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Hidrología Urbana

Jul 08, 2015

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HIDROLOGAURBANA Manuel Gmez Valentn Barcelona, noviembre 2007 PresentacionEl interes hacia los problemas asociados al drenaje urbano en nuestras ciudades ha crecidosingenerodedudaenlos ultimos a nos. Ysinembargo, paralagranmayoradepersonasque residen en cualquiera de nuestras poblaciones, constituyen todava algo alejado de nuestraspreocupaciones, algo que esta ah pero sobre lo que no existe una urgencia ni un debate diario.Las redes de alcantarillado son uno de los entramados mas complejos a la vez que desconocidos,entre todas las infraestructuras del tejido urbano. Existen otros servicios p ublicos tales como elabastecimientodeaguapotable,lasredesviarias,elalumbrado,etc.quealestarencontactomas directo con el ciudadano y constituir un patrimonio visible, resultan mucho mejor conocidosa la vez que las inversiones que a ellos se dedican son mas facilmente justicables ante la opinionp ublica. El drenaje de la ciudad y los medios a traves de los cuales se realiza la evacuacion de susaguas pluviales son por el contrario un patrimonio oculto, literalmente enterrado, en denitivaotraciudadinvisibledebajodelaciudadvisible, quesolonosmuestradevezencuandosusenfermedadescuando un aguacero supera su capacidad de desag ue.La historia de algunas grandes ciudades se podra reescribir a traves de las de sus sistemasde drenaje. Roma, Pars o Barcelona mismo han sido ejemplos de urbanismo y ordenacion deltejido urbano en algunas epocas de la historia. Y tambien todas ellas han realizado en paralelograndessolucionesdedrenajeensusepocasdegrandesarrollo. DesdelaCloacaMaximadelForo romano, pasando por la red de grandes colectores del Pars del Baron Haussmann, hastael proyecto de drenaje de Barcelona de Pedro Garca Faria al nal del siglo XIX o la operacionde mejora del drenaje de la zona de la Villa Olmpica con motivo de la Olimpiada de 1992, sonejemplos del interes que en sus epocas de esplendor han demostrado las grandes ciudades anteun tema de importancia capital.Peroengeneral hemosdereconocerqueenmuchosmascasoslosdise nosdelasredesdealcantarillado han sido producto de la improvisacion, con una falta de vision global del problemaaescaladeciudad. Enocasioneslafaltadedatosablesdelluvia, indispensablesparaunabuenaestimacionpreviadecaudalesdeescorrentayotrasvecesporqueseempleantodavaprocedimientos de calculo y vericacion iguales a los empleados hace cincuenta o cien a nos, dancomoresultadoel quenosencontramosconunasredesactualesconcapacidadesdedesag uemuy decientes en algunos casos. Peor a un, se ha empezado a establecer entre ciertas capas detecnicos que el problema del drenaje se traduce simplemente en poner tubos y la solucion delmismo es determinar que tubo hay que poner.Ciertas situaciones han podido agudizar el estado de abandono de muchas de nuestras redes.Podemosindicarporunladolarealizaciondeproyectosdeampliaciondelaredquenohantenido en cuenta el comportamiento global de la misma, el concepto de red como elemento deinterconexion,transmisiondeaguaentreconductosperoalaveztransmisiondeinuenciasoproblemas entre ellos, y por otro y quizas el mas grave el aumento de los caudales de escorrentadebidoaunamayorimpermeabilizaciondel sueloconsecuenciadel crecimientourbanodelos ultimosa nos. Numerososmunicipioshanaumentadoenunporcentajemuyaltosusupercieurbana, con nuevos polgonos residenciales de edicios o viviendas adosadas que generan tasascercanas al 100 % de impermeabilidad.Las soluciones a estos problemas no son en general ni faciles ni baratas. Los costes de reposi-cion de estas infraestructuras son de los mas altos (si no el que mas) de los servicios urbanos pues1de salida tenemos que a nadir el coste de reposicion del pavimento y los desvos de un sinfn deservicios urbanos. Pero nuevamente nos enfrentamos a una particularidad: es un servicio oculto,cuya reparacion precisa enterrar presupuestos de millones de