes de alcantarillado de aguas lluvias, sus principales
elementos son los sumideros, las cámaras, las tuberías, aliviaderos y las descargas a los
cuerpos naturales y el último elemento son los cuerpos naturales de agua que reciben las
descargas del alcantarillado, estos cuerpos en las ciudades de los Andes Colombianos
corresponden a ríos y quebradas.
Con el crecimiento urbano de ciudades ubicadas en valles, que generalmente se da de la
parte baja de la cuenca hacia la parte alta, se presentan cambios significativos en el ciclo
hidrológico que impactan negativamente los elementos de drenaje. Estos efectos se dan
principalmente por tres componentes: el primero es el aumento del volumen de agua que
se debe drenar debido a la disminución de la infiltración y evapotranspiración; el segundo
se debe a que este volumen de agua se debe drenar en un tiempo más corto, debido al
aumento de velocidad del flujo superficial por la presencia de zonas duras y las altas
velocidades de flujo en las redes de alcantarillados y finalmente se presenta un deterioro
en la calidad del agua por el arrastre de basuras, sedimentos y material contaminante que
se encuentra en las superficies de las ciudades como aceites, gasolinas y hollín.
Adicionalmente, el cambio climático ha producido incrementos en la intensidad de los
eventos extremos de lluvia que generan caudales para los cuales las redes de alcantarillado
no fueron diseñadas.
El incremento en los caudales de escorrentía causa rebosamiento en los sistemas de
alcantarillado, desbordamiento de los ríos y quebradas en puntos críticos e inundaciones
en las ciudades con efectos económicos y sociales negativos para sus habitantes.
Para enfrentar esta problemática tradicionalmente se han implementado soluciones
basadas en la construcción de sistemas de drenaje urbano de mayor capacidad. Se realizan
inversiones económicas importantes para aumentar el tamaño de la infraestructura de
alcantarillado y se canalizan los ríos y quebradas con el fin de darles una mayor capacidad
de transporte. Aunque estas intervenciones generan una solución de drenaje en zonas
Proyecto de investigación 5
puntuales, no son una solución integral si se tiene en cuenta todo el ciclo de drenaje urbano;
ya que se impactan las redes de alcantarillado aguas abajo y en especial las fuentes
superficiales que por su evolución geomorfológica no tienen capacidad de transporte para
estos nuevos caudales líquidos y sólidos. Debido a esto se presentan desbordamientos,
inundaciones, erosión del lecho y de las bancas.
En el Área Metropolitana del Valle de Aburrá, se tiene topografía de un valle aluvial en
medio de una cadena montañosa, con un drenaje principal definido que es el Río Medellín.
El crecimiento de la ciudad y los municipios aledaños se ha dado desde la parte baja de la
cuenca (cerca del rio) hacia la parte altas, esto ha causado que actualmente se presenten
los problemas que se mencionaron anteriormente. Teniendo en cuenta el desarrollo
económico de la región y la dinámica de construcción y crecimiento urbano que está
teniendo la ciudad; se plantea la problemática de cómo se debe planear y desarrollar la
infraestructura de drenaje urbano que tiene la ciudad actualmente y la que requieren las
zonas de expansión para tener un crecimiento sostenible que tenga en cuenta todos los
elementos de la cadena del drenaje urbano, disminuyendo al máximo posible las
inundaciones en las partes bajas, optimizando la inversión económica y con la menor
afectación posible a los cauces naturales receptores.
1.2. Antecedentes
Los sistemas de alcantarillado son vitales para la existencia y funcionamiento de los centros
urbanos de todas las magnitudes, su función es recolectar y transportar las aguas
residuales provenientes de las residencias, comercio, industria e instituciones y entregarlas
a la planta de tratamiento de aguas residuales; así como recolectar y transportar las aguas
de escorrentía y entregarlas a las fuentes de agua superficial o subterránea. El sistema de
aguas residuales cumple una función principalmente de salubridad que evita enfermedades
en la población, mientras que el sistema de aguas lluvias cumple una función de gestión
del riesgo y de garantizar la operatividad de las ciudades, esto se logra al evitar las
inundaciones y los daños a propiedades y pérdidas de vidas humanas por los efectos de
las acumulaciones de los caudales de escorrentía en las zonas bajas.
En los países en desarrollo las ciudades están presentando un crecimiento urbano
acelerado que presenta grandes desafíos para la gestión de los recursos naturales. Por
ejemplo, en el área metropolitana del Valle de Aburrá entre el año 1948 y 2015 se ha
presentado un crecimiento de la superficie urbana de 1540% y de acuerdo a los planes de
ordenamiento territorial se espera un crecimiento de 314% para los próximos años
Empresas Públicas de Medellín et al (2014). Estas tasas de crecimiento implican una gran
presión sobre todos los sistemas de las ciudades, especialmente las redes de alcantarillado
que deben recibir caudales para las que no están diseñadas.
El crecimiento y desarrollo de los centros urbanos ha implicado la construcción de
infraestructura que cambia el uso de los suelos, pasando inicialmente de bosques nativos
a zonas de uso pecuario o agrícola y posteriormente a usos urbanos como vías y
edificaciones. Estos cambios en los usos del suelo producen variaciones significativas en
6 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
el ciclo hidrológico natural de las cuencas. Se produce un aumento significativo de la
cantidad de agua que deben transportar las fuentes superficiales y cambios en la calidad
del agua que reciben. Con respecto a la cantidad de agua se presenta un aumento por el
efecto combinado de: primero un volumen de escorrentía mayor por el aumento de la
impermeabilidad del suelo, la disminución de la infiltración y de la evapotranspiración y
segundo por la disminución de los tiempos de concentración que se presenta al tener
mayores velocidades de flujo en las superficies duras de las ciudades y en las redes de
alcantarillado. Esto implica que las fuentes naturales deben recibir un caudal mayor en un
tiempo menor. Por otro lado, se afecta la calidad del agua por el lavado de las superficies
de los techos y vías de los centros urbanos.
El cambio en el régimen de caudal en tan poco tiempo tiene efectos sobre las
infraestructuras urbanas y los recursos naturales:
Redes de alcantarillado: se presenta conexión de nuevos caudales a las redes
existente que no fueron diseñadas para estas condiciones. Esto implica rebosamiento
de las redes por las tapas de las cámaras y por las acometidas de aguas lluvias de
las edificaciones.
Ríos y quebradas: por su evolución geomorfológica estos cuerpos de agua no tienen
la capacidad de transporte y se presenten desbordamientos, inundaciones y erosión
lateral y de fondo en el cauce.
Estos caudales que no pueden ser transportados se acumulan en las zonas bajas y planas
de las ciudades y producen en los casos más graves pérdidas de vidas humanas por el
arrastre de personas en las corrientes, pérdidas económicas por daños a bienes muebles
e inmuebles y pérdidas en la productividad de las ciudades por cierre de vías, afectaciones
a sistema trasporte y a la infraestructura pública.
Tradicionalmente las normas y guías de diseño de sistemas de alcantarillado en Colombia,
como el reglamento técnico del sector de aguas potable y saneamiento básico-RAS2000 y
la norma de diseño de alcantarillado de Empresas Públicas de Medellín; así como la
práctica común en el medio, ha sido desarrollar sistemas de alcantarillado de aguas lluvias
que evacuen rápidamente los caudales de escorrentía. El criterio es que una vez cae el
agua a la superficie y se convierte en escorrentía, se debe recoger lo más rápido posible
por medio de sumideros y acometidas, transportar los caudales en las redes y entregar a
los ríos y quebradas. En este modelo no se tiene en cuenta el efecto de estos caudales
sobre las fuentes superficiales ni el impacto de los caudales por el crecimiento urbano futuro
de la ciudad. Este tipo de infraestructura son rígidas, requieren altas inversiones
económicas en el año cero del proyecto y son poco adaptables a condiciones futuras
cambiantes.
A nivel mundial el enfoque está cambiando hacia una gestión del drenaje urbano integral y
sostenible que se basa en medidas descentralizadas que dan preferencia a la gestión de
escorrentía en la fuente y que ofrecen flexibilidad para adaptarse a condiciones climáticas
cambiantes y a la dinámica urbana. Estas medidas se enfocan en el uso de sistemas de
drenaje urbano sostenible (SuDS) o mejores prácticas de gestión (BMPs), las cuales
buscan gestionar la escorrentía para que sea similar al régimen hidrológico que tienen la
cuenca antes de la urbanización. De acuerdo a Fletcher et al. (2014) el termino SuDS fue
Proyecto de investigación 7
inicialmente acuñado por Butler y Parkinson en 1997, posteriormente D’Arcy en 1998 lo
aplicó al triangulo de drenaje sostenible (cantidad, calidad y urbanismo); el uso del término
se formalizó en el año 2000 cuando los manuales técnicos del Reino Unido lo empezaron
a utilizar. Finalmente, en el año 2007, la guía The SuDS Manual” de Ciria, utiliza el término
y su uso se vuelve global.
Esto se logra favoreciendo la retención, la infiltración, los caminos largos de flujo y el
almacenamiento. Las infraestructuras de SuDS de acuerdo a Ciria (2015) son:
Almacenamiento de agua
Techos verdes
Sistemas de infiltración: tanques, zanjas, estanques a cielo abierto y mantos
drenantes.
Sistemas de tratamiento en el predio (calidad)
Franjas de pasto
Drenes filtrantes
Canal de drenaje con vegetación
Celdas de bioretención
Árboles
Pavimentos permeables
Tanques de tormenta
Estanques
Lagos y humedales con o sin infiltración
Existen manuales de diseño para estos sistemas como el del Ministerio de Vivienda y
urbanismo de Chile (2005) y el del Department for Environmental Food and Rural Affairs
del Reino Unido (2015), los cuales presentan una descripción completa de cada tipo de
infraestructura, los materiales que se deben utilizar, el dimensionado, diseño de detalle,
mantenimiento requerido y operación. En The SuDS Manual (2015) y Urban Storm Drainage
Criteria Manual Volume 3 (2010) se presentan guías para seleccionar los tipos de SuDS
más adecuado a utilizar de acuerdo a las condiciones locales, utilizando criterios de
permeabilidad del suelo, área a drenar, pendiente del terreno, disponibilidad de espacio,
profundidad del nivel freático y calidad del agua.
En el lenguaje técnico se utilizan comúnmente estas expresiones para referirse a los
sistemas de drenaje urbano sostenible:
Sustainable Drainage Systems- SuDS: se refiere a todos los sistemas que buscan
maximizar las oportunidades y beneficios que se pueden obtener de la gestión del agua
superficial. Estos beneficios se pueden lograr en cantidad del agua, calidad del agua,
recreación y biodiversidad. Es el término más general y se refiere a todas las medidas en
escala de predio o unidad constructiva (descentralizadas) o centralizadas, pueden ser
infraestructuras verdes o grises.
Low Impact Development – LID o Green Infraestructure - GI: fue inicialmente acuñado por
Barlow et al. en 1997. Son medidas e infraestructuras locales que manejan el agua en la
fuente (escala de predio o edificación) y buscan reproducir el régimen hidrológico que se
tiene antes de la urbanización.
8 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Best Management Practices – BMPs: El termino fue inicialmente planteado en “The Clean
Water Act” en Estados Unido en 1972. Son medidas e infraestructuras centralizadas que
pueden ser verdes o grises y que buscan gestionar las aguas de escorrentía de manera
centralizada. Por ejemplo, humedales, estanques o tanques de tormenta.
Las investigaciones recientes para el uso de SuDS en escala de cuenca o subcuenca
urbana se basan en la evaluación del funcionamiento del sistema de alcantarillado bajo
lluvias de diseño para periodos de retorno definidos o bajo lluvias reales que hayan
producido eventos de inundación; la elección de los SuDS que se adaptan mejor a las
condiciones locales y la optimización utilizando una función objetivo que es reducir la
cantidad del agua de escorrentía y/o mejorar la calidad de la misma con el menor costo.
Para esto se definen funciones de costo en función de la longitud, área o volumen unitario
para cada tipo de infraestructura.
Con el fin de conocer las zonas de la cuenca en donde se deben instalar los SuDS para
que se produzcan los efectos deseados en cuanto a reducción de cantidad de agua o
mejoramiento de calidad con el menor costo, se utilizan procesos de optimización. El
objetivo de la optimización matemática es encontrar el mejor valor o conjunto de valores de
todas las soluciones alternativas disponibles usando una técnica matemática. Una rutina de
optimización se puede utilizar para maximizar y/o minimizar una o varias funciones objetivo.
Se deben definir las variables de decisión y sus restricciones para crear el espacio de
búsqueda. Un modelo de optimización opera usando un algoritmo que basado en una o
varias funciones objetivo, las cuales son minimizadas o maximizadas, modifica las variables
de decisión considerando las restricciones, hasta que se obtiene una solución válida,
Galindo (2015). Los algoritmos genéticos posibilitan resolver problemas de optimización
multiobjetivo, pero requieren alta capacidad de computo. El algoritmo genético más utilizado
es el NSGA-II (nondominated sorting genetic algorithm) desarrollado por Deb (2002), tiene
como ventaja principal la reducción del tiempo de cómputo y la posibilidad de resolver la
optimización con dos o más objetivos simultáneos.
El algoritmo de optimización se apoya en un software que permita realizar el cálculo
hidráulico del sistema de tuberías bajo las diferentes condiciones hidrológicas. En el mundo
académico uno de los software más utilizados es Epaswmm (Storm water management
model), este fue desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos y
es ampliamente utilizado para el modelamiento hidrodinámico de redes de alcantarillado.
Permite realizar modelación hidrológica agregada y el tránsito hidráulico con onda dinámica.
El software es gratuito y de código libre lo que permite implementar códigos para hacer
procesos de optimización o evaluación automáticas bajo múltiples escenarios.
1.3. Pregunta de investigación
De acuerdo a lo planteado en los numerales anteriores, se identifica la necesidad de buscar
la mejor manera de implementar sistemas de drenaje sostenible en la cuenca urbana del
Valle de Aburrá. Teniendo en cuenta que los tipos de infraestructura a implementar deben
Proyecto de investigación 9
ser acordes a las condiciones de espacio disponible, tipo de suelo, intensidad de la
precipitación, desempeño del sistema de drenaje y con el menor costo posible.
Se plantea la pregunta:
¿Cómo se debe implementar la infraestructura de drenaje sostenible en una cuenca urbana
de tal manera que, de acuerdo a las condiciones locales, se genere reducción en los
caudales de escorrentía con la mayor relación beneficio costo?
1.4. Objetivos
Objetivo general
Desarrollar una metodología para planificar un sistema de drenaje urbano bajo diferentes
escenarios de tal manera que sea sostenible, flexible y adaptable.
Objetivos específicos
Proponer un procedimiento para evaluar el desempeño de un sistema de drenaje en condiciones actuales y futuras.
Proponer diferentes medidas de infraestructura que se requiere implementar para mejorar la eficiencia del sistema de drenaje actual y que su rehabilitación o expansión sea flexible, adaptable y a mínimo costo.
Evaluar diferentes escenarios hidrológicos de una subcuenca urbana para determinar el desempeño hidráulico del sistema de drenaje considerando el uso actual y uso potencial del suelo.
2. Revisión de literatura
2.1. Infraestructuras de drenaje sostenible
Las infraestructuras de drenaje urbano se diseñan para maximizar las oportunidades y
beneficios que se pueden obtener del manejo de las aguas de escorrentía Ciria (2015).
Estos beneficios se dividen en cuatro grupos:
Cantidad de agua: control de la escorrentía, aporta a la disminución del riesgo de
inundación
Calidad del agua: gestionar la calidad de la escorrentía para prevenir la
contaminación
Esparcimiento: crear y mantener mejores espacios para las personas
Biodiversidad: crear y mantener mejores espacios para la naturaleza
Estas infraestructuras se pueden usar para desarrollos nuevos, así como para intervenir
zonas que ya se encuentran consolidadas.
Fletcher Et al (2014) plantean que en el lenguaje técnico se utilizan comúnmente estas
expresiones para referirse a los sistemas de drenaje urbano sostenible:
Sustainable Drainage Systems- SuDS: se refiere a todos los sistemas que buscan
maximizar las oportunidades y beneficios que se pueden obtener de la gestión del
agua superficial. Estos beneficios se pueden lograr en cantidad del agua, calidad
del agua, recreación y biodiversidad. Es el término más general y se refiere a todas
las medidas en escala de predio o unidad constructiva (descentralizadas) o
centralizadas, pueden ser infraestructuras verdes o grises.
Low Impact Development – LID o Green Infraestructure - GI: son medidas e
infraestructuras locales que manejan el agua en la fuente (escala de predio o
edificación) y buscan reproducir el régimen hidrológico que se tiene antes de la
urbanización.
Best Management Practices – BMPs: Son medidas e infraestructuras centralizadas
que pueden ser verdes o grises y que buscan gestionar las aguas de escorrentía de
manera centralizada. Por ejemplo, humedales, estanques o tanques de tormenta.
Revisión de literatura 11
Existen múltiples infraestructuras y técnicas que se pueden implementar en escala de
predio o de subcuenca, pueden estar enfocadas en la gestión de la cantidad del agua, de
la calidad del agua o de ambas. Se pueden clasificar de acuerdo a su función principal,
aunque generalmente cumples funciones simultaneas. Los tipos de infraestructura
clasificadas por su función principal son:
Desconexión de áreas impermeables:
o Franjas de pasto
o Pavimentos permeables
o Zanjas de pasto
Obra de infiltración:
o Pozos de infiltración
o Zanjas de infiltración
o Celdas de bioretención
o Filtros de arena
o Techos verdes
Obras de almacenamiento
o Estanques o pondajes
o Reciclaje de agua
o Humedales
o Tanques de amortiguamiento
Se presenta una descripción de los tipos de infraestructura que son más viables de
implementar en las ciudades colombianas, teniendo en cuenta aspectos de espacio
disponible, pendiente del terreno, intensidad de las lluvias, usos del suelo, etc.
2.1.1 Reciclaje de agua
Consiste en la recolección de agua de escorrentía a nivel de predio o edificación para su
uso futuro. La escorrentía es recolectada de techos y otras áreas impermeables,
almacenada, tratada (donde se requiera) y luego utilizada como un suministro de agua
doméstica, comercial, industrial, institucional (Ciria, 2015). Estos sistemas pueden tener un
número de beneficios clave:
Pueden cumplir con algunas de las demandas de agua del edificio, entregando
beneficios en sostenibilidad y resiliencia al clima.
Ayudan a reducir el volumen de escorrentía de un área.
Pueden ayudar a reducir el volumen de almacenamiento para atenuación de picos
que se requiere en un sitio.
Es una medida local que requiere poco espacio y que es operado y mantenido por
el propietario.
Los sistemas de reciclaje de agua se diseñan para un nivel específico de servicio, el cual
puede cumplir únicamente funciones de suministro de agua (sistemas de conservación del
agua) o también gestión y reducción del agua de escorrentía (con la inclusión de una
capacidad de almacenamiento mayor).
12 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Existen tres tipos principales de sistemas:
Sistema de gravedad
Sistemas con bombeo
Sistemas compuestos
En la Figura 2-1 se presenta un esquema de un sistema doméstico por gravedad tomado
de Ciria (2015). Las aguas de escorrentía del techo se utilizan para el vaciado de sanitarios,
el lavado de ropa y el riego del jardín.
Figura 2-1. Sistema de reciclaje de agua domestico por gravedad
2.1.2 Techos verdes
Los techos verdes son áreas de vegetación viva, instaladas en las losas o techos de las
edificaciones. Presentan múltiples beneficios incluyendo el aspecto visual, el valor
ecológico, la mejora en el desempeño de la edificación (menor uso de aire acondicionado)
y la reducción de la escorrentía de agua lluvia. Se dividen en dos categorías principales
(Ciria,2015):
Techos extensivos: tienen profundidad de sustrato baja y por lo aportan poco peso
a la estructura del edificio, la siembra es sencilla y los requerimientos de
mantenimiento bajo; usualmente no son accesibles desde el interior del edificio.
Techos intensivos o jardines de techo: tiene profundidad de sustrato mayor, esto lo
hace apto para una gran variedad de plantas y una retención de agua lluvia mayor.
Requieren un mayor mantenimiento, usualmente son accesibles desde el interior del
edificio. Aportan un peso significativo a la estructura de la edificación, esto implica
que posiblemente se deban hacer labores de reforzamiento.
Son medidas efectivas para reducir la escorrentía urbana, ya que reduce el porcentaje de
superficies impermeables en áreas urbanas. Son especialmente efectivos en áreas urbanas
consolidadas con sistemas de alcantarillado combinado que tengan problemas de
Revisión de literatura 13
sobreflujo por la alta impermeabilidad. Los techos verdes se construyen con material
multicapas que consisten en una capa vegetal, suelo, geotextil y una capa
impermeabilizante. Los techos verdes en áreas urbanas conservan un uso privado del suelo
que de otra manera puede ser requerido para medidas de control de escorrentía (US EPA,
2000).
Aunque los techos verdes son generalmente más costosos de construir y mantener que los
techos convencionales, proveen beneficios a largo plazo. El diseño de la cobertura vegetal
debe ser compatible con las condiciones de clima y especies de la zona y proteger de la
humedad a los materiales del techo que se encuentran por debajo. La vida útil del techo
puede ser extendida con la implementación de un techo verde ya que se protege la capa
impermeable de daño mecánico, se cubre contra el daño ultravioleta y se crea un
aislamiento contra las temperaturas externas (Ciria, 2015), esto produce reducción de los
costos de calefacción o aire acondicionado.
En la Figura 2-2 se presenta un esquema típico tomado de tomada de
Drainage and Flood Control District: Manual técnico de diseño y criterios.
Proyecto PEARL, European Union's Seventh Framework Programme for Research
Technological Development and Demonstration. http://www.pearl-fp7.eu/ : página
web con guía interactiva para seleccionar SuDS de acuerdo con las condiciones del
territorio y las problemáticas presentadas.
Urban Green-blue grids for sustainable and resilient cities http://www.urbangreenbluegrids.com/: Presentan casos de estudio e información general de las medidas.
Herramienta climate app, Deltares (Holanda): herramienta web que a partir de una
necesidad ayuda a seleccionar los SuDS.
Una vez seleccionados los SuDS se debe hacer el diseño de detalle de cada tipo, este
diseño es para un módulo o unidad básica, el cual se repetirá n veces en cada subcuenca
de acuerdo con los resultados de la optimización. Para el diseño se debe tener en cuenta
como mínimo los parámetros que requiere el software de modelación, y se debe realizar de
acuerdo con el tipo de suelo de la zona, su permeabilidad, espacio disponible y
configuración de la red de drenaje.
Posteriormente, se debe presupuestar el valor de construcción, operación y mantenimiento
de cada tipo de unidad de SuDS. Estos precios deben ser actualizados, calculados para el
caso de estudio específico y para una vida útil específica (generalmente entre 15 y 30 años).
Volumen de escorrentía subcuenca i: Summary results/ Subcatchment runoff/ Total
runoff
El valor mínimo del indicador es 1 y el valor máximo no tiene límite.
40 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
4.8. Funciones objetivo
Con base en los objetivos y alcance del proyecto de implementación de SuDS, se debe
definir cuáles son las variables de decisión, la o las funciones objetivo y las restricciones
que definen el conjunto de solución factible.
Para el caso de estudio se definen dos funciones objetivo para la optimización, una se
relaciona con el caudal pico de escorrentía y la otra con los costos de construcción,
operación y mantenimiento de los SuDS. El algoritmo optimiza ambas funciones
simultáneamente. A continuación, se describe cada una:
Minimizar caudal pico de escorrentía: en el archivo de reporte de resultados de
SWMM, el caudal de escorrentía se puede encontrar en “Subcatchment runoff
summary”. La función objetivo consiste en calcular el promedio de cada pico de
escorrentía normalizado de cada subcuenca.
𝑓1(𝑥𝑖) =1
𝑛∗ ∑
𝑟𝑝𝑗
𝑟𝑝𝑗,𝑚𝑎𝑥
𝑛𝑗=1 Ecuación 1
Donde:
𝑓1(𝑥𝑖) : función de ajuste (1) del cromosoma (i)
𝑛 : número de subcuencas
j : número de la subcuenca
𝑟𝑝𝑗: caudal pico de escorrentía (l/s) de la subcuenca j
𝑟𝑝𝑗,𝑚𝑎𝑥: caudal pico de escorrentía sin uso de SuDS de la subcuenca j
Minimizar costo de inversión: el costo de cada una de las configuraciones de los
SuDS está relacionado con el número total de unidades implementado en cada
subcuenca, multiplicado por el costo de construcción, operación y mantenimiento.
El número de SuDS proviene de algoritmo de optimización (NSGAX) y el costo de
implementación se toma de los resultados del numeral anterior.
𝑓2(𝑥𝑖) =∑ (𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜𝑆𝑢𝐷𝑆∗𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑆𝑢𝐷𝑆𝑗)𝑛
𝑗=1
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜𝑚𝑎𝑥 Ecuación 2
𝑓2(𝑥𝑖) : función de ajuste (2) del cromosoma (i)
𝑛: número total de SuDS
CostoSuDS: costo ($/unidad) del SuDS (j)
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑆𝑢𝐷𝑆𝑗: número de SuDS tipo (j)
𝑐𝑜𝑠𝑡𝑜𝑚𝑎𝑥: máximo costo del escenario inicial (cantidad máxima de SuDS en todas
las subcuencas)
Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles 41
4.9. Programación algoritmo de optimización
El proceso de optimización permite obtener las soluciones más eficientes para la
implementación de los SuDS, logrando la mejor gestión de la calidad o cantidad del agua y
con los menores costos. Es necesario llevar a cabo este proceso ya que el conjunto de
soluciones es muy amplio (cada solución es una configuración específica de SuDS en cada
subcuenca) y es imposible conocer las soluciones más eficientes con un método manual
de ensayo y error. Para lograr esto existen diferentes algoritmos de optimización que se
pueden usar, como por ejemplo los algoritmos genéticos, las colonias de hormigas, las
partículas swarp, los métodos de Monte-Carlo, los sistemas expertos y la lógica difusa.
En las publicaciones de implementación de sistemas de drenaje sostenible, los
investigadores sugieren utilizar algoritmos genéticos debido a su eficiencia, diversidad y
confiabilidad. Los de uso más común son el NSGA y el NSGA-II.
Es necesario que la optimización sea multiobjetivo porque el interés es reducir los caudales
o mejorar la calidad del agua y simultáneamente encontrar la configuración de SuDS que
produzcan el menor costo.
En los algoritmos genéticos hay que tener en cuenta los siguientes parámetros (Arranz,
2010):
Tamaño de la población: indica el número de cromosomas o individuos que tenemos
en nuestra población para una generación determinada.
Probabilidad de cruce: Indica la frecuencia con la que se producen cruces entre los
cromosomas padre, es decir, que haya probabilidad de reproducción entre ellos.
Probabilidad de mutación: indica la frecuencia con la que los genes de un
cromosoma son mutados. Si no hay mutación, los descendientes son los mismos
que había tras la reproducción.
En el numeral 2.2 se presenta más información acerca de los algoritmos genéticos.
Actualmente no existe un software que realice el proceso de optimización de SuDS, este
proceso se hace a nivel de investigación y requieren la programación de un algoritmo que
genere los individuos, evalué el desempeño de cada uno en el software de modelación
hidrodinámico, lea los resultados, calcule los valores de la función objetivo, seleccione los
individuos que tiene mejor desempeño y a partir estos produzca una nueva generación;
este proceso se repite hasta llegar al número de generaciones indicadas por el usuario.
En el numeral 0 se presenta el flujograma del proceso de optimización.
4.10. Definición de escenarios
Con el objetivo de evaluar los resultados de diferentes condiciones en el funcionamiento
del sistema de drenaje en la actualidad y futuro y conocer como será el desempeño de los
SuDS, se deben definir escenarios. Se sugiere evaluar lluvias de diferente intensidad que
permitan conocer la eficiencia del sistema de drenaje y el desempeño de los SuDS. Para la
toma de decisiones es importante conocer el funcionamiento para condiciones de lluvias
promedio, así como para lluvias de mayor intensidad (periodo de retorno de 5 y 10 años).
42 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
De acuerdo con lo anterior se sugiere tener en cuenta los siguientes aspectos para definir
los escenarios:
Tabla 4-1. Aspectos para definición de escenarios
Zona Uso de SuDS Precipitación
Cuenca existente Sin SuDS Lluvia 1,2…n
Cuenca existente + expansión Sin SuDS Lluvia 1,2…n
Cuenca existente + expansión Con SuDS Lluvia 1,2…n
Cuenca existente + expansión Con SuDS solo en la expansión
Lluvia 1,2…n
Con estos escenarios se logra evaluar el desempeño del sistema en sus condiciones
actuales, esto permite conocer puntos críticos del sistema que a futuro presentarán fallas
mayores y tomar decisiones con respecto a intervenciones puntuales donde se requiera.
Con el escenario cuenca existente + expansión se conoce como será el funcionamiento del
sistema en condiciones de expansión, este es el caso de la expansión urbana tradicional,
en donde los nuevos desarrollos descargan a las redes existentes y afectan su
funcionamiento; con este escenario es posible conocer los nuevos puntos críticos que se
generan con respecto al escenario 1, y es posible determinar los cambios que requiere la
red y cuantificar su costo.
Los escenarios de la tercera fila plantean evaluar el caso de implementar SuDS en todas
las subcuencas, este es un caso ideal en donde se aprovechan todas las ventajas de los
sistemas sostenibles y se evita en gran parte las inversiones que se deben hacer para
ampliar la capacidad hidráulica en la red. Con el proceso de optimización, se selecciona la
opción más conveniente en cuanto a inversión requerida y manejo de la escorrentía.
Los escenarios de la última fila permiten conocer las alternativas de implementación de
SuDS para los casos en donde solo se utilizarán estos elementos en la expansión. Este
caso es muy común en los municipios colombianos, en donde se tiene un área central
tradicional con espacio restringido y con edificaciones que por sus condiciones estructurales
y de impacto, limitan el uso de algunos tipos de SuDS como techos verdes o tanques de
almacenamiento. Por otro lado, en las zonas nuevas de expansión, es posible la
implementación desde el diseño de los SuDS como parte integral de los proyectos y como
cumplimento a las exigencias del RAS.
4.11. Modelación y análisis de resultados
La ejecución de los numerales anteriores permite tener la información completa para
realizar la modelación computacional de los escenarios. Este proceso incluye programas
de modelación hidrodinámica comerciales que en general tienen un buen desempeño y
están probados, pero también se deben utilizar códigos de optimización elaborados para el
proyecto, los cuales no son comerciales y por lo tanto no tienen un protocolo de pruebas
riguroso.
Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles 43
Esto implica que para tener un algoritmo de optimización que se ejecute apropiadamente
se debe realizar un proceso iterativo, en el que se corrigen fallas y se realizan chequeos de
los resultados. Los chequeos se realizan con la comparación de los resultados de los
escenarios para los casos de no uso de SuDS y de cantidad máxima de SuDS en todas las
subcuencas. Estos resultados permitirán conocer el aporte máximo de los SuDS y su costo
máximo.
Con las corridas de los escenarios se procede a calcular los indicadores.
Finalmente se procede a correr los escenarios que tienen optimización, dado que esto es
un proceso que demanda gran gasto computacional, se sugiere utilizar un equipo con
procesador y memoria RAM de buena calidad. En un equipo con procesador Intel Core i7-
4710 HQ CPU @2.5 GHz y de RAM 8 GB correr cada escenario para el caso de estudio
tiene una duración entre 48 y 72 horas.