euros.Enestelibrosepretendedarunrepasoenprimerlugaralosprocesoshidrologicosquesedesarrollanenzonaurbana, siguiendoel ciclohidrologicoenlaciudad, presentandoalgunasdelasaproximacionesmasnovedosasenloscamposhidrologicoehidraulicoalavezqueseplantean criterios de dise no y metodologas de solucion que sean aprovechables por los tecnicosresponsablesdesudise noymantenimiento. Alolargodemasdeunadocenadecursosdepostgrado, cursos dedoctoradooasignaturas deespecializacion, sehaintentadotransmitirdesde hace casi 20 a nos una mayor sensibilidad por el tema de la hidrologa urbana. Deseamosagradecer a los participantes, estudiantes, conferenciantes, y a todos los que han contribuido aesta lnea de trabajo en Hidrologa Urbana su colaboracion, su interes y las ganas por avanzaren una lnea necesaria para dignicar un servicio urbano.ManuelGomezValentnBarcelona,Noviembre20072INDICETEMA1Problematica general del drenaje de aguas pluviales en zonas urbanasJosepDolzRipolles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5TEMA2Eleccion del nivel de seguridad del sistema de drenajeManuelGomezValentn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17TEMA3Informacion de lluvia a utilizar. Lluvia de proyectoManuelGomezValentn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33TEMA4Lluvia neta. Perdidas de precipitacion.Tiempo de concentracion en zona urbanaManuelGomezValentn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71TEMA5Metodo racional en zona urbana. Bases conceptuales yaplicacion en medio urbanoRa ulLopezAlonso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83TEMA6Hidrograma unitario y modelos de depositosManuelGomezValentn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111TEMA7Transformacion lluvia - caudal mediante uso de la onda cinematicaManuelGomezValentn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123TEMA8Analisis del comportamiento hidraulico de rejas y sumiderosManuelGomezValentn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135TEMA9Modelos de ujo en calles y criterios de riesgo asociadoLeonardoNanaEscobar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147TEMA10BMP. Tecnicas alternativas de drenaje. Depositos de retencionManuelGomezValentn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1753TEMA11Predimensionamiento de depositos de retencionen redes de alcantarilladoHansSanchezTueros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191TEMA12Depositos de retencion anticontaminacion.Criterios de dise no y operacionPereMalgrat,BeniaminoRusso,DavidSu ner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213TEMA13Grandes colectores. Criterios hidraulicos de dise noJosepDolzRipolles,ManuelGomezValentn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239TEMA14Dise no con regimen permanente: curvas de remansoHansSanchezTueros,ManuelGomezValentn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255TEMA15Movimiento no permanente. Modelos de calculoManuelGomezValentn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267TEMA16Analisis de cuencas urbanas mediante EPA SWMM 5.0RodrigoConchaJopia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279TEMA17Estudio e instrumentacion de una cuenca urbana en elmunicipio de Sant Boi de LlobregatManuelGomezValentn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3114PROBLEMATICAGENERALDELDRENAJEDEAGUASPLUVIALESENZONASURBANASJoseDolzRipollesGrupdeRecercaFLUMENDep.deIngenieraHidraulica,MartimayAmbiental.UPC.E.T.S.IngenierosdeCaminos,CanalesyPuertosJordiGirona1-3.D-1.08034BARCELONA1. IntroduccionhistoricaA lo largo del siglo XIX la construccion de redes de alcantarillado en grandes ciudades su-frio un fuerte impulso en muchos pases. En gran medida ello se debio a que fue establecida sinninguna duda la relacion entre enfermedades endemicas y la ausencia de un correcto drenaje delas aguas residuales urbanas. Estas redes de alcantarillado, que tambien drenaban las aguas plu-viales, fueron proyectadas y construidas hasta mitad del siglo XX sin disponer de unos criteriostecnicos (hidraulicos e hidrologicos) rigurosos.El