Con los resultados se realiza un análisis en los que se sugiere tener en cuenta los siguientes
aspectos:
Inicialmente se debe comprender como está funcionando la red de drenaje de la
zona existente, esto se logra durante el proceso de calibración y validación y con
las corridas de los escenarios que no involucran la expansión ni los SuDS. Se debe
entender como se reparten los caudales por el sistema, el funcionamiento de los
aliviaderos, cuales son las cámaras y los tramos que presentan sobreflujo, cuánto
dura y que caudal se sale del sistema en estos puntos, donde hay puntos críticos,
revisar los caudales pico de descarga, etc.
Evaluar el cambio en los indicadores de desempeño de la red con y sin expansión
para los casos extremos: sin SuDS y con cantidad máxima de SuDS. Esto permite
conocer el funcionamiento de la red actual, como se verá afectada por los caudales
que llegarán por la expansión futura y cuál será el aporte máximo de los SuDS. Con
esta información es posible determinar si la red de la zona existente requiere alguna
intervención y cuál puede ser su costo.
Evaluar los resultados de cada uno de los casos de optimización, comparar con los
valores de los escenarios de máxima y mínima implementación de SuDS.
Determinar un rango de presupuesto o de reducción de escorrentía donde el dueño
del proyecto esté dispuesto a realizar inversiones. Verificar que la región de
soluciones no dominadas (en el sentido de Pareto) sea coherente.
Se recomienda seleccionar una solución que por presupuesto y desempeño se
considere que tiene buenas características y revisar en detalle como es la
implementación de los SuDS en cada subcuenca, donde se podrían ubicar y en caso
de ser posible, hacer un prediseño. En caso de que el proyecto de implementación
se encuentre más avanzado, se recomienda realizar este proceso para varios casos.
Con esta información se concluye con respecto al desempeño del sistema de drenaje
actual, cómo se verá impactado por la expansión de la zona urbana y como sería el
desempeño del sistema de drenaje sostenible y se hacen recomendaciones.
Con este procedimiento se logra tener la información que se requiere para planear el
sistema a futuro con el uso de SuDS, en el momento es que se vaya a implementar los
SuDS, se debe realizar un diseño de detalle de los SuDS para cada subcuenca, partiendo
del análisis de diferentes soluciones del frente óptimo de Pareto.
44 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Procedimiento general
En la Figura 4-2 se presenta el diagrama de flujo con el procedimiento general que se debe
seguir para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles en cuencas urbanas
en expansión. Este diagrama resume todos los pasos que se plantean en este capítulo.
Adicionalmente, en la Figura 4-3 se presenta el diagrama de flujo con el proceso de
optimización.
Estos diagramas permiten conocer de manera clara la secuencia de actividades que se
deben seguir, la información requerida, la relación entre los pasos y las iteraciones que se
deben realizar.
La convención utilizada es la siguiente:
Figura 4-1. Convenciones diagramas de flujo
Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles 45
46 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Figura 4-2. Diagrama de flujo para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles en cuencas urbanas en expansión
Figura 4-3. Diagrama de flujo proceso de optimización
5. Caso de estudio
Se selecciona el Municipio de La Estrella en el departamento de Antioquia, este es un
municipio que está teniendo una expansión urbana importante, presenta condiciones
topográficas y climatológicas típicas de poblaciones de los Andes Colombianos y por su
conformación topográfica no recibe cuencas tributarias de otras zonas; igualmente el
sistema de alcantarillado no recibe aportes de otras cuencas o municipios y su tamaño es
adecuado para los objetivos de la investigación. Estas características permiten tener un
caso de estudio con las características deseadas para validar la metodología y analizar los
resultados.
5.1. Ubicación
La cuenca se ubica en el municipio de La Estrella, departamento de Antioquia en Colombia.
El municipio pertenece al Área Metropolitana del Valle de Aburrá, que es la segunda
concentración de población más grande de Colombia, con aproximadamente 3.8 millones
de personas.
En la Figura 5-1 se presenta la ubicación del municipio en el Área Metropolitana y en
Colombia.
48 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Figura 5-1. Ubicación municipio La Estrella. (Fuente: Wikipedia).
5.2. Construcción del modelo hidrodinámico
El modelo hidrológico e hidráulico de la cuenca La Estrella se construyó a partir de la
información entregada por la empresa consultora Idom-Sedic en el marco del contrato con
objeto “Modelar hidráulicamente el sistema de alcantarillado operado por Empresas
Públicas de Medellín en el Valle de Aburrá, incluyendo el levantamiento topográfico de los
elementos y la calibración de los modelos” del año 2016. Aunque a la fecha que se inició
esta investigación no se tenían los modelos con la información de los levantamientos
topográficos ni se había realizado la calibración; se utilizó como insumo los modelos
iniciales que construyó la empresa consultora, basados en la información de los sistemas
de información geográficos de Empresas Públicas de Medellín, y sobre estos se realizaron
chequeos, modificaciones y actualizaciones.
El modelo se construye para las tuberías principales, de diámetro mayor o igual a 400mm.
Caso de estudio 49
5.2.1. Modelo hidráulico
Se compone de los elementos físicos que forman el sistema de drenaje o alcantarillado.
Como punto de partida se tomó la información de redes de alcantarillado del sistema de
información geográfico de Empresas Públicas de Medellín. Esta información se encuentra
en coordenadas planas Magna Sirgas con origen Medellín. Dado que la base de datos tiene
información faltante o errónea se realizó una revisión detallada de todos los elementos. Esto
permite tener un modelo coherente y que produzca resultados confiables Se realizaron los
siguientes chequeos:
Tramos de red
Conectividad: Epaswmm no permite dibujar tramos que no tengan asociadas cámaras,
descargas o aliviaderos en sus extremos; de acuerdo con esto todos los tramos tienen
conectividad.
Longitud: varía entre 2 y 103m. Esta información se encuentra coherente ya que
proviene de las coordenadas reales con origen Magna-Sirgas del modelo de red de
EPM. Se borra el tramo con ID 12830 ya que tiene longitud cero y no se requiere.
Material y n de Manning: el material se toma de la información del modelo de red de
EPM y de acuerdo a este se asocia el n de Manning. Todos los tramos son de concreto.
La rugosidad se toma de 0.014 que corresponde a un valor de tuberías de concreto en
servicio. Debido a la velocidad del flujo, el concreto se va desgastando y la rugosidad
se incrementa.
Diámetro: Todos los tramos tienen asociado un diámetro. Varían entre 180mm y
1300mm. Hay 35 tramos de diámetro mayor o igual a 800mm. Se realiza una revisión
de la variación de los diámetros hacia aguas abajo. Se eliminan los tramos aguas arriba
del ID 6055603, ya que este es un arranque y no recibe aportes de aguas arriba.
Tramos activos: solo se modelan los tramos de diámetro mayor o igual a 400mm. Los
tramos con ID 9066474, 6057540 son de diámetro menor a 400mm, sin embargo, se
dejan activos para que no se tengan las descargas de dos subcuencas a la misma
cámara, ya que se puede producir sobreflujo por altos caudales de ingreso.
Cota invert inicio del tramo, cota invert llegada tramo, cota fondo cámara y pendiente:
Se realizó una revisión tramo a tramo de estas cotas, con el fin de que no queden
escalas incoherentes en las cámaras ni pendientes negativas en los tramos. Lo que se
encontró en el modelo inicial es que la cota invert de llegada esta entre 5 y 20cm por
encima de la cota de fondo de la cámara y esta a su vez está entre 5 y 20 cm por encima
de la cota invert de la tubería del tramo aguas abajo. Para que el modelo de SWMM sea
coherente se requiere que la cota de invert de la tubería de salida sea igual a la cota de
fondo de la cámara, para lograr esto se procede así:
En las cámaras, si la diferencia entre las cotas invert del tramo aguas arriba y del tramo
aguas abajo es menor a 50cm; se incrementa la cota invert de la tubería aguas abajo
para que quede igual a la cota de fondo de la cámara. Cuando la profundidad de la
cámara es menor a 1.5m o cuando la tubería que llega de aguas arriba tiene cota menor
al fondo de la cámara, entonces se asigna la cota de fondo de la cámara igual al invert
de la tubería de salida.
50 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
En las cámaras, si la diferencia entre las cotas invert del tramo aguas arriba y del tramo
aguas abajo es mayor a 50cm; se asigna la cota de fondo de la cámara igual a la cota
de invert de inicio del tramo aguas abajo.
Cuando a la cámara llegan varías tuberías se revisa en el modelo de red las
profundidades para tener un criterio coherente.
Cuando la cota de fondo de la cámara es menor que las tuberías de aguas arriba y
aguas abajo, se asigna la cota de fondo de la cámara igual a la batea de la tubería de
aguas abajo.
En general, la cota invert de llegada del tramo aguas arriba se conservó, en algunos
casos se corrigió por recubrimiento menor a 1m.
También se revisó que la cota invert de inicio del tramo sea mayor que la cota invert de
llegada, con el fin de que la pendiente sea positiva. Se revisa que las pendientes sean
mayores a 0.5%. Cuando la pendiente es negativa, usualmente es porque falta
información y se asumió profundidad de la cámara igual a 2m; para corregir se revisa
en el modelo de red cual es la profundidad a la que llegan y salen todos los tramos
asociados a la cámara y se toma como referencia la tubería más profunda.
Factor de pérdidas de entrada y salida de los tramos: de acuerdo con The Urban
Drainage Manual (2013) y con la experiencia del investigador, para todos los tramos se
toma un valor de pérdida de salida del tramo de 0.2 y de entrada de 0.5. Es decir, se
tiene una pérdida de energía en las cámaras igual a 0.7 veces la cabeza de velocidad.
Es importante tener en cuenta estas pérdidas ya que, en las redes de alcantarillado de
alta pendiente, se tiene flujo supercrítico y se generan pérdidas de energía importantes
en los cambios de dirección, pendiente y secciones de tubería.
Profundidad de llenado: es la profundidad de sedimentación del tramo, se asume que
ningún tramo tiene sedimentación.
Calidad del agua: no se modela calidad del agua.
Cámaras
Profundidad: se verifica que el valor sea mayor a 1.20m y menor a 5m.
Diámetro: las cámaras que tienen diámetro cero o 900mm se les asigna diámetro de
1200mm.
Topología: Se borra la cámara con ID MH163, ya que estaba asociada al tramo de
longitud cero y no se requiere. Se revisa en campo la cámara con ID 6056798 y se
encuentra que efectivamente está operando de acuerdo a la información del modelo de
red.
Aliviaderos
Estos elementos se componen de compuertas u orificios y permiten dividir el flujo, tienen
una tubería de ingreso y dos de salida. Para lograr una modelación más precisa se realiza
una campaña de campo y se toman medidas reales de estos elementos. Los ID de los
aliviaderos y su ubicación son:
Caso de estudio 51
Tabla 5-1. Información aliviaderos
Número ID Ubicación Tipo
1 6057246 Cr 62 a cl 75 b sur -67 Cañuela
2 6055673 Cr 60 cl 76 sur -94 Cañuela
3 6052691 Cl 79 sur cr 59 -5 Cañuela
4 6052715 Cr 61 cl 79 sur -53 Orificio
5 6055863 Cl 80 sur cr 57 b -0 Cañuela
6 9047761 Cr 57b cl 79 sur Orificio
7 6059959 Cl 80 sur cr 56 d -10 Cañuela
8 6053981 Cr 54 cl 79 c sur -40 (interior 301) Cañuela
Modelación hidráulica en Epaswmm:
Aliviadero de orificio: no requieren ingresar un elemento especial, se ingresan como
cámaras con una o dos tuberías de entrada y con dos tuberías de salida (lluvias y
residuales). Se modela con onda dinámica lo que permite calcular la cantidad máxima
de caudal que puede transitar por la tubería de residuales, hasta que funciona como un
orificio; momento a partir de cual la cámara empieza a almacenar volumen y el nivel del
agua se incrementa, hasta que se da flujo por la tubería de cota más alta.
Aliviadero de cañuela elevada: la modelación se debe realizar con onda dinámica. El
aliviadero se simula como un vertedero con altura igual a la profundidad de la cañuela
elevada y de longitud dos veces la longitud de la cañuela (vertimiento por ambos lados).
En la
Figura 5-2 se muestra la representación que se hace en Epaswmm.
52 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Figura 5-2. Perfil de aliviadero cañuela elevada
En el tramo de aguas lluvias se crea una cámara ficticia adicional que permite ingresar el
elemento tipo compuerta (Weir). La cota invert de la cámara ingresada debe ser igual a la
cota invert de la tubería de aguas combinadas que llega al aliviadero. En Epa-Swmm se
representa el elemento como lo muestran las Figura 5-3 y Figura 5-4.
Figura 5-3. Vista en Swmm aliviadero de cañuela elevada
Caso de estudio 53
Figura 5-4. Modelo hidráulico en Swmm
5.2.2. Modelo hidrológico
Consiste en la delimitación de las subcuencas tributarias de la red de alcantarillado y en la
asignación de los parámetros hidrológicos.
Delimitación áreas de drenaje
Se partió de las áreas generadas por el consultor, el cual utilizó el siguiente procedimiento:
Generación automática de subcuencas con el método de asignación euclidiana. Se utiliza el software Arcgis y se genera una subcuenca para cada tramo de red.
Asignación de las subcuencas a las tuberías a modelar. Solo a tuberías de diámetro mayor o igual de 400mm.
Revisión manual de áreas de drenaje: quebradas, límites, cámaras con dos salidas, grandes superficies, agregación por área a modelar.
Con esta información base se realizó el siguiente procedimiento para esta investigación:
Agregación de subcuencas: se unieron las subcuencas para que el área mínima sea
3000 m2. Este valor es una propuesta del autor y busca tener áreas que permitan la
implementación de dos o más SuDS y una cantidad de subcuencas que permita realizar
el proceso de optimización de manera eficiente. A mayor número de subcuencas el
proceso de optimización se hace más lento, el análisis de los resultados más
54 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
dispendioso y la toma de decisiones más compleja. Una vez se tenga los resultados,
las subcuencas se pueden dividir nuevamente para elaborar diseños de detalle.
Revisión y modificación manual de las áreas tributarias: con base en las curvas de nivel,
fotografías aéreas, planos SIG de construcciones, vías, drenajes y la experiencia del
investigador, se modificaron las áreas para tener una geometría más aproximada al
drenaje real.
En la Figura 5-5 se presentan las áreas tributarias de las subcuencas:
Figura 5-5. Subcuencas modelo Swmm
Método lluvia escorrentía
Se utiliza el método del Soil Conservation Service – SCS. Este es de amplio uso para la modelación de cuencas urbanas y rurales y se cuenta con tablas y guías para la determinación de los parámetros de entrada.
Se define un número de curva para la zona permeable (zonas verdes) de las subcuencas de 74, utilizando las tablas del Storm Water Management Model, Reference Manual Volume I – Hydrology. El tiempo de secado se deja con el valor por defecto de 7 días, este valor no tiene influencia en los resultados ya que la modelación se realiza sobre eventos individuales y no sobre series históricas.
Parámetros subcuencas en SWMM.
El modelo que utiliza el software requiere de los siguientes parámetros:
Ancho del área tributaria: Este es un parámetro complejo de determinar y difícil de medir
directamente en una herramienta GIS. Para su cálculo la literatura plantea tres métodos.
En el numeral de calibración se presentan los métodos y se elige el que presenta
mejores resultados. Inicialmente se estima el ancho como la raíz cuadrada del área de
subcuenca.
Caso de estudio 55
Almacenamiento en la zona impermeable: se toma un valor de 1mm.
Almacenamiento en la zona permeable: se toma un valor de 3 mm.
Manning zona permeable: se toma un valor de 0.15 que corresponde a pastos cortos.
Manning zona permeable: se toma un valor de 0.015 que corresponde a andenes y
cunetas en concreto.
Porcentaje de área impermeable: se calcula inicialmente a partir del raster de tipo de
superficie generado por el consultor Idom. Este raster identifica a partir de
fotointerpretación en ArcGIS cuatro tipos de cobertura: techos, vías, zona verde y suelo
desnudo. Con este raster se calcula el porcentaje de área que está ocupado por las
coberturas impermeables. Este resultado se revisa manualmente para cada cuenca.
Pendiente: a partir de modelo digital de elevación se genera un raster de pendientes y
usando estadística zonal, se determina el promedio por cuenca.
Porcentaje de zona impermeable con cero almacenamientos: se asigna un valor de
cero.
Subarea routing: se modela con la opción impermeable, con el fin de tener en cuenta
que en la mayoría de los casos la escorrentía de las zonas verdes drena a los andenes
y vías y luego ingresa a la red.
No se modela agua subterránea.
56 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
5.3. Caudales residuales
El caudal residual proveniente de los consumos domésticos, comerciales, industriales e
institucionales es un aporte que se debe tener en cuenta para la modelación hidrodinámica
del sistema de alcantarillado. En la mayor parte de los casos el caudal residual es menos
representativo que el caudal de agua lluvias, sin embargo, es un aporte que tiene influencia
en la capacidad hidráulica de las tuberías y en la medición de caudal de los sensores.
Para el tránsito de los caudales residuales en el sistema, inicialmente se debe determinar
el aporte de cada área tributara a los nodos o cámaras y posteriormente se debe determinar
los factores que permiten saber la variación de estos caudales a lo largo del día.
Los caudales de aguas residuales promedios diarios se obtuvieron de un trabajo previo
realizado en el marco del contrato con objeto “Modelar hidráulicamente el sistema de
alcantarillado operado por EPM en el Valle de Aburrá, incluyendo el levantamiento
topográfico de los elementos y la calibración de los modelos” ejecutado por la firma Idom y
Sedic para EPM en los años 2016 y 2017. Aunque la ejecución de este contrato se realizó
en paralelo con la elaboración de esta investigación, se pudo contar con el cálculo de los
caudales de aguas residuales asociados a cada nodo, se considera que la metodología
empleada es adecuada y que los resultados son válidos para el objetivo de esta
investigación.
La curva de modulación que permite tener la variación de los caudales en cada hora se
calculó con una metodología propia.
Caudal residual promedio
A continuación, se describe la metodología utilizada por el consultor Idom-Sedic para
determinar los caudales:
Se tomó la información de consumo de agua potable para cada cliente que tiene la
empresa de servicios públicos. Estos caudales se incrementaron con el índice de agua no
contabilizada, que para el circuito de acueducto de la zona es 35.07% y se afectaron los
valores con un factor de 0.85, para tener en cuenta que todo el caudal que llega como agua
potable no se vierte a la red de alcantarillado.
Con la información de georreferenciación de los clientes, se ubicaron en un sistema
de información geográfico.
Se dibujaron áreas tributarias asociadas a cada una de las tuberías. Estas se
calcularon con el método de asignación euclidiana; el cual consiste en una herramienta de
cálculo raster de los Sistemas de Información Geográfica que obtiene el origen más cercano
según la distancia recta a las tuberías.
Se agregan los polígonos para que queden asociados solo a las tuberías que se
desea modelar (diámetro mayor a 400mm).
Se revisa manualmente el límite externo de la cuenca con el objeto de determinar
de la totalidad de los clientes se conecten a las redes de la cuenca a modelar. Esto se hace
utilizando ortofotos, curvas de nivel, y ubicación de las redes.
Se suma el aporte de todos los clientes que se ubican dentro de una misma área
tributaria y se carga este caudal al nodo o cámara ubicado aguas arriba.
Caso de estudio 57
Construcción de patrón de vertimiento diario
Para la determinación de los factores de variación de los caudales horarios con respecto al
caudal medio diario, se utilizaron los datos de los caudales medidos en periodo de tiempo
seco por el sensor de caudal ubicado a la salida de la cuenca en la cámara con ipid
6053880. Se graficó y analizó la serie de los caudales medidos y se determinaron los
factores de variación diarios utilizando dos series de datos, los resultados obtenidos se
compararon y con el uso del coeficiente de correlación R2 se definió cual utilizar.
Patrón 1
Este patrón se construyó a partir de los datos de medición entre el día lunes 13 de febrero
y el viernes 17 de febrero de 2017. De acuerdo con las mediciones de los pluviómetros, en
este periodo de tiempo solo se presentó precipitación el domingo, como se observa en la
Figura 5-6. Se trabaja con los datos de los días labores debido a que el fin de semana,
especialmente el domingo, presenta variaciones en los hábitos de consumo de la población.
Figura 5-6. Serie de tiempo caudales medidos entre el 13 y 19 de febrero de 2017 en cámara con ipid 6053880
En la serie se observan los caudales mínimos en las noches y los picos de consumo
alrededor de las 8am. Se observa una tendencia general de la curva diaria que se repite
para todos los días, excluyendo el domingo. En la serie se observa que los caudales de la
tarde (1 a 5pm) son variables en el día a día, lo cual hace que el patrón que se calculará no
se ajuste completamente al real en algunos días. También se presentan diferencias en el
valor de los caudales pico diarios, por ejemplo, los caudales pico para lunes, martes y
miércoles son mayores los de los jueves y viernes.
A partir de los datos de los caudales medidos en la cámara que se encuentra en la salida
de la cuenca (ipid 6053880), que tiene resolución de 1 minuto, se calculan los promedios
horarios (60 datos/hora) para cada uno de los días; posteriormente, para cada hora del día,
se realiza un promedio utilizando los valores de esa misma hora en todos los días.
Finalmente se calcula un promedio de caudal global y se hace una relación entre el caudal
horario promedio y el caudal promedio global para obtener el factor horario.
En la Tabla 5-2 se presentan los factores obtenidos.
0
10
20
30
40
50
60
70
13
/02
14
/02
15
/02
16
/02
17
/02
18
/02
19
/02
20
/02
Cau
dal
(l/
s)
Fecha (DD/MM)
58 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Tabla 5-2. Factor de variación de caudales de aguas residuales patrón 1
Hora Factor Hora Factor
0 0.60 12 1.10
1 0.51 13 1.10
2 0.49 14 1.02
3 0.51 15 1.01
4 0.71 16 0.95
5 1.00 17 0.97
6 1.10 18 0.99
7 1.67 19 1.00
8 1.70 20 1.00
9 1.34 21 1.01
10 1.31 22 0.93
11 1.27 23 0.74
El caudal mínimo es del 50% del valor promedio, mientras que el caudal máximo es
170% el caudal promedio.
Figura 5-7. Factor de variación caudal aguas residuales patrón 1
Patrón 2
De acuerdo con el análisis de la Figura 5-7 y con el fin de representar de una mejor manera
los caudales pico, se toma el día 13 de febrero para calcular los factores.
Los datos de las mediciones de los pluviómetros en este día no registran lluvias. En la
Figura 5-8 se presenta la serie de caudales medidos.
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Fact
or
Hora
Caso de estudio 59
Figura 5-8. Serie de tiempo caudales medidos el 13 de febrero de 2017 en cámara con ipid 6053880
Para el cálculo de los factores de variación se utiliza la metodología descrita en el numeral
anterior.
Al igual que para el patrón 1, se observan los caudales mínimos en las primeras horas del
día y el caudal pico alrededor de las 8am.
Tabla 5-3. Factor de variación caudales aguas residuales patrón 2
Hora Factor Hora Factor
0 0.56 12 1.21
1 0.48 13 1.02
2 0.46 14 0.96
3 0.44 15 0.90
4 0.65 16 0.88
5 0.94 17 0.85
6 0.99 18 0.89
7 1.93 19 0.97
8 1.84 20 0.96
9 1.86 21 0.85
10 1.52 22 0.78
11 1.39 23 0.68
El caudal mínimo es del 44% del valor promedio, mientras que el caudal máximo es 193%
el caudal promedio. Es decir, al comparar con el patrón 1 se tienen caudales extremos más
alejados del promedio.
0
10
20
30
40
50
60
70
0:0
0
2:0
0
4:0
0
6:0
0
8:0
0
10
:00
12
:00
14
:00
16
:00
18
:00
20
:00
22
:00
0:0
0
Cau
dal
(l/
s)
Hora
60 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Figura 5-9. Factor de variación de caudales aguas residuales patrón 2
5.4. Eventos de lluvia
Para la modelación, calibración y optimización del modelo se utilizaron los registros de lluvia
de la estación La Estrella del Sistema de Alerta Temprana del Área Metropolitana – SIATA
– ubicada dentro de la cuenca de estudio. En la Figura 5-10 se muestra la ubicación del
pluviómetro.
Figura 5-10. Ubicación pluviómetro Casa de la Cultura de La Estrella (Fuente: Siata)
La información se registra con resolución de tiempo de un minuto y de altura de lámina de
0.25mm. Esta estación tiene dos pluviómetros, los cuales registraron las siguientes lluvias
acumuladas durante los meses de enero y febrero de 2017.
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Fact
or
Hora
Caso de estudio 61
Figura 5-11. Lluvia acumulada medida en pluviómetros de la estación La Estrella para enero de 2017
Figura 5-12. Lluvia acumulada medida en pluviómetros de la estación La Estrella para febrero de 2017
En la Figura 5-12 se observa que hasta el 20 de febrero solo se presentaron dos
precipitaciones de volumen muy bajo y a partir de esa fecha se presentan lluvias
significativas; se observa que el registro de estas lluvias es muy diferente para los dos
pluviómetros, lo cual implica un error en la medición o procesamiento de los datos. Teniendo
en cuenta lo anterior y que la medición de caudal en la red se realiza hasta el 22 de febrero,
para la calibración se toman únicamente las lluvias del mes de enero.
Se toman los datos del pluviómetro 1 para todos los eventos. En la Tabla 5-4 se presenta
la información de los eventos. También se incluye la lluvia de diseño con periodo de retorno
de 5 años, la cual es una de las lluvias que debe utilizar por norma para el diseño de
sistemas de alcantarillado.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
31/12 05/01 10/01 15/01 20/01 25/01 30/01
Llu
via
(mm
)
Fecha
Pluviómetro 2 Pluviómetro 1
0
20
40
60
80
100
120
140
31/01 05/02 10/02 15/02 20/02 25/02 02/03
Llu
via
(mm
)
Título del eje
Pluviómetro 2 Pluviómetro 1
62 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Tabla 5-4. Eventos de lluvia
Evento Fecha
(MM/DD/AAAA)
Hora
(HH:MM)
Lluvia acumulada
(mm)
Intensidad máxima
(mm/min) (mm/h)
1 01/15/2017 19:00 a 23:59
8.9 0.508 30.48
2 01/27/2017 02:00 a 05:00
4.1 0.254 15.24
3 01/19/2017 a 01/20/2017
23:00 a 02:00 del otro día
10.4 0.762 45.72
4 01/13/2017 16:00 a 18:30
22.3 1.778 106.8
5 TR 5 años - 55.7 2.396 143.79
En las siguientes figuras se presentan los gráficos de lluvia acumulada vs tiempo para los
eventos seleccionados.
Figura 5-13. Precipitación acumulada evento 1 (enero 15 2017)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
18:00 19:12 20:24 21:36 22:48 0:00 1:12 2:24
Pre
cip
itac
ión
(m
m)
Hora
Caso de estudio 63
Figura 5-14. Precipitación acumulada evento 2 (enero 27 2017)
Figura 5-15. Precipitación acumulada evento 3 (enero 19 y 20 de 2017)
64 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Figura 5-16. Precipitación acumulada evento 4 (enero 13 2017)
Para la lluvia de diseño de periodo de retorno de 5 años, se utilizan lo datos del pluviómetro
de EPM ubicado en la cuenca de vecina de San Antonio de Prado, ya que los datos del
pluviómetro del Siata ubicado en el municipio de la Estrella no tienen los registros históricos
necesarios para elaborar las curvas IDF.
De la norma de Diseño de redes de acueducto y alcantarillado (EPM, 2013) se obtiene los
parámetros c,h y m que se presentan en la Tabla 5-5.
Tabla 5-5. Parámetros curva IDF estación San Antonio de Prado TR 5 años
Parámetro Valor
c 2978.7
h 14
m -0.9537
A partir de la intensidad de las curvas IDF, se construye con el método del bloque alterno
el hietograma de diseño para una duración de 2 horas y delta de tiempo de 10 minutos.
0
5
10
15
20
25
15:50 16:19 16:48 17:16 17:45 18:14
Pre
cip
itac
ión
(mm
)
Hora
Caso de estudio 65
Figura 5-17. Hietograma lluvia TR 5 años
5.5. Calibración
5.5.1. Aguas residuales
Se realiza una validación manual de los factores calculados utilizando la información de los
caudales medidos para los días 6, 7 y 8 de febrero de 2017. Estos días son de tiempo seco
y corresponden a una semana anterior, en la cual no hay cambios significativos en
situaciones externas que cambien los patrones de consumo. Se realiza la modelación para
estos mismos días utilizando los patrones 1 y 2 de consumo calculado y se comparan los
caudales modelados con los medidos. Para comparar el desempeño de los patrones se
utiliza el coeficiente de correlación R2 calculado con los caudales horarios promedio para
los caudales medidos y calculados. Esto se hace en EPASWMM.
El coeficiente de correlación se calcula con la fórmula:
𝐶𝑜𝑟𝑟(𝑥, 𝑦) =∑(𝑥 − �̅�)(𝑦 − �̅�)
√∑(𝑥 − �̅�)2(𝑦 − �̅�)2
Donde:
𝑥:̅ Promedio valores de x
𝑦:̅ Promedio valores de y
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
140.0
160.0
Inte
nsi
dad
mm
/h
Tiempo (min)
66 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Patrón 1
Figura 5-18. Comparación nivel promedio horario medido y modelado con patrón 1
El valor del coeficiente de correlación del patrón 1 es de 0.88.
Patrón 2
Se realiza la validación con los caudales medidos entre el 6 y el 8 de febrero, los cuales
son días laborales en que no se presentaron lluvias.
Figura 5-19. Comparación nivel promedio horario medido y modelado con patrón 2
El valor del coeficiente de correlación del patrón 2 es de 0.65.
De acuerdo con los resultados obtenidos, se define trabajar con el factor de variación de
caudales residuales correspondiente al patrón 1, teniendo en cuenta que este presenta un
mejor ajuste de acuerdo a las gráficas y un valor del coeficiente de correlación R2 mayor.
Se observa que en la respuesta del modelo para ambos patrones no se presentan adelanto
o retraso en la hora a la que se presentan los caudales pico, y se identifica que los caudales
promedio diario modelado y medido son similares.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
6/02/2017 7/02/2017 8/02/2017 9/02/2017
Niv
el (
mm
)
Fecha (DD/MM/AAAA)
Medido
Modelado
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
6/02/2017 7/02/2017 8/02/2017 9/02/2017
Niv
el (
mm
)
Fecha (DD/MM/AAAA)
Medido
Modelado
Caso de estudio 67
Es importante tener en cuenta que los factores obtenidos representan un promedio horario
y no capturan la variación minuto a minuto ni los caudales pico instantáneos que registra el
medidor. Este patrón obtenido es un promedio de los días laborales de una semana
estándar, el ajuste no es bueno para los días en los que la población presenta hábitos de
consumo correspondiente a períodos de fines de semana o de vacaciones. Sin embargo,
es la mejor manera de tener en cuenta la variabilidad de los caudales residuales en la
respuesta de la cuenca.
5.5.2. Aguas lluvias
El agua proveniente de las precipitaciones que cae sobre las subcuencas se distribuye en
una fracción que se infiltra y una fracción que genera escorrentía. La modelación de la
fracción que se infiltra se realiza utilizando el método del SCS (Soil Conservation Service),
el cual utiliza como base el parámetro número de curva que es función de la permeabilidad
del suelo, el tipo de cobertura y las condiciones antecedentes de humedad. El flujo de la
fracción que genera escorrentía se modela utilizando el método del software SWMM para
el tránsito de lluvias, el cual aproxima la subcuenca a un canal rectangular, para lo cual
requiere el ingreso del ancho, longitud, pendiente y n de Manning.
Con los datos del mes de enero se eligen tres eventos de lluvia que se utilizan para la
calibración y validación. Los eventos 1 y 2 se utiliza para calibración y los eventos 1 y 3
para validación.
Para determinar cuáles son los parámetros que requieren ser calibrados se realizó un
análisis de sensibilidad, en el cual se variaron los valores de los parámetros hidrológicos e
hidráulicos y se evalúa la respuesta final del modelo.
Se encontraron los siguientes resultados:
Parámetros hidráulicos (elementos físicos red de drenaje):
N de Manning tuberías: todas las tuberías a modelar son de concreto (n de Manning
0.013), teniendo en cuenta el desgaste de las mismas se revisaron resultados con
valores de 0.014 y 0.015 y se encontró baja sensibilidad. Se decide tomar un valor
de 0.014.
Coeficiente de pérdidas de entrada y de salida: se realizó el análisis variando el valor
del parámetro en todas las tuberías simultáneamente, se encontró que tiene una
sensibilidad baja. Sin embargo, el valor de la pérdida de entrada de la tubería aguas
abajo de la cámara donde se tiene la medición de caudal tiene sensibilidad alta. Por
lo tanto, se calcula en detalle la pérdida de entrada para este tramo utilizando la
metodología descrita en Urban Drainage Design Manual (2013), se obtiene un valor
de 0.68.
Altura vertedero de los aliviaderos: se encuentra que es un parámetro altamente
sensible ya que controla la cantidad de agua que fluye por el sistema. Dependiendo
de la ubicación del aliviadero se controla la escorrentía de las subcuencas asociadas
y por lo tanto una parte del hidrograma de salida. Se analiza cada aliviadero por
separado y se encuentra que los aliviaderos 3,5, 7 y 8 son los de mayor sensibilidad.
68 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Diámetro, pendiente y longitud de los tramos: son valores fijos del modelo que en
su mayoría provienen de información de campo y que en casos de información
faltante o errónea se ajustó de acuerdo a información secundaria y con la
experiencia del investigador. Aunque la falta de información precisa produce
incertidumbre en la respuesta del modelo, estos valores no se calibran ni se les
realiza análisis de sensibilidad.
Parámetros hidrológicos (subcuencas):
Área: es un valor fijo al que no se realiza análisis de sensibilidad.
Ancho: de acuerdo con (US-EPA, 2016) y a la experiencia del modelador, este
parámetro es sensible y representa uno de los más difíciles de definir porque no es
un valor que se pueda medir o determinar directamente, sino que depende de la
forma en como drena la cuenca y de la conformación de las cunetas y redes de
alcantarillado dentro de la subcuenca. En el análisis de sensibilidad se encontró que
este parámetro es sensible.
Pendiente: este es un valor fijo que proviene del análisis del modelo digital de
terreno. Sin embargo, teniendo en cuenta la incertidumbre del dato y con el fin de
encontrar una mejor respuesta del modelo, se realizó análisis de sensibilidad y se
encontró que tiene baja sensibilidad.
Porcentaje impermeable: se realizaron modificaciones para ver su impacto en la
respuesta del modelo. Se identificó que la presencia de coberturas por debajo de
las viviendas crea la posibilidad de que algunas (principalmente las más antiguas)
no estén descargando a la red de alcantarillado. Por lo tanto, se bajó el porcentaje
impermeable en las subcuencas asociadas a coberturas y se encuentra una mejor
respuesta del modelo. Se encuentra que la respuesta del modelo tiene una
sensibilidad baja a este parámetro.
N de Manning zona permeable e impermeable: estos parámetros están
directamente relacionados con el tiempo que tarda la escorrentía en recorrer la
subcuenca y llegar a la red, por lo tanto, influyen en los tiempos al pico del modelo
y se deben tener en cuenta en la calibración.
Almacenamiento en la zona permeable e impermeable: estos parámetros permiten
controlar el inicio de la escorrentía en los primeros momentos de la lluvia. En general
no tiene una sensibilidad alta y el rango de valores en los que se puede mover es
pequeño.
Flujo entre subáreas: se encuentra que la sensibilidad es muy baja.
Número de curva: es el parámetro base para el cálculo de la infiltración del método
del SCS. Solo influye sobre el porcentaje de área permeable y su rango de variación
es muy bajo para zonas con pastos (71 a 74). Se encuentra que tiene sensibilidad
muy baja. Esto se puede explicar teniendo en cuenta que en las áreas urbanas el
porcentaje de suelo permeable es bajo (varía entre 20% y 40%) y a que para lluvias
de intensidad considerable, el suelo se satura rápidamente y el efecto de la
infiltración dura muy poco en el tiempo; finalmente la pendiente del terreno hace que
la escorrentía se transporte muy rápido al sistema de alcantarillado y que no se
favorezca la infiltración ni la acumulación.
Caso de estudio 69
En conclusión, se encuentra que los parámetros más sensibles son la altura de los
vertederos de los aliviaderos y el valor del coeficiente de pérdida de entrada del tramo aguas
abajo de la cámara de medición. Los parámetros hidrológicos de las subcuencas en general
son menos sensibles; sin embargo, se deben tener en cuenta para la calibración.
De acuerdo a lo anterior se determina que los parámetros del modelo a calibrar son:
- Ancho de subcuencas
- N de Manning zona permeable
- N de Manning zona impermeable
- Altura de la cresta de los aliviaderos
Calibración
De acuerdo con los parámetros definidos para el modelo y utilizando la lluvia 2 se obtiene
la siguiente grafica de nivel modelado y medido en la cámara con ID 6053880.
Figura 5-20. Resultados calibración con modelo inicial
Inicialmente en la calibración se dejaron fijos todos los parámetros hidráulicos y se variaron
los parámetros hidrológicos, esto teniendo en cuenta que la geometría de los aliviaderos
había sido medida en campo y que deberían responder adecuadamente; sin embargo, con
esta metodología y a pesar de realizar variaciones importantes en los parámetros
ingresados, no se logró llegar a una respuesta adecuada del modelo. Para buscar una mejor
respuesta también se variaron parámetros como el porcentaje de área impermeable y
tampoco se encontró una respuesta satisfactoria.
Cuando se variaron los valores de la altura del vertedero de los aliviaderos se encontró que
el modelo tiene una respuesta inmediata y que es muy sensible. Estos elementos son
complejos de modelar ya que el software Epa-Swmm no tiene un elemento específico para
los aliviaderos de cañuela elevada; por lo tanto, se debe aproximar su funcionamiento
hidráulico a un vertedero rectangular de pared gruesa, de altura igual a la profundidad de
la cañuela elevada y longitud igual al doble de la longitud de la cañuela con el fin de simular
el vertimiento por los dos lados. En la Foto 1 se presenta un aliviadero típico de cañuela
70 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
elevada, se observa que la cañuela o canal elevado es de sección variable. La foto
corresponde a caudal de tiempo seco, cuando se presentan lluvias el caudal se incrementa
y se da vertimiento por ambos lados el cual sale por la tubería de aguas lluvias ubicada en
la parte izquierda de la foto. El flujo que se da en la cañuela es muy complejo de representar
ya que se presenta variación del caudal y de sección a lo largo de la cañuela.
Foto 1. Aliviadero de cañuela elevada. (Fuente: http://www.kzdi.sk/osobne/sztruhar/icudi2000/images/image%20OK%20obojstranna.jpg)
Con las medidas tomadas de campo se encontró que los aliviaderos presentan vertimientos muy bajos de caudal. De acuerdo con esto se disminuyeron las alturas de los vertederos y se encontró una respuesta que se ajusta mejor a los datos medidos.
En concordancia con lo anterior, el proceso de calibración se realizó en dos partes,
inicialmente se realizó una calibración hidráulica y posteriormente una calibración
hidrológica.
Para evaluar la efectividad de la calibración se utilizan los siguientes formulas estadísticas:
Coeficiente de determinación R2: Describe la varianza total en los datos medidos
que puede ser explicada por el modelo y varía en un rango de 0 a 1. Los valores por
encima de 0.7 son considerados como un desempeño adecuado.
𝑅2 =𝑁 ∑ (𝑄𝑜 ∗ 𝑄𝑠) − ∑ (𝑄𝑜) ∑ (𝑄𝑠)𝑁
𝑡=1𝑁𝑡=1
𝑁𝑡=1
√[𝑁 ∑ (𝑄𝑜)2 − (∑ 𝑄𝑜𝑁𝑡=1 )2𝑁
𝑡=1 ][𝑁 ∑ (𝑄𝑠)2 − (∑ 𝑄𝑠𝑁𝑡=1 )2𝑁
𝑡=1 ]
Qs: Caudal simulado
Qo: Caudal observado o medido
Qomed : Caudal medio observado
Eficiencia de Nash-Sutcliffe NSE: representa la relación entre el error medio
cuadrado de la varianza en los datos medidos, substraidos de la unidad, y varía
entre -∞ y 1. NSE=1 corresponde a un ajuste perfecto, NSE=0 indica que las
predicciones del modelo son tan ajustadas como el promedio de los datos
Caso de estudio 71
observados, mientras que NSE<0 indica que la media observada predice mejor que
la respuesta del modelo.
𝑁𝑆𝐸 = 1 −∑ (𝑄𝑜 − 𝑄𝑠)2𝑁
𝑡=1
∑ (𝑄𝑜 − 𝑄𝑜𝑚𝑒𝑑)2𝑁𝑡=1
Calibración hidráulica
Se modifican las alturas de los vertederos de los aliviaderos que son sensibles, se realizan
múltiples corridas del modelo para diferentes alturas de los aliviaderos hasta que se llega a
las que producen una mejor respuesta. En la Tabla 5-6 se presenta la información de los
vertederos y las alturas modificadas.
Tabla 5-6. Calibración de aliviaderos
Ubicación Aliviadero Tipo H medido H modificado
Superiores ALIV1 Cañuela 0.05
ALIV2 Cañuela 0.15
ALIV3 Cañuela 0.23 0.04
ALIV4 Orificio 0.25
Inferiores ALIV5 Cañuela 0.3 0.05
ALIV6 Orificio 0.4
ALIV7 Cañuela 0.14 0.17
ALIV8 Cañuela 0.09 0.11
Se definen tres criterios para realizar la modelación:
Criterio 1: Aliviadero 3 con altura 0.04 y aliviadero 5 con altura 0.05
Criterio 2: Aliviadero 7 con altura 0.17 y aliviadero 8 con altura 0.11
Criterio 3: criterios 1 y 2 simultáneos.
En el anexo A se presentan los gráficos de las modelaciones con diferentes combinaciones
de las alturas.
Debido a la alta sensibilidad del parámetro, se realiza la calibración utilizando los eventos
de lluvia 1 y 2 con el fin de tener la mejor respuesta para dos caudales de entrada diferentes.
En la Tabla 5-7 se presentan los resultados de las fórmulas estadísticas para cada
combinación de alturas de aliviaderos.
72 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Tabla 5-7. Resultados calibración hidráulica
R2 NSE
Evento
1 Evento
2 Evento
1 Evento
2
Modelo base 0.66 0.64 0.48 0.14
Criterio 1 0.66 0.73 0.48 0.61
Criterio 2 0.57 0.67 0.51 -0.23
Criterio 3 0.65 0.73 0.57 0.45
La mejor respuesta es el criterio 3 que corresponde a la modificación de la altura de todos
los aliviaderos de acuerdo con la Tabla 5-6.
En la Figura 5-21 se presenta la modelación inicial del evento 2 y la modelación con el
resultado de la calibración hidráulica.
Figura 5-21. Resultados calibración hidráulica con evento 2
Calibración hidrológica
En el anexo A se presenta el proceso de calibración para los parámetros ancho de
subcuencas y n de Manning.
Con el proceso de calibración se obtiene un modelo que tiene una respuesta que se ajusta
mucho mejor a los datos medidos. El valor del estadístico R2 cambia de 0.64 a 0.88
mientras que el NSE cambia de 0.14 a 0.69. En la Figura 5-22 se presenta la modelación
base del evento 2 y la modelación con el resultado de la calibración hidrológica
Caso de estudio 73
Figura 5-22. Resultados calibración hidrológica N Manning con evento 2
5.6. Validación
Con el objetivo de verificar que el modelo calibrado esté produciendo resultados
satisfactorios, se realiza la modelación con los eventos de lluvia 1 y 3 y se evalúan los
resultados gráficamente y con los estadísticos R2 y NSE.
En la Figura 5-23 y
Figura 5-24 se presentan los resultados de la modelación del evento 1.
74 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Figura 5-23. Resultados validación modelo calibrado con evento 1.
Figura 5-24. Resultados validación modelo calibrado con evento 3.
Se observa que los tiempos al caudal pico se representan adecuadamente en el modelo,
aunque tiende a ser menor que en las mediciones. En la magnitud de los niveles mínimos
el modelo se ajusta muy bien, mientras que en los niveles máximos el ajuste en bueno, pero
un poco menor al observado. En la Tabla 5-8 se presenta los valores de los parámetros
estadísticos.
Caso de estudio 75
Tabla 5-8. Estadísticos validación modelo calibrado con eventos 1 y 3
Estadístico Evento 1 Evento 3
R2 0.83 0.85
NSE 0.73 0.84
Se observa que se tienen valores por encima de 0.7 para el R2 y por encima de 0 para el
NSE, lo cual indica que hay un buen ajuste, es decir, que el modelo calibrado representa
adecuadamente las condiciones reales de la cuenca y de la red de drenaje y que de acuerdo
a los resultados de la validación se pueden realizar predicciones de buena confiablidad con
el modelo.
En el análisis de sensibilidad y en la calibración se encuentra que la altura de los vertederos
de los aliviaderos es el parámetro más sensible, ya que este controla la cantidad de agua
que continua por la red hacia aguas abajo. La condición de que la red de alcantarillado
tenga 8 aliviaderos, hace que la calibración sea muy compleja, ya que se tienen 8 sitios por
los que sale caudal y solo en uno se tiene medición. También se encuentra que los
parámetros ancho de las subcuencas, y los N de Manning de las zonas permeables e
impermeables de las subcuencas son sensibles y se deben calibrar. En el proceso se
encuentra que es recomendable realizar primero la calibración de los parámetros
hidráulicos y posteriormente la calibración de los parámetros hidrológicos, ya que los
primeros son más sensibles y afectan en mayor proporción la respuesta del modelo.
76 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
5.7. Definición zonas de expansión
Para la definición de las subcuencas asociadas a las zonas de expansión futura del
municipio se toma como base el plan básico de ordenamiento territorial (PBOT).
El municipio tiene un casco urbano tradicional, el cual está compuesto principalmente por
casas y zonas mixtas (comercio e institucional) cerca del parque principal. La zona al
occidente se encuentra a una cota mayor que el casco urbano y es la zona de expansión
como se muestra en la Figura 5-25. Los polígonos en rojo corresponden a las subcuencas
urbanas actuales. Se observa que el municipio tiene áreas importantes de expansión, las
cuales drenarán sus aguas lluvias y residuales a la zona urbana existente. Las zonas de
protección corresponden a retiros de quebradas y parques ambientales.
Figura 5-25. Zonas urbanas y de expansión Municipio La Estrella
EL modelo hidrodinámico para las zonas de expansión se realiza de manera simplificada
debido a que no se conoce como será la topología de las redes de alcantarillado que se
construirán a futuro. Entonces con base en las curvas de nivel y con los mapas del PBOT
se definen tres subcuencas, cada una con un punto de descarga en una cámara existente
de alcantarillado.
En la Figura 5-26 se muestra la cartografía del municipio y las zonas de expansión.
Caso de estudio 77
Figura 5-26. Subcuencas de expansión Municipio La Estrella
5.8. Sistemas de drenaje sostenible a implementar
De todos los tipos de SuDS se realiza una preselección de los que físicamente es
posible construir en la cuenca de estudio. Estos se evalúan teniendo en cuenta las
metodologías publicadas en la literatura especializada. Utilizando las metodologías
presentadas en el capítulo anterior, se realiza una selección de los SuDS. Este
procedimiento se realiza dando un punto al SuDS, si es recomendado por la
metodología. En la Tabla 5-9 se presentan los resultados.
Tabla 5-9. Selección de SuDS
Tipo Siting tool US-EPA* UFCD** Ciria PEARL Total
Celdas de bio-retención 1 1 1 1 4
Jardines de lluvia 1 1
Techos verdes 1 1 1 1 4
Zanjas de infiltración 1 1 2
Pavimentos permeables 1 1 1 3
Almacenamiento lluvia 1 1 1 1 4
Desconexión de techos 0
Zanjas con vegetación 1 1 1 1 4
Estanques 1 1 2
Filtros de arena 1 1
Árboles 1 1
78 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
* National Management Measures to Control Nonpoint Source Pollution from Urban
Areas(2005)
** Urban Drainage and Flood Control District. Urban Storm Drainage Criteria Manual:
volume 3. Best Management Practice (2010)
Para realizar la selección se toman los SuDS con puntajes de 3 o 4 y se revisa que
teniendo en cuenta las condiciones de espacio disponible sea posible utilizarlos. Se define
implementar las celdas de bioretención, los pavimentos permeables y el reciclaje de agua.
Se descartan los techos verdes ya que la zona urbana de estudio está compuesta
principalmente por viviendas de 1 y 2 pisos que estructuralmente no tienen la capacidad
para soportar las cargas de una losa de concreto, el suelo y la vegetación que implica un
techo verde; y requieren de una una inversión importante para hacer el reforzamiento
estructural. También se descartan las zanjas con vegetación debido a que la zona urbana
es densa y no cuenta con espacios disponibles.
Las celdas de bioretención y los tanques de reciclaje de agua tiene un buen desempeño
en las zonas de pendientes del terreno media y alta; con respecto a los pavimentos
permeables estos se utilizarán en las carreras, las cuales son paralelas a las curvas de
nivel y tienen una pendiente baja. Las zanjas de vegetación se descartan ya que estas se
deben implementar en terrenos de pendiente baja, para favorecer la acumulación y la
infiltración; en la cuenca de estudio la pendiente en general es alta (mayor a 5%) y el
espacio disponible de zonas verdes es mínimo.
5.8.1. Diseño básico
De cada uno de los SuDS seleccionados se debe realizar un diseño en el que se incluyan
cómo mínimo todas las dimensiones y parámetros que se requieren en el software de
modelación. Se debe diseñar una unidad básica para cada tipo de SuDS, la cual se
implementará en una cantidad determinada.
Se realiza un diseño básico de cada una de las infraestructuras a implementar, estos
diseños son a nivel de planeación y tienen por objetivo tener los parámetros que requiere
el modelo SWMM para la modelación. En caso de que se requiera construir la
infraestructura, se deben realizar diseños de detalle en los que se defina la ubicación
específica de cada elemento y las dimensiones de acuerdo a la precipitación de diseño, la
permeabilidad, características del suelo, espacio disponible y especificaciones de los
materiales.
La unidad de celda de bioretención se define de 3m de largo; mientras que la unidad de
pavimento permeable se define de 7m de ancho y 10m de longitud.
Caso de estudio 79
Figura 5-27. Diseño celdas de bioretención
Figura 5-28. Diseño almacenamiento lluvia
80 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Figura 5-29 Pavimentos porosos
En el anexo B se presentan los parámetros utilizados para la modelación.
5.8.2. Costos de construcción
Para determinar los costos de construcción de cada tipo de infraestructura se toma como
guía el trabajo realizado por Galindo (2015), en este se presupuesta los SuDS utilizando
los ítems más relevantes en la construcción. Para los costos de operación y mantenimiento
se utiliza un ciclo de vida de 20 años y una tasa de inflación de 3.66% para calcular el valor
presente neto. El precio unitario de cada ítem se obtiene de la base SAO de Empresas
Públicas de Medellín del año 2017. Se convierten los precios en pesos colombianos (COP)
a dólares (USD) con precio de referencia del 10 de enero de 2018, 1 USD= 2914.37 COP.
Los costos se calculan de acuerdo al diseño básico.
Los precios se calculan en dólares con el fin de utilizar la misma moneda de la mayor parte
de los estudios realizados a nivel mundial. Sin embargo, para un proyecto de
implementación en Colombia, los precios se deben calcular en pesos. La mano de obra,
herramientas, equipos y materiales requeridos para la construcción de los SuDS, se
encuentran disponibles en el medio local.
Celdas de bioretención:
Se tiene en cuenta muro de contención en concreto, se incrementa el número de plantas y
árboles pequeños que sugiere Galindo (2015) con el fin de tener plantas abundantes para
mejorar la eficiencia y tener un mejor urbanismo. Para la selección del tipo de vegetación
se deben utilizar plantas de origen local, se debe hacer de acuerdo a las condiciones
específicas del sitio y tener la asesoría de expertos en ecología, horticultura o ingenieros
forestales. Se determina que una unidad de 3 m2 tenga dos plantas, un árbol pequeño y
0.75 m2 de grama. Para el suelo de plantación se considera que se usa la mitad del suelo
excavado y la otra mitad es suelo de préstamo arenoso, esta mezcla permite aumentar la
permeabilidad y tener un suelo adecuado para el crecimiento de las plantas. Lo costos de
Caso de estudio 81
operación y mantenimiento por metro cuadrado por año son de 5%. En el anexo C se
presentan las tablas con el detalle de los costos.
Tanques de lluvia:
Se determina el precio de suministro de un tanque plástico de volumen 1 m3, el cual
corresponde a la unidad básica para este tipo de infraestructura. Se tiene en cuenta los
costos de instalación (accesorios y montaje) y de la tubería de drenaje. Lo costos de
mantenimiento por metro cubico son de 1%. En el anexo C se presentan las tablas con el
detalle de los costos.
Pavimentos Porosos:
Se determina el precio de construcción de un m2, se incluyen los costos de excavación,
botada, conformación de la capa de grava de almacenamiento, de la estructura de base y
del pavimento poroso. Los costos de mantenimiento son de 0.05 USD/m2 por año. Se
actualiza este costo con la tasa de inflación de 3.66% del año 2015 a 2018.
En el anexo C se presentan los ítems con los costos relacionados.
5.8.3. Implementación
De acuerdo a las características de cada tipo de SuDS y su requerimiento de espacio, se
define en cuales cuencas se puede implementar su construcción. Esto teniendo en cuenta
que no todos los tipos de SuDS tienen un buen desempeño en todas las subcuencas. Para
esto se clasifican las subcuencas en 5 grupos de acuerdo con su ubicación y sus
características de impermeabilidad y posteriormente se define qué tipo de SuDS se puede
implementar en cada clasificación de subcuenca. En la Tabla 5-10 se muestran los
resultados.
Tabla 5-10. Implementación de SuDS por tipo de subcuenca
Ubicación
Parque principal Centro Perímetro Inferior Expansión Total
C. bioretención x x x x
Tanque lluvias x x
Pavimentos porosos x x x
Número subcuencas 3 22 24 9 3 61
Número de variables 3 22 48 18 9 100
Con esta información se concluye que el proceso de optimización deberá trabajar con 61
subcuencas, en cada una de las cuales se implementan 1,2 ó 3 tipo de SuDS, que en total
suman 100 variables para optimizar.
82 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
5.9. Parámetros optimización
5.9.1. Número máximo de SuDS por subcuenca
Para realizar el proceso de optimización es necesario definir cuál es el número máximo de
unidades de cada tipo de SuDS que se puede implementar en cada subcuenca; es decir,
cuál es el valor máximo de las 100 variables que se indicaron en el numeral anterior. Este
proceso se realiza utilizando dos métodos:
Área impermeable tratada: El área impermeable de la subcuenca se divide por
número de tipos de SuDS que se pueden implementar en la misma (1, 2 ó 3). Este
resultado se divide por el área impermeable que puede tratar una celda de
bioretención, tanque de lluvia o pavimento permeable. De esta forma no se trata un
área mayor al área impermeable que tiene la subcuenca. Para los pavimentos
porosos se limita el valor a 10 unidades máximo para cuencas existentes y 50 para
cuencas en expansión, esto teniendo en cuenta que las vías de baja pendiente son
limitadas.
Siting Tool: esta es una herramienta de la US-EPA que se corre en Arcgis, y que
utilizando algebra de mapas calcula en un mapa 2D cuales son los pixeles en donde
se pueden implementar los SuDS. Como entrada se debe ingresar el modelo digital
de terreno, el raster con los usos del suelo, el raster con el porcentaje impermeable
y los shape con tipos de suelo, usos de suelo urbano, vías, corrientes y nivel freático.
Se realizaron los cálculos por los dos métodos; para las celdas de bioretención, con el
método de Siting tool la herramienta calcula todas las ubicaciones posibles de los SuDS
de acuerdo con las condiciones de la superficie, estas ubicaciones incluyen casi todas
las zonas verdes sin tener en cuenta si son públicas o privadas. En el anexo D se
presentan los datos y gráficas de áreas por subcuenca, en total son 15880m2 por el
método de Siting tool y 4911 m2 por el método de área impermeable tratada. Teniendo
en cuenta que no es posible construir celdas de bioretención en zonas verdes privadas
y que a medida que se incrementa el número de celdas, las mismas se vuelven menos
eficientes ya que tratan menos área impermeable que el máximo que puede tratar cada
una; se elige tomar los valores calculados con el método del área impermeable tratada.
En los pavimentos porosos, el método de área impermeable tratada produjo mayor área
que el siting tool, esto debido a la restricción con respecto a la pendiente máxima de las
vías que impone el Siting tool para la implementación de los pavimentos permeables;
cómo esta es una cuenca de un municipio montañoso, las pendientes son altas y se
produce pocas zonas aptas. De acuerdo con lo anterior, se toman los valores del
método del área impermeable tratada. En el anexo D se presentan las gráficas y valores.
En los tanques de lluvias el resultado del Siting tool se descarta ya que corresponde a
todas las zonas permeables e impermeables que se encuentran cerca de las viviendas.
Para esta investigación se considera que los tanques se ubicarán dentro de las
edificaciones y que las zonas verdes se conservarán para infiltración o para celdas de
bioretención y en la vía no se instalarán tanques para reciclaje de agua lluvia.
Caso de estudio 83
En conclusión, para realizar el proceso de optimización se toman los valores del método
manual. La información del siting tool es útil para definir la ubicación de los SuDS una
vez se tengan los resultados del optimizador.
En el anexo D se presentan los raster con los resultados del Siting tool y las tablas con
la cantidad máxima de SuDS con cada uno de los métodos.
5.9.2. Parámetros algoritmo
El algoritmo genético que se utiliza para esta investigación es el NSGA-II (Non Sorting
Genetic Algorithm II) el cual fue desarrollado por Deb et al (2002), y programado en Delphi
por el grupo de investigación en Urban Water System en el IHE-Delft en Holanda. El código
permite generar los individuos y las generaciones con la metodología del NSGA-II, cada
individuo corresponde a un número específico de SuDS para cada subcuenca. El código
genera un archivo .inp que se puede leer y ejecutar en SWMM. Posteriormente, del archivo
de resultados de SWMM, se leen los resultados requeridos para el cálculo de la función
objetivo. Este procedimiento se repite para cada individuo de cada generación.
Los parámetros que requiere el algoritmo se toman siguiendo las recomendaciones que se
presentan en Galindo (2017) y se muestran en la Tabla 5-11. En la Tabla 5-12 se presentan
los parámetros para el caso de optimización de SuDS en la subcuencas existentes y en la
expansión, que tienen un total de 100 variables y en la
84 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Tabla 5-13 se presentan los parámetros para la optimización de los SuDS solo en la zona
de expansión, con un total de 9 variables.
Tabla 5-11. Recomendaciones parámetros algoritmo genético
Tabla 5-12. Parámetros algoritmo genético optimización 100 variables
Criterios de optimización Número de cromosomas 300
Número de generaciones 50
Variables de tipo real (probabilidad de)
Cruzamiento 0.9
Mutación 0.01
Índice de distribución Cruzamiento 15
Mutación 20
Caso de estudio 85
86 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Tabla 5-13. Parámetros algoritmo genético optimización 9 variables
Criterios de optimización Número de cromosomas 80
Número de generaciones 100
Variables de tipo real (probabilidad de)
Cruzamiento 0.9
Mutación 0.11
Índice de distribución Cruzamiento 15
Mutación 20
5.10. Escenarios
Con el fin de evaluar el efecto de la implementación de los SuDS en la zona de la cuenca
existente y en la expansión; y conocer cuál es el efecto de la intensidad de la lluvia en la
respuesta de los sistemas, se evaluarán ocho escenarios así:
Tabla 5-14. Escenarios optimización
Escenario Zonas a modelar
Precipitación Uso de SuDS
1
Existente
Evento 4 No
2 TR 5 años
3
Existente y
expansión
Evento 4
No
4 Solo expansión
5 Existente y expansión
6
TR 5 años
No
7 Solo Expansión
8 Existente y expansión
Para todos los casos se utilizarán los SuDS celdas de bioretención, tanques de lluvia
(rainwater harvesting) y pavimentos permeables.
El proceso de optimización solo se lleva a cabo en los escenarios 4,5,7 y 8, ya que en estos
se implementarán SuDS.
Todas las corridas en Swmm se hacen desde que inicia la lluvia y finalizan dos horas
después de terminada la misma, con el fin de tener en cuenta el tiempo de tránsito del flujo
en las subcuencas y en recorrer las tuberías.
6. Resultados
6.1. Desempeño del sistema de drenaje existente
Como punto de partida, se debe conocer cómo funciona el sistema de drenaje de las
subcuencas existentes, sin tener en cuenta la zona de expansión ni la implementación de
SuDS. Para esto, se presentan los resultados de los indicadores definidos en el numeral
4.7 para los escenarios 1 y 2 definidos en el numeral 5.10.
Esta evaluación se realiza para las dos condiciones de lluvia definidas: evento 4 (lluvia de
intensidad media) y evento_TR5 (lluvia de diseño con periodo de retorno 5 años e
intensidad alta).
En la Tabla 6-1 se presentan los valores de los indicadores.
Tabla 6-1. Indicadores de desempeño escenarios 1 y 2
Escenario 1 Escenario 2
Evento 4 TR 5 años
Volumen de escorrentía Ve (m3) 5132 14858
Volumen de lluvia Vll (m3) 7432 18757
Volumen de sobreflujo Vs (m3) 0 400
Caudal escorrentía máximo Qemax (l/s) 4037 10219
Duración modelación (h) 3.5 4.0
Caudal escorrentía promedio Qeprom (l/s) 407 1032
Coeficiente de escorrentía 0.69 0.79
Coeficiente de transporte 1.00 0.97
Coeficiente de amortiguación 9.91 9.90
El coeficiente de escorrentía aumenta con la intensidad de la lluvia. También, se encuentra
que el sistema tiene capacidad para transportar los caudales con la lluvia evento 4; sin
embargo, para el evento TR 5, el sistema no tiene capacidad y por sobreflujo en las cámaras
sale un 3% del caudal (400 m3).
Con respecto a la amortiguación de caudales, se encuentra que el valor es muy alto, como
se espera en una cuenca urbana impermeabilizada y de alta pendiente.
88 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
En la Figura 6-1 se muestran las cámaras que tienen sobreflujo, el caudal que sale por las
mismas y la capacidad hidráulica de los tramos (fracción del área de la tubería que tiene
flujo). El tiempo de tránsito utilizado es 1:10 minutos.
Figura 6-1. Sobreflujo en cámaras y capacidad de los tramos escenario 2
Se evidencia que el sistema de alcantarillado existente no tiene capacidad para evacuar las
lluvias de periodo de retorno de 5 años, esta situación se presenta en las redes de la zona
sur con caudal de sobreflujo mayor a 100 l/s.
6.2. Desempeño del sistema de drenaje existente más
expansión con la implementación de SuDS
En el capítulo 5, se calculó la cantidad máxima de SuDS que se puede implementar en las
subcuencas existentes y en las de expansión. Con esta información se corren los modelos
de Swmm y se evalúan nuevamente los indicadores; se busca conocer cuál es el
desempeño del sistema bajo la condición de máxima inversión económica en sistema de
drenaje sostenible y una reducción máxima en los caudales de escorrentía. En las tablas
se presentan los valores de los indicadores.
Se evalúan los indicadores presentados en el numeral 4.7 para los escenarios 3 a 5 que se
describen en el numeral 5.10.
Resultados 89
Adicionalmente, se valora la capacidad hidráulica de las redes para drenar la cuenca, y
cómo se afecta el sistema con la impermeabilización futura que se tendrá por el desarrollo
urbano de las subcuencas de expansión.
En la Tabla 6-2 se presenta para la lluvia evento 4, la variación de los indicadores de
desempeño para los casos en que no se utilizan SuDS (escenario 3), con el uso de SuDS
solo en las subcuencas de expansión (escenario 4) y con SuDS en las subcuencas
existentes y de expansión (escenario 5).
Tabla 6-2. Indicadores de desempeño escenarios 3 a 5.
90 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
El sistema de alcantarillado de la cuenca existente tiene capacidad para transportar los
caudales del evento 4; sin embargo, cuando se incrementa la intensidad de la lluvia o
cuando se anexan las descargas de la zona de expansión, el sistema presenta falta de
capacidad y sobreflujo por las cámaras.
Se observa que el coeficiente de escorrentía tiene una disminución importante, cuando se
implementan los SuDS; para los dos eventos de lluvia evaluados se tiene reducción superior
al 50% en el volumen de escorrentía cuando se tienen SuDS en todas las subcuencas. Para
la lluvia “evento 4” el indicador cambia de 0.59 a 0.42 con SuDS en la expansión y 0.14 con
SuDS en lo existente y la expansión. Para el caso de la lluvia más intensa (TR 5 años), se
observa que los indicadores también bajan, pero no de una manera tan significativa, esto
muestra que a mayor intensidad de la lluvia los SuDS pierden eficiencia en su
funcionamiento, y que su desempeño es mejor para lluvias promedio.
Con respecto al coeficiente de transporte, para la lluvia evento 4, con la implementación de
los SuDS en la zona de expansión el sistema de alcantarillado recupera la capacidad de
transporte. Con la lluvia más intensa, el sistema genera sobreflujo por las cámaras; sin
embargo, el valor del indicador aumenta de 0.78 a 0.89 y 0.87.
En el caso de coeficiente de amortiguación se evidencia que los SuDS no tienen un efecto
significativo, ya que, aunque los valores de los caudales pico son menores, el caudal
promedio también es menor; causando que el indicador no presente cambios significativos.
Los caudales pico son muy grandes comparados con los caudales promedio debido a que
se trata de una cuenca urbana que, por la pendiente del terreno, la impermeabilidad y la
rugosidad de la superficie produce una respuesta muy rápida. En caudales máximos los
SuDS en encuentran cerca de la saturación y su efecto en retención de escorrentía es
menor.
Se encuentra que, por la infiltración y acumulación de agua en la superficie, el porcentaje de generación de escorrentía en la cuenca existente más expansión, es menor, esto se debe a que la zona de expansión tiene mayores zonas verdes proyectadas. Se espera que, con una debida planificación territorial, donde el ordenamiento obligue a que las zonas de expansión conserven zonas verdes nativas, es más efectiva (y más eficiente en el uso de los recursos del estado) que la implementación correctiva de SuDS generada por una expansión desbordada y carente de control; y que la inversión en SuDS sea menor y se enfoque en zonas mayoritariamente impermeables.
Los indicadores de coeficiente de escorrentía y coeficiente de transporte muestran
claramente las ventajas de la implementación de los SuDS en cuencas urbanas; estos
elementos producen una retención de escorrentía significativa, por medio de los
mecanismos de infiltración y acumulación. Esta menor escorrentía mejora las condiciones
de capacidad de la red de drenaje y los sobreflujo por las cámaras. Se debe tener en cuenta
que la efectividad de la infiltración en los SuDS es función de la profundidad del nivel
freático. En la cuenca de estudio(zona de ladera) el nivel freático es profundo y no interfiere
con los SuDS.
En la Figura 6-2 se muestran las cámaras que tienen sobreflujo, el caudal que sale y la
capacidad de los tramos (fracción del área de la tubería que tiene flujo) para el escenario
6.
Resultados 91
En la Figura 6-3 y Figura 6-4 se presentan la capacidad hidráulica de los tramos y caudales
de sobreflujo para los escenarios 7 y 8.
Figura 6-2 Sobreflujo en cámaras y capacidad de los tramos escenario 6
92 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Figura 6-3 Sobreflujo en cámaras y capacidad de los tramos escenario 8
Resultados 93
Figura 6-4 Sobreflujo en cámaras y capacidad de los tramos escenario 7
En el escenario 8 (SuDS en existente y proyectado con lluvia intensa) se observa que con
la implementación de los SuDS la mayoría de los sobreflujos por las cámaras se eliminan,
solo se presentan en las cámaras donde se conectan las descargas de las zonas de
expansión. Cuando los SuDS se implementan solo en la expansión (escenario 7), los
problemas de sobreflujo persisten en las redes ubicadas en la parte sur de la cuenca.
6.3. Optimización de los SuDS
La optimización de los SuDS busca encontrar cuál es la manera más eficiente de invertir
unos recursos económicos determinados para mejorar el desempeño del sistema de
drenaje; o dado una meta de reducción de volumen de escorrentía, cuál debe ser la
inversión que se debe realizar y cuál es la mejor manera de hacerlo. El proceso de
optimización produce cómo resultado una cantidad importante de soluciones posibles, de
las cuales se selecciona el frente de Pareto de soluciones no dominadas. Cada solución se
compone del número de unidades de cada tipo de SuDS (celdas de bioretención,
pavimentos permeables y tanques de almacenamiento) en cada una de las subcuencas.
En la Figura 6-5 y Figura 6-6 se presenta los resultados de la optimización de los SuDS
en las subcuencas existentes y proyectadas con las lluvias evento 4 y evento TR5
(escenarios 5 y 8).
94 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Figura 6-5. Optimización SuDS subcuencas existentes y expansión, lluvia evento 4 (escenario 5)
Figura 6-6. Optimización SuDS subcuencas existentes y expansión con lluvia evento TR5 (escenario 8)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50
% C
aud
al p
ico
esc
orr
entí
a n
orm
aliz
ado
Costo (millones USD)
Todas las soluciones Frente de pareto soluciones no dominadas
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50
% C
aud
al p
ico
de
esco
rren
tía
no
rmal
izad
o
Costo (millones USD)Todas las soluciones Frente de pareto soluciones no dominadas
Resultados 95
En puntos azules se presentan el frente de pareto de soluciones no dominadas, estas
forman una curva cóncava y representan el conjunto de soluciones más eficientes, de
acuerdo con una inversión definida. A mayor inversión se tendrá un porcentaje menor de
caudal pico de escorrentía. Para el escenario 5, el menor caudal pico de escorrentía es del
45%, mientras que para el escenario 8 es del 50%. Nuevamente se observa que a mayor
intensidad de la lluvia hay una menor eficiencia de los SuDS. También se observa que la
inversión máxima recomendada es de 3.5 millones de USD, y aunque se podría invertir un
valor mayor, no se logra reducción adicional de caudal.
En la Figura 6-7 se presenta el frente de pareto de las soluciones no dominadas para los
escenarios 5 y 8.
Figura 6-7. Frente de Pareto de las soluciones no dominadas para los escenarios 5 y
8.
El desempeño de los SuDS es muy similar para ambos eventos, el evento 5 siempre tiene
una menor reducción del caudal pico debido a que la intensidad de la lluvia es mayor.
En la Figura 6-8 y Figura 6-9 se presenta los resultados de la optimización de los SuDS
en las subcuencas proyectadas con las lluvias evento 4 y evento TR5 (escenarios 4 y 7).
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20
30
40
50
60
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100
0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
% C
aud
al p
ico
esc
orr
entí
a n
orm
aliz
ado
Costo (millones USD)
Evento 4 frente pareto Evento 5 Frente pareto
96 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Figura 6-8. Optimización SuDS subcuencas expansión con lluvia evento 4 (escenario 4)
Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Al elegir un individuo se puede conocer la distribución de los SuDS en las subcuencas, el
desempeño de la red de drenaje, el espacio requerido para la construcción de los SuDS, el
desempeño del sistema con lluvias diferentes a las utilizadas en la optimización, el costo
de construcción y mantenimiento por subcuenca, etc. Con esta información procede a
realizar el paso posterior del diseño de detalle.
En este caso se elige un individuo de la optimización de las subcuencas existentes y de
expansión ubicado en la parte media del gráfico de optimización, en la Tabla 6-4 se
presentan los valores de las funciones objetivo para el individuo seleccionado. Con el fin de
realizar comparaciones se selecciona otro individuo de desempeño similar para el evento
TR5.
Tabla 6-4. Individuo seleccionado para presentación de resultados
F.O. Costo F.O. Caudal pico
Costo (Millones USD)
% caudal pico escorrentía
Evento 4 0.385 0.563 2.27 56.26
Evento TR5 0.385 0.593 2.27 59.29
Para estos individuos, en la Figura 6-12 y Figura 6-13 se presenta la distribución de cada
tipo de SuDS en las subcuencas existentes y de expansión. Las subcuencas que no tienen
información son las que desde el inicio no se asignó el tipo de SuDS como viable.
Figura 6-12. Distribución SuDS en optimización en subcuencas existentes y de expansión
para evento 4.
Resultados 101
Figura 6-13. Distribución SuDS en optimización en subcuencas existentes y de expansión
para evento TR5
En las subcuencas de la zona central se observa una prevalencia de los pavimentos
porosos sobre las celdas de bioretención; en las subcuencas de la parte baja se encuentra
que es más eficiente utilizar tanque de almacenamiento que celdas de bioretención y en las
subcuencas de expansión los SuDS que mejor funcionan son los tanques de
almacenamiento y las celdas de bioretención. En general, y para el individuo seleccionado,
las celdas de bioretención son el tipo de SuDS menos eficiente, esto quiere decir que por
dólar invertido en su construcción y mantenimiento, son los que menor escorrentía reducen.
En la Figura 6-14, Figura 6-15 y Figura 6-16 se presentan la cantidad de unidades de
cada tipo de SuDS por subcuenca y el valor máximo posible. Este valor se presenta para
cada evento de lluvia.
10
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Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Figura 6-14. Distribución de unidades de celdas de bioretención en optimización en
subcuencas existentes y de expansión
Figura 6-15. Distribución de unidades de tanques de almacenamiento en optimización en
subcuencas existentes y de expansión
Resultados 103
Figura 6-16. Distribución de unidades de pavimentos permeables en optimización en
subcuencas existentes y de expansión
10
4
Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Para los individuos seleccionados, se observa que el uso de celdas de bioretención es
mínimo en la mayoría de las subcuencas; con respecto a los tanques de almacenamiento
se encuentra un uso importante en la subcuenca de expansión 2 y en las subcuencas de la
parte baja. En los pavimentos permeables se observa que su uso es las subcuencas de
expansión en mínimo, y en las subcuencas centrales su uso es amplio.
También se encuentra que en las subcuencas de expansión el porcentaje de uso de SuDS
es menor que en las subcuencas existentes, esto se debe a que la expansión tiene un
porcentaje de área permeable mayor, lo que causa que el optimizador implemente menor
cantidad de SuDS.
De manera similar, se presentan los resultados de uso de SuDS en subcuencas en el
escenario de que solo se optimizan los SuDS en las subcuencas de expansión. Para esto
se eligen dos individuos, unos para cada precipitación; que tienen valores de función
objetivo similares y que se encuentran en el punto de inflexión de frente de Pareto.
Tabla 6-5. Individuo seleccionado para presentación de resultados
F.O. Costo F.O. Caudal pico
Costo (Millones USD)
% caudal pico escorrentía
Evento 4 0.18 0.50 0.31 50.41
Evento 5 0.17 0.51 0.30 51.18
En la Figura 6-17, Figura 6-18 y Figura 6-19 se presentan la distribución de cada tipo de
SuDS.
Figura 6-17. Distribución de unidades de celdas de bioretención en optimización de
subcuencas de expansión
Resultados 105
Figura 6-18. Distribución de unidades de tanques de almacenamiento en optimización de
subcuencas de expansión
Figura 6-19. Distribución de unidades de pavimentos permeables en optimización de
subcuencas de expansión
A diferencia de la optimización en las subcuencas existentes y de expansión, para el caso
de optimización solo en la expansión se encuentra que hay un número importante de
unidades de celdas de bioretención. Estas celdas se distribuyen de manera diferente en las
subcuencas en función de la precipitación; sin embargo, el efecto en la reducción de
escorrentía similar.
Se encuentra que los tanques de almacenamiento se implementan casi hasta su nivel
máximo en todas las subcuencas, mientras que las unidades de pavimentos permeables
tienen un uso mínimo o cero. Esto implica que la relación beneficio costo para los tanques
de almacenamiento es mucho mayor.
La distribución de cada tipo de SuDS en las subcuencas depende del individuo
seleccionado, aunque dos individuos tengan valores de funciones objetivo similar, la
cantidad y distribución de los SuDS puede diferir significativamente. Sin embargo, al evaluar
un conjunto de individuos del frente de Pareto de soluciones no dominadas, se pueden
encontrar tendencias de la eficiencia de un tipo de SuDS sobre otro.
10
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Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
Esta eficiencia depende de los parámetros hidrológicos, las características topográficas de
las subcuencas y la precipitación, por esto los resultados son variables de una subcuenca
a otra. Esto hace necesario la implementación de procesos de optimización que permiten
conocer la mejor forma de implementar los SuDS, ya que no es posible saber de manera
manual o intuitiva cuales son los tipos de SuDS con mejor desempeño y en qué cantidad
implementarlos.
Con el individuo seleccionado, se tiene la base para hacer el diseño de detalle de los SuDS
en cada subcuenca. Este diseño de detalle comprende la definición de la ubicación exacta,
la forma como ingresará y saldrá la escorrentía, la conexión con el sistema de drenaje
pluvial, los costos detallados de construcción y la revisión y ajuste del diseño propio del
SuDS (dimensiones y materiales).
7. Conclusiones
Procedimiento para evaluar el desempeño de un sistema de drenaje en condiciones
actuales y futuras:
Se presenta una metodología general para la implementación de sistema de drenaje
sostenible en cuencas urbanas que se encuentran en proceso de expansión. Este
procedimiento es elaborado con base en la revisión bibliográfica, en la experiencia del grupo
de investigación en Urban Water Systems del IHE-Delft y en la experiencia del desarrollo
del caso de estudio. El procedimiento presenta un flujograma detallado que permite
desarrollar las actividades requeridas para conocer el desempeño presente de un sistema
de drenaje y definir la manera óptima de implementación de un conjunto de infraestructuras
de drenaje sostenible que permitan cumplir con objetivos definidos de gestión de la cantidad
de escorrentía.
Las etapas principales del procedimiento comprenden: la definición del objetivo y alcance,
el estudio de la información preliminar, la recolección de la información básica, la
construcción del modelo hidrodinámico de la zona urbana existente y de las zonas de
expansión, la selección y diseño de los SuDS a implementar, la definición de indicadores
de desempeño, el cálculo de la cantidad máxima de SuDS a implementar y la evaluación
de los resultados. Las conclusiones principales relacionados con la elaboración del
procedimiento son:
Se debe definir claramente cuál es la problemática por solucionar con la
implementación de los sistemas de drenaje sostenible, que resultados se esperan,
cómo se van a lograr, cuál es la delimitación de la zona y el presupuesto de inversión
disponible.
Las infraestructuras de drenaje urbano sostenible se implementan para maximizar
las oportunidades y beneficios que se pueden obtener del manejo de las de
escorrentía. Estos beneficios comprenden la gestión de la cantidad y la calidad del
agua, zonas de esparcimiento y mejoramiento de la biodiversidad en el medio
urbano.
Los mecanismos principales de funcionamiento de las infraestructuras de drenaje
urbano sostenible son la desconexión de áreas impermeables, infiltración al terreno
natural y almacenamiento.
Existen guías y manuales que, con base en el área de drenaje, la pendiente del
terreno, el tipo de suelo, la profundidad del nivel freático y de acuerdo con los
objetivos de la implementación (gestión de la cantidad de agua, atenuación de picos
de caudal, gestión de la calidad del agua, urbanismo, biodiversidad, etc) permiten
10
8
Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
direccionar sobre los tipos de infraestructura de drenaje sostenible que mejor
desempeño pueden tener.
Los SuDS (Sustainable Drainage System) que tienen mayor viabilidad de
implementación de acuerdo con las características de las cuencas urbanas de alta
pendiente y poco espacio disponible ubicadas en el Valle de Aburrá son los tanques
de almacenamiento (reciclaje de agua), techos verdes, celdas de bioretención,
zanjas de infiltración y pavimentos permeables.
Para conocer el desempeño de los SuDS, realizar los análisis de alternativas y el
diseño de detalle se requiere utilizar un software de modelación hidrodinámica que
permita modelar el proceso lluvia-escorrentía en las subcuencas y el tránsito de los
caudales por la red de drenaje. Se encuentra que el software Epaswmm de la US-
EPA es el más usado en investigación ya que se encuentra ampliamente probado a
nivel mundial, es de uso libre y de código abierto.
En la implementación de sistemas de drenaje urbano sostenible hay gran cantidad
de combinaciones posibles que cumplen los objetivos. Cada subcuenca puede tener
varios tipos de SuDS y cada SuDS se puede implementar en cantidad de unidades
diferentes, esto hace que existan millones de combinaciones. Para conocer las
mejores soluciones es necesario el uso de algoritmos de optimización.
Los algoritmos genéticos son un método de búsqueda para la resolución de
problemas que imita la teoría de la evolución genética de Darwin. Se parte de una
población inicial de la cual se seleccionan los individuos más capacitados para luego
reproducirlos y mutarlos para finalmente obtener la siguiente generación de
individuos que estarán más adaptados que la anterior generación. Este método
permite obtener las soluciones o individuos que mejor desempeño tienen de acuerdo
con una o múltiples funciones objetivo.
En el proceso de optimización de los SuDS se utiliza el algoritmo genético NSGA-II
(Non Sorting Genetic Algorithm II). Este permite implementar múltiples funciones
objetivo, tiene un proceso de selección y cruzamiento que garantiza muy buena
eficiencia en la búsqueda de las mejores soluciones y en la reducción del tiempo de
cómputo y ha sido probado con éxito en la optimización de infraestructuras de
drenaje sostenible.
Las investigaciones recientes para el uso de SuDS en escala de cuenca o
subcuenca urbana se basan en la evaluación del funcionamiento del sistema de
alcantarillado bajo lluvias de diseño para periodos de retorno definidos o bajo lluvias
reales que han producido eventos de inundación; la elección de los SuDS que se
adaptan mejor a las condiciones locales y la optimización utilizando una función
objetivo que es reducir la cantidad del agua de escorrentía y/o mejorar la calidad de
la misma con el menor costo.
Se encuentra que es fundamental lograr tener un modelo hidrodinámico ajustado a
la realidad, para esto se debe contar con información confiable y precisa y se hace
necesario realizar un proceso de calibración y validación.
En la optimización de SuDS generalmente se utilizan dos funciones objetivo
simultaneas: una relacionada con el mejoramiento de la calidad del agua o
disminución de la cantidad de agua y otra con los costos de operación y
mantenimiento de los SuDS.
Conclusiones 109
Este procedimiento permite conocer el costo de implementar infraestructura de
drenaje urbano sostenible; el cual se puede comparar con la alternativa de hacer
reposición de la red de drenaje. En este comparativo se debe tener en cuenta que
la implementación de SuDS genera un sistema resiliente, que se adapta mejor a los
futuros cambios de la zona urbana.
La implementación de SuDS permite realizar una gestión sostenible de la
escorrentía, al favorecer la acumulación en infiltración cerca al sitio de generación
de la escorrentía; también permite que el sistema de drenaje sea flexible y
adaptable, al lograr que menor cantidad de agua ingrese a la red de drenaje,
logrando una mayor resiliencia en la red de drenaje ante los cambios en la ciudad y
la expansión de la misma.
La construcción de los SuDS se visualiza como una necesidad cada vez mayor en
el desarrollo de las ciudades en todo el mundo. Estos elementos cumplen múltiples
objetivos que hacen las ciudades sitios más sostenibles, naturales, con mejor
urbanismo, mayores zonas de esparcimiento, calidad el aire y espacio disponible
para la fauna y flora. Estos son beneficios que se deben tener en cuenta en los
análisis de alternativas y tomas de decisiones.
Evaluación de escenarios hidrológicos de una subcuenca urbana para determinar el desempeño hidráulico del sistema de drenaje considerando el uso actual y uso potencial del suelo.
Se realiza un caso de aplicación del procedimiento en una cuenca urbana ubicada en el
Municipio de La Estrella, departamento de Antioquia, Colombia. Esto permite validar el uso
de la metodología propuesta y tener un acercamiento desde la planeación a cómo se deben
implementar los SuDS, conocer su desempeño hidráulico y la inversión asociada. Las
conclusiones principales son:
En el análisis de sensibilidad, calibración y validación del modelo hidráulico de la
cuenca existente se utilizan tres eventos de lluvia reales medidos en el primer
trimestre del año 2017. Estas lluvias tienen profundidad acumulada de 4mm, 9mm
y 10mm e intensidades de 15mm/h, 30 mm/h y 46mm/h respectivamente.
En el análisis de sensibilidad y en la calibración se encuentra que la altura de los
vertederos de los aliviaderos es el parámetro de mayor sensibilidad. Este controla
la cantidad de agua que continua por la red hacia aguas abajo. La condición de que
la red de alcantarillado tenga 8 aliviaderos, hace que la calibración sea muy
compleja, ya que se tienen 8 sitios por los que sale caudal y solo en uno se tiene
medición.
Se evalúa el desempeño del sistema de drenaje actual y del actual más la expansión
bajo diferentes condiciones de lluvia. Se utiliza una precipitación real de lluvia
acumulada 22mm (lluvia promedio) y la lluvia de periodo de retorno 5 años con
profundidad acumulada 56mm (lluvia de diseño).
El sistema de drenaje de la zona urbana existente tiene capacidad para transportar
los caudales de lluvias de intensidad media; sin embargo, para la lluvia con periodo
de retorno de 5 años, el sistema presenta sobreflujo por las cámaras, de volumen
3% del caudal de escorrentía; cuando se adicionan las zonas de expansión el
volumen de sobreflujo aumenta a 9%.
11
0
Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
El coeficiente de escorrentía (% de la precipitación que se vuelva escorrentía) tiene
una disminución importante cuando se implementan los SuDS; para los dos eventos
de lluvia evaluados se tiene reducción superior al 50% en el volumen de escorrentía.
Para la lluvia “evento 4” el indicador cambia de 0.59 a 0.42 con SuDS solo en la
expansión y 0.14 con SuDS en lo existente y la expansión. Con la lluvia de periodo
de retorno 5 años, el indicador cambia de 0.71 sin SuDS, a 0.57 con SuDS solo en
la expansión y 0.30 con SuDS en todas las subcuencas.
Con la implementación de la cantidad máxima de SuDS en todas las subcuencas
(existentes y de expansión), se logra una disminución importante en el sobreflujo en
las cámaras. Esta disminución es función de la intensidad de la lluvia; a mayor
intensidad se tiene una menor eficiencia. Para el evento 4 se logra pasar de un 9%
de caudal de sobreflujo a un 2% y para el evento de periodo de retorno 5 años, se
logra pasar de un 22% de caudal de sobreflujo a un 13%.
Medidas de infraestructura para mejorar la eficiencia del sistema de drenaje actual y
que su expansión sea flexible, adaptable y a mínimo costo:
Utilizando el caso de aplicación y el procedimiento desarrollado, se encuentran los
siguientes resultados:
Los SuDS que pueden tener un mejor desempeño para las condiciones de la cuenca
de estudio son las celdas de bioretención, los pavimentos permeables y el reciclaje
de agua (tanques de almacenamiento).
En el cálculo de la cantidad máxima de unidades de SuDS por subcuenca, se
encuentra que los resultados del método de área impermeable tratada son más
coherentes que los del método de Siting tool. Este último produce un número muy
elevado de SuDS ya que viabiliza su uso en todos los pixeles que cumplen unos
criterios (por ej.: zonas verdes, cercanía a viviendas, vías, etc.) que en muchos
casos no es factible de implementar.
El frente de Pareto de las soluciones optimas muestra que para implementación de
SuDS en las subcuencas urbanas existentes y de expansión se puede reducir el
caudal pico de escorrentía hasta en un 55% y la inversión máxima es de 3.5 millones
de dólares.
Se encuentra que el frente de Pareto de soluciones óptimas es muy similar para los
dos eventos de lluvia, el evento TR5 siempre tiene una menor reducción del caudal
pico debido a que la intensidad de la lluvia es mayor.
Para los escenarios de optimización de SuDS en las subcuencas de expansión se
encuentra que la curva del frente de Pareto tiene un punto de inflexión en un 50%
de reducción de caudal pico de escorrentía y una inversión aproximada de 0.3
millones de dólares. Es decir, que a partir de este punto se deben hacer inversiones
mayores para reducir el caudal pico en un punto.
Cuando se analiza la implementación de SuDS de un punto intermedio del frente de
Pareto; se encuentra que, en la zona urbana central, que tiene alta impermeabilidad
y poco espacio disponible, la infraestructura que tiene mayor implementación son
los pavimentos permeables, en las subcuencas de la parte baja y en las de
Conclusiones 111
expansión que tienen mayores zonas verdes se encuentra que la infraestructura de
mayor uso son los tanques de almacenamiento (reciclaje de agua).
Cuando se analiza la implementación de SUDS en un punto intermedio del frente
de Pareto de las subcuencas de expansión, se encuentra las infraestructuras
tanques de almacenamiento (reciclaje de agua) y celdas de bioretención son las que
mayor uso tienen. Los pavimentos permeables tienen un uso mínimo.
Las infraestructuras de drenaje sostenible son muy eficientes para lluvias promedio.
En lluvias de intensidad alta se produce saturación y llenado de los volúmenes de
almacenamiento, lo que produce que los caudales pasen por los SuDS sin afectarse.
Esta condición hace necesario que los análisis de implementación y optimización de
SuDS se realicen con lluvias de diferente intensidad y se establezcan claramente
los objetivos y alcances del mejoramiento en el drenaje urbano, en función de la
intensidad de la lluvia.
La implementación de los SuDS en las zonas de expansión permite que el caudal
de aguas de escorrentía que llega a la red de drenaje existente tenga una magnitud
menor y un pico controlado en comparación al caso de no implementar SuDS. Esto
permite que la red de drenaje tenga una mayor flexibilidad y se adapte de una mejor
manera al crecimiento urbano. Es decir, se logra tener un sistema de drenaje de
mayor resiliencia.
8. Recomendaciones
Incluir en los análisis, modelaciones y optimización, los beneficios de las
infraestructuras de drenaje sostenible relacionados con el ambiente urbano; es decir
la mejora del urbanismo, calidad del aire, reducción del efecto de isla de calor,
generación de zonas de esparcimiento y el mejoramiento de la biodiversidad.
Adicionalmente, tener en cuenta efectos adversos de algunos SuDS como por
ejemplo el aumento de la temperatura generado por los pavimentos porosos.
En la optimización, también es posible extender al área de análisis hacia los cuerpos
de agua receptores de la escorrentía; por ejemplo, en el caso de estudio es posible
incluir los efectos del cambio en la cantidad de escorrentía urbana en la reducción
de la socavación, el mejoramiento de la calidad del agua, la reducción de los sólidos
suspendidos, reducción de inundaciones, mejoramiento de la biodiversidad en el Rio
Medellín.
En los procesos de optimización con algoritmos genéticos se recomienda que en el
modelo hidrodinámico se tenga el menor número de subcuencas posibles que
representen adecuadamente las características hidrológicas de la zona urbana. Es
posible agrupar subcuencas que tengan características similares, esto hace que en
el proceso de optimización el número de variables sea manejable, que la corrida del
algoritmo genético en el PC tome tiempo menores y permite tener conclusiones de
una manera más clara.
Para realizar la calibración y validación de redes de drenaje de cuencas urbanas
con múltiples aliviaderos se recomienda realizar estudios adicionales para conocer
el funcionamiento hidráulico de estos elementos. Epa-swmm no cuenta con un
elemento que represente directamente los aliviaderos de cañuela elevada, por lo
tanto, estos se deben ingresar de forma aproximada como vertederos. El caso ideal
es contar con medición de caudal en las salidas de aguas lluvias de todos estos
elementos, y así hacer una calibración individual y representar estos elementos en
el modelo hidrodinámico adecuadamente.
Se recomienda tener en cuenta las restricciones de los Planes de Ordenamiento
Territorial y las definiciones de los planes parciales para la selección de los SuDS y
la determinación de la cantidad máxima que se pueden implementar por subcuenca.
Es posible realizar modelos acoplados 1D-2D que permitan modelar
hidráulicamente la red de drenaje en 1D, cómo se hizo en esta investigación, pero
también tener un modelo 2D en donde se conozcan los niveles y el área que puede
alcanzar la mancha de inundación. Esto permite estimar los daños económicos y
tener en cuenta esta variable en el proceso de optimización.
Referencias 113
Es necesario realizar investigaciones que se enfoquen en conocer los parámetros
de diseño, el funcionamiento y la efectividad de los SuDS en condiciones de clima
tropical. Con modelos físicos, computacionales e instrumentación, se puede
entender de manera integral como funcionan estas infraestructuras y realizar un
mejor proceso de selección y modelación.
En el proceso de optimización se recomienda tener escenarios con eventos de
lluvias de diferente intensidad, ya que la efectividad de los SuDS es función de esta
variable; también se pueden realizar simulaciones con periodo extendido, las cuales
permiten evaluar el desempeño de los SuDS en periodos de invierno.
El procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje urbano sostenible que
se plantea en este trabajo permite conocer cuáles son los SuDS a implementar y en
donde se deben ubicar. Como próximo paso en el proceso, se recomienda construir
SuDS pilotos en diferentes subcuencas para medir su funcionamiento y determinar
su eficiencia, mejorar el diseño de detalle y conocer los mejores puntos para la
ubicación dentro de las subcuencas.
Considerar el trabajo con teledetección mediante sensores remotos para evaluar los
cambios temporales en los usos del suelo.
Se considera importante realizar procesos de optimización y modelaciones
incluyendo el efecto del cambio climático en el desempeño de los SuDS.
Incluir en la optimización la variable de reposición de redes vs la implementación de
SuDS. Es posible realizar una optimización conjunta en donde compitan las dos
intervenciones.
11
4
Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles
en cuencas urbanas en expansión
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