rapido crecimiento urbano que se inicio en la segunda mitad del siglo XX genero gravesdecitsdeinfraestructurasurbanasparaeldrenajedelasaguasdelluvia,loqueacarreoim-portantes problemas de inundacion en numerosas poblaciones. Todo ello impulso la aplicacionde los conceptos clasicos de la Hidraulica e Hidrologa al medio urbano: estudio de la lluvia, dela transformacion lluvia-escorrenta y del comportamiento hidraulico del alcantarillado. De estemodo hizo su aparicion una nueva disciplina: la Hidrologa Urbana.Apartirdelosa nosochenta, unavezyaseharealizadounnotableavanceenel cono-cimientodelosfenomenosligadosalacantidad(caudales),sehaimpulsadoelestudiodelosfenomenos ligados a la calidad (carga contaminante) del drenaje urbano. El interes de este nuevoenfoque ambientalista del estudio del drenaje urbano es motivado por los graves problemas decontaminacion que pueden crear las aguas de escorrenta urbana que son vertidas por la red dealcantarillado a un determinado medio receptor (normalmente ro o mar) en tiempo de lluvia.Observamos, pues, que en el estudio y realizacion de infraestructuras de drenaje urbano haexistido una evolucion en los objetivos a conseguir. Estos objetivos podran calicarse, en ordencronologico, como: higienicos (siglo XIX), hidraulicos y ambientales.56 Tema12. InuenciadelaurbanizacionenelprocesodeescorrentaEs conocida la tendencia al desplazamiento de la poblacion desde zonas rurales hacia zonasurbanas. En la actualidad casi el 50 % de la poblacion mundial vive en zonas urbanas, habiendoseincrementado en mas de un 80 % en los ultimos 20 a nos. En Espa na entre 1920 y 1981 el totalde poblacion en capitales de provincia se multiplico por 4.5 y tenemos mas del 75 % de nuestroshabitantes residiendo en zonas urbanas.La urbanizacion de una cuenca modica su respuesta hidrologica frente a una determinadalluvia.Laurbanizacionconllevalaalteraciondelasredesdedrenajenatural(construcciondecolectores y encauzamientos que aumentan la velocidad del agua hacia aguas abajo de la cuenca)y un incremento de las zonas impermeables en supercie, todo ello con el criterio de drenar lomas eciente y rapido posible el area urbanizada. Como hemos dicho, esta dinamica afecta a lahidrologa de la cuenca y muy especialmente a las zonas situadas aguas abajo. La urbanizacionaguasarribamodicael hidrogramaquerecibenestaszonasdeformaqueseincrementanelvolumen de escorrenta y el caudal maximo. Asimismo es menor el tiempo que transcurre entreel inicio de la escorrenta provocada por la lluvia y el maximo caudal: disminuye el tiempo deconcentracion. Todo ello conlleva que la zona aguas abajo este afectada con mayor frecuencia porcaudalesquepuedencrearproblemasporinundacion,tantomasimportantescuantomenoressean las pendientes. En la gura 1 puede verse la evolucion a lo largo del perodo 1954-1973 delmaximo caudal anual en una peque na cuenca (4.7 km2) del sureste de Inglaterra en funcion dela impermeabilizacion provocada por la urbanizacion, Hall (1984).Figura 1: Caudal maximo anual y porcentaje de supercie impermeabilizadaEl MinisteriodeConstrucciondel Japoninicioen1969unestudioexperimental sobrelainuencia de la urbanizacion en el comportamiento hidrologico de 13 cuencas urbanas de dife-rentes tama nos (de 0.32 a 23.96 km2). Los resultados obtenidos se utilizaron en la planicacionde las actuaciones frente a las inundaciones, Yoshino y Yoshitani (1990). Reriendonos a una delas trece cuencas(la deMinamiosawa,de0.97 km2)cuya urbanizacionpaso a afectar del0 al61.5 % de su supercie, las principales conclusiones son:El coecientedeescorrentapasodetenerunvalorcomprendidoentre0.03y0.46(31episodios lluviosos estudiados) a otro comprendido entre 0.11 y 0.64 (20 episodios lluviososestudiados). Cabe indicar que el coeciente de escorrenta tiende a ser mayor cuanto mayores la intensidadProblematicageneraldeldrenajeurbano 7El tiempo de concentracion paso de estar comprendido entre 60 y 100 minutos antes de laurbanizacion, a 35-50 minutos despues de la urbanizacionDelleur (1982) presenta la experiencia de Brater y Sherill seg un la cual, para cuencas de Mi-chigan, el porcentaje de area impermeabilizada por la urbanizacion de un territorio (I) esta re-lacionado con la densidad de poblacion en habitantes por milla cuadrada (h) seg un la expresion:I = 1.38 h. Tambien Delleur (1982) muestra los resultados obtenidos por Anderson en el estudiode la reduccion del tiempo de respuesta (tiempo comprendido entre los centros de gravedad delhietograma y del hidrograma) en funcion del grado de urbanizacion. Estos resultados, obtenidospara cuencas cercanas a Washington D.C., se presentan en la gura 2.Figura 2: Incidencia de la urbanizacion en el tiempo de respuestaIc. El parametro P es un ndice, repre-sentando la longitud de la cuenca versus la pendiente de esta. La pendiente S esta expresadaen pies/milla y la longitud L en millasLa disminucion del tiempo de respuesta es debido, como ya se ha comentado anteriormente,a la mayor velocidad del agua en una cuenca urbana que en una cuenca natural. Evidentementeen este aumento de velocidad juega un papel importante la red de colectores.Leopold,enDelleur(1982),alestudiarunacuencadeunamillacuadradacercanaaWas-hington DC, dedujo las curvas de la gura 3 donde se muestra la inuencia del area urbanizaday de la red de alcantarillado en los caudales de periodos de retorno un a no.La problematica anteriormente expuesta es mucho mas acusada en las regiones mediterraneasdondesueledarseunrapidoydesordenadocrecimientourbano(sobretodoenel litoral) alavezqueexistenunacondicioneshidrologicasadversas, Arandes(1992). Estascondicioneshidrologicas son: lluvias localmente muy intensas y cuencas peque nas con fuerte pendiente. Undetallado analisis de estas precipitaciones puede verse en Martn (1992). En Barcelona la lluviadeperiododeretorno10a nosesde33mmparaunaduracionde15minutosy44mmparauna duracion de media hora. Estas fuertes intensidades dan lugar a importantes caudales puntadebido a las elevadas pendientes que presentan las cuencas y la baja permeabilidad de las areasurbanas. Son cuencas de gran produccion de caudal por unidad de supercie. Si comparamos loscaudales especcos, cociente entre caudal punta producido a partir de las precipitaciones entrelasuperciedelacuenca, vemosqueparalluviasde10a nosdeperiododeretornotenemosvaloresde12a17m3/s/Km2quesonsimilaresalosproducidosencuencasnaturalespara8 Tema1Figura 3: Inuencia del area urbanizada (a %) y del area que abarca la red de alcantarillado (b %) en lavariacion de los caudales de periodo de retorno un a no: (caudal despues de urbanizar) / (caudalantes de urbanizar)lluviasdeperiododeretorno500a nos. Caberecordarquetantolasfuertespendientescomolasintensidadesdelluviaelevadasaumentanel coecientedeescorrenta, loqueseponeenevidencia en la gura 4.Figura 4: Inuencia de la intensidad de lluvia y la pendiente en el coeciente de escorrentaEste graco, presentado por el Minist`ere de lEnvironement (1994), muestra la dependenciadel coeciente de escorrenta respecto de la permeabilidad del terreno, la intensidad de lluviasy la pendiente. Fue obtenido con datos experimentales procedentes de peque nas cuencas inter-ceptadasporautopistas.Observeselaimportanteinuenciadelapendienteparaintensidadessuperiores a los 70 mm/h.3. CaudalesdeproyectoDado que los datos de lluvia suelen ser mas abundantes que los de caudales, normalmente elcaudal de proyecto en un colector de pluviales de una determinada cuenca sera jado teniendoencuenta, entreotrosfactores, suscaractersticaspluviometricas. EsobvioquelosepisodiosProblematicageneraldeldrenajeurbano 9lluviosos en una cuenca dada no son siempre identicos: existe una distribucion espacial y tem-poral delalluviaquevaradeunepisodioaotro. Normalmentelascuencasurbanassondepeque nadimensionyporellosueleconsiderarsequelalluviaafectaasutotalidad(seasumeuna distribucion espacial uniforme de la precipitacion).El caracteraleatoriodelalluviaenel tiemposetieneencuentaatravesdel periododeretorno:unalluviaesdeperiododeretorno Ta nossila probabilidaddeserigualada osupe-rada a lo largo de un determinado a no es 1/T. En zonas urbanas muy impermeables es muchomasciertalahipotesisdequelluviasdeperiododeretornoTgenerarancaudalesdel mismoperiodo de retorno, y si utilizamos dichos caudales en el dise no de nuestra obra hidraulica, estatendratambienperiododeretornoT.Portantoelniveldeseguridadenlacapacidaddelco-lectorestadadoporelperiododeretornoconsideradoenlalluviaqueact ua.Esteparametroserajadoatendiendoaunanalisiscoste-benecio(costedelasinversionesenestructurasdedrenajeurbanoybeneciosdebidosalareducciondeperdidasporinundacion).Sinembargoen ocasiones se recurre a periodos de retorno de referencia jados por la administracion. A mo-dodeejemplocabeindicarqueenelPlanEspecialdeAlcantarilladodeBarcelonade2000ysucesivas revisiones, se considero un periodo de retorno de 10 a nos. Seg un Yen (1990) existe enlos pases desarrollados una tendencia a considerar periodos de retorno mayores debido a que elaumento de los costes de los bienes urbanos es superior al de los costes de las obras de drenajee integrar conceptos de valoracion de riesgo como por ejemplo el Reino Unido (DEFRA, 2006).Un detallado analisis de las implicaciones economicas del drenaje urbano puede verse en Hauger(2002). Otra tendencia es la de incorporar a las calles como elementos de desag ue para caudalesdeperiodosderetornoalgoelevados.Evidentemente,estorequiereunadecuadodise nodelascalzadasydesusinterseccionesyengeneral repensarel dise noensuperciedelaciudadincluyendo la presencia del agua de lluvia.Hemos visto que al urbanizar una cuenca se incrementan los caudales asociados a una lluviadada. Por estemotivo, el periododeretornodel caudal asociadoaunalluviadeterminadadisminuye con la urbanizacion de la cuenca.Paralaobtenciondeunalluvia(ocaudal)asociadaaundeterminadoperiododeretornose han propuesto diferentes distribuciones de probabilidad, pero la bondad del calculo estara engran medida condicionada por la calidad y amplitud de la serie de datos de campo disponiblesparaajustardichadistribucion.Noobstantehayquehacernotarqueenelcasodeunaseriecorta de datos, la distribucion que ofrece un mejor ajuste no tiene por que ser la que asegure unamejor extrapolacion para obtener el valor correspondiente a un determinado periodo de retorno.Habitualmenteseutilizanlascurvasintensidad-duracion-frecuencia(curvasIDF)paralaobtencion del valor de una determinada lluvia. Estas curvas nos proporcionan para cierta regionyunafrecuenciadada(periododeretorno), larelacionentreintensidadmediamaximayladuraciondelluvia. Cabeindicarqueestascurvassolonosdaninformacionsobrelamaximaintensidadmediaesperablealolargodeciertointervalodetiempo, ynosobreel restodelatormenta: lluvia cada antes y despues de dicho intervalo. O sea, la duracion de la tormenta es,en principio, superior al tiempo considerado en las curvas IDF. La IDF constituye el elementobasico de partida en todo estudio hidrologico en medio urbano.Enel dise nodeestructurasdedrenajeurbano, cadavezmasseprecisaconocernoyaelcaudal deproyectosinoel hidrogramadeproyecto. Esteesel casodel proyectodedepositos10 Tema1deretenciondondeel volumendel hidrogramaesundatobasicoparael dise no. Lacorrectaobtencion del hidrograma, que tambien es preciso conocer si se desea estudiar el funcionamientoen regimen variable de una red de colectores, conlleva la dicultad de establecer la distribucionespacial y temporal de la lluvia.4. InfraestructurasdedrenajeurbanoNormalmente estas infraestructuras estan encaminadas a corregir los efectos negativos provo-cados por la urbanizacion, o sea se tiende a disminuir los caudales punta y aumentar la capacidadde la red de drenaje. Dada la elevada densidad de nuestras ciudades es practicamente imposibledisminuir de forma signicativa la escorrenta mediante la inltracion natural en el terreno: ellorequeriradisponerdeespaciosucientepara, porejemplo, crearzonasverdesdondesepro-dujeradichainltracion.Detodosmodos,existensistemasquepuedenempezarasertenidosen cuenta, como aprovechar mejor las supercies urbanas existentes (rotondas, parques, acerasanchas, etc) para empezar a utilizar estas metodologas de retencer e inltrar el maximo posiblede agua de lluvia. Aguas que se inltren, o lleguen mas tarde a la red de drenaje, redundaran enuna reduccion de los tama nos de los conductos de alcantarillado necesarios lo que se traducira enun ahorro de construccion, molestias, etc. de los mismos.4.1. DepositosderetencionUnaformadeevitarinundacionescuandolacapacidaddelareddedrenajeesinsucien-teconsisteenelalmacenamientoparcialdelaescorrenta.Existentresdiferentesmanerasdeconseguir articialmente este almacenamiento: balsas, depositos subterraneos, utilizacion de lapropia red de colectores cuando existe una fuerte distribucion espacial de la lluvia y no toda lared drena al mismo tiempo, etc. El correcto dise no de estas estructuras requiere un buen cono-cimiento del hidrograma de proyecto ya que la forma y el volumen de este jaran la capacidadde almacenamiento necesaria.En las redes unitarias, cada vez son mas utilizados los depositos de retencion para almacenarla escorrenta de una lluvia no muy intensa o la escorrenta inicial debida a una lluvia intensa.Estasescorrentassuelenpresentarunaelevadacargacontaminanteloqueaconsejaevitarsuvertidosinpreviotratamiento.Elalmacenamientodeestaescorrentapermitesutratamientoposterior sin tener que incrementar notablemente la capacidad de las plantas depuradoras (Mays,2004).LaciudaddeOsaka(Japon)puedeserunejemplodeestetipodeactuaciones,Murakami(1990) y Hashimoto et al. (1990). Esta ciudad, que posee un sistema unitario de alcantarillado,presenta la doble problematica anteriormente expuesta: inundaciones motivadas por la urbani-zacion intensiva y necesidad de tratar la escorrenta. Actualmente esta en construccion un grancolector situado a 30-40 m bajo la supercie, de 6.5 m de diametro y 12.2 km de longitud, cuyanalidad es facilitar el drenaje de un area de 12 km2. Este colector esta dise nado de forma queenpartetambienpuedaserutilizadocomodepositoderetenciondelaescorrentaconfuertecarga contaminante.Problematicageneraldeldrenajeurbano 11Otraactuacionenestamismaciudadconsisteenundepositode1.9kmdelongitudy10m de diametro, construido a unos 20 m de profundidad. Este deposito tiene por objeto evitarinundacionesenunareacondecientecapacidaddedrenaje. Estaobraestaparcialmenteenservicio desde 1986 y varias veces ha entrado en funcionamiento. En particular, en septiembre de1989 se almacenaron 100.000 m3en una hora, debido a una lluvia de 110 mm con una intensidadmaxima de 47 mm/h. En este caso fueron inundadas 963 viviendas, mientras que en 1982 (antesde construir esta obra) una lluvia de 140 mm con intensidad maxima de 33 mm/h, inundo 25.303viviendas.Cornella de Llobregat es una ciudad situada junto al tramo nal del ro Llobregat y su areaurbana recoge las aguas pluviales de zonas situadas aguas arriba de la misma. La fuerte urbani-zacion de estas zonas junto con la insuciente capacidad de drenaje de la red de Cornella, hacenqueseveafrecuentementesometidaainundaciones. Elloseagravacuandolasfuerteslluviaslocales coinciden con avenidas en el Llobregat, lo que diculta o incluso impide el desag ue de loscolectores al ro. Al objeto de solucionar esta problematica se han proyectado diferentes actua-ciones,siendounadeellaslaconstrucciondeunabalsaquepermitaalmacenarlaescorrentacuandonoesposibledesaguaralro.Estabalsaocupaunasuperciede50.000m2yadmiteun calado de 4 m. Dado su poco frecuente funcionamiento, la mayor parte del tiempo estara enseco y se preve su utilizacion como parque p ublico. El desag ue de la balsa al ro se realizara porgravedad cuando los niveles del ro y de la balsa lo permitan, o por bombeo, en caso contrario.La capacidad de bombeo prevista son dos grupos de 7 m3/s. Cabe indicar que el hidrograma deentrada (periodo de retorno 10 a nos) presenta un caudal maximo de 130 m3/s. Al objeto de jarlas necesidades de bombeo, se analizo la estrategia de puesta en marcha y parada de los gruposenfunciondelosnivelesenlabalsayenelcolectorquedesaguaalamisma(enestecasosetrata de un canal). Un detallado estudio de los criterios hidraulicos de dise no de los depositosde retencion puede verse en Stahre y Urbonas (1990) y STU (1994).4.2. ColectoresinterceptorespluvialesEl resolver problemas de drenaje en zonas urbanas densamente pobladas mediante la cons-trucciondenuevoscolectorespresentaladicultaddecompatibilizardichaconstruccionconlaescasezdeespaciodisponibleensupercie,laafeccionalasredesdeserviciosurbanosylaincidenciaenuntracodurantelaconstruccion. Ellopuedeserpaliadoengranmedidasi elnuevo colector se sit ua a la profundidad suciente para que pueda ser construido en t unel.Es frecuente que el desarrollo urbano se inicie en un area llana, y posteriormente se extienda azonas aguas arriba de la cuenca donde existen desniveles importantes. Este esquema es habitualen ciudades costeras o situadas en valles uviales. Como consecuencia de ello, suelen presentarseproblemasdecapacidadenlareddedrenajeexistenteenlazonabaja, yaquenormalmenteesta fue proyectada y construida sin tener en cuenta el incremento de caudal que supondra laposteriorurbanizaciondelaszonassituadasaguasarriba. El resolverestasituacionsuelesercomplejo debido a que las pendientes disponibles en la zona baja suelen ser muy peque nas, loque obliga a considerar secciones importantes en los posibles nuevos colectores en lamina librea construir en esta zona, y ello, normalmente es incompatible con el escaso espacio disponibleen sus viales.12 Tema1Una posible solucion a esta problematica consiste en la construccion de colectores dise nadosparaquetrabajenenpresionyque,aprovechandoeldesnivelexistente,interceptenlasaguaspluvialesenlazonaaltaylastransportenaguasabajodelazonabaja. El dise noenpresionrequerira unas secciones menores y permitira una mayor exibilidad en el trazado. Esto ultimopuedeserdegraninteresenareasdensamenteurbanizadas, yaqueinclusivepuedepermitirubicar el colector a una profundidad suciente como para que pueda ser construido en t unel yde este modo afectar lo mnimo posible a las redes de servicios urbanos y al traco.El dise noenpresiondel nuevocolector normalmentenopermitiralaconexiondeotroscolectores en la zona baja. Ello exige que la antigua red de drenaje existente en esta zona debesea capaz de transportar la escorrenta generada por la lluvia que cae sobre ella.El valledeMexico, DomnguezyJimenez(1992), enel queseencuentrasituadaCiudaddeMexico, historicamentepresentanotablesproblemasdedrenajedebidoal caractercerradodelmismo.CabeindicarqueCiudaddeMexicoestaubicadaenunaantiguazonadelagunasquerecoganel drenajedelasladerascircundantes. Estaslagunasqueinicialmente(antesdelacolonizacion)ocupabanunasuperciede1700km2hanquedadoreducidasactualmenteaunos 50 km2. La necesidad de dar salida fuera del valle al agua que actualmente ya no puede sertemporalmente almacenada en las lagunas, ha llevado a la construccion de diferentes colectores ycanales. Estas actuaciones se iniciaron en 1607, siendo la ultima de ellas la denominada DrenajeProfundo, cuya primera fase termino de construirse en 1975. Consiste en un sistema de colectoressituados a una profundidad comprendida entre 10 y 217 m, y que funcionan por gravedad. Lagran profundidad a que estan situados les hace resistentes a los efectos ssmicos y evita que seanafectados por el hundimiento progresivo de las capas superciales de terreno. Este hundimiento,debidoalagranextracciondeaguadelosacuferos, hallegadoasuperar0.5m/a noenlasupercie de la zona centro del Distrito Federal. En la actualidad se han construido 110.7 kmde t unel, cuyo diametro vara de 3.1 a 6.5 m y la capacidad entre 20 y 220 m3/s.Al objetodeinterceptarlasaguaspluvialesdelaspartesaltasdelascuencasurbanasdeBarcelonaydelosmunicipioslimtrofesdeLHospitaletyEsplugues,seharealizadounpro-yectoquecontemplalaconstrucciondeuncolectorinterceptor(ColectorInterceptorOrientaldeRieras). Estecolectordebetransportarunoscaudalesquevarandesde33m3/sal inicioa220m3/salnal(periododeretorno10a nos).Estaformadopordostramosnotablementediferenciados: el primero es un t unel de seccion circular de 6 km de longitud y 6 m de diametro,y el segundo (de 2 km) consiste en un cajero de 7 conductos circulares de 3.3 m de diametro. Elcolector se inicia a la cota 45 y su entrega al ro Llobregat se sit ua a la cota 4. Se ha dise nadode forma que trabaje en lamina libre en los primeros 5 km (de la cota 45 a la 23) y en presionen los 3 km restantes (de la cota 23 a la 4). A lo largo del tramo en lamina libre recibe todaslas incorporaciones de caudal existentes, situandose este tramo a la cota mas elevada posible alobjeto de reducir al mnimo la altura que deben salvar las diferentes incorporaciones de caudales(en algunas zonas el colector esta situado a mas de 60 m de profundidad). Dado que la secciones constante en el tramo en lamina libre (diametro 6 m), el incremento de capacidad que exigela sucesiva incorporacion de caudales se obtiene incrementando la pendiente.Unadelasactuacionesmasimportantesincluidaenlanuevareddecolectoresdel frentemartimodeBarcelona, eslaconstrucciondel colectordeCiudadela. Estecolectorinterceptacaudales de la parte alta de la cuenca del Bogatell (24.5 de km2, aproximadamente un 20 % de lasupercie urbana de Barcelona) conduciendolos directamente al mar. De esta forma se descargaProblematicageneraldeldrenajeurbano 13notablemente la red del Bogatell y se evitan los tradicionales problemas por inundacion existentesen la parte baja de la cuenca del Bogatell y actualmente ocupada por la nueva Villa Olmpica.El colector tiene una longitud total de casi 3 km, transporta un caudal comprendido entre los145 m3/s al inicio y los 210 m3/s al nal. Presenta dos tramos notablemente diferenciados: untramo inicial de 716 m, con fuerte desnivel (de la cota 24.5 a la cota 10.5) y un tramo posterior,con desniveles mucho mas reducidos. El primer tramo fue dise nado para trabajar en presion y elsegundo en lamina libre. El tramo en presion esta formado por 3 tuberas de 3.25 m de diametrocolocadasmediantehinca. Doselementosimportantesdeestecolectorsonlasobrasdetoma(al inicio del tramo en presion) y el desag ue (al nal del mismo). El dise no de ambas obras fuerealizado mediante modelo reducido a escala 1:21.38.4.3. Calculohidraulicodelasredesdedrenajeurbano.ModelacionmatematicaNormalmente los colectores de pluviales se dise nan de forma que, para el caudal de proyecto,sufuncionamientoseaenlaminalibre.Ellopermiteincorporarporgravedadloscaudalesquediscurrenensupercie. Enel casodequeel colectorentraraencarga, podraocurrirqueloselementos que conectan al colector con la supercie se conviertan en puntos de salida de aguaprocedente del colector.Uncolectorfuncionandoenlaminalibrepresentaunmovimientonopermanentegradual-mente variable, es decir: el calado y la velocidad varan tanto de seccion a seccion para un mismoinstante, como de un instante a otro para una misma seccion. Estudiar un colector en regimenno permanente gradualmente variable requiere conocer los hidrogramas de entrada.Con menor grado de aproximacion, puede estudiarse el comportamiento hidraulico en laminalibre de un colector suponiendo movimiento permanente gradualmente variado. En este caso seconsidera que el calado y la velocidad son constantes en el tiempo, pero variables de una secciona otra. Para ello se utiliza la teora de las curvas de remanso y se considera el caudal maximodel hidrograma correspondiente.Hace unos a nos (y a un hoy en da) era habitual dimensionar los colectores suponiendo mo-vimiento permanente y uniforme: calados y velocidades constantes en todo instante y seccion.Para ello se suele utilizar la formula de Manning y tambien se considera el caudal maximo delhidrograma correspondiente. Con esta hipotesis de calculo no se tiene en cuenta, entre otros as-pectos, la incidencia de las condiciones de contorno en el comportamiento hidraulico del colector(por ejemplo, niveles en el extremo aguas abajo).La obtencion del hidrograma correspondiente a la cuenca que drena el colector presenta unanotableincertidumbredebidofundamentalmentealadicultadendeterminarladistribucionespacio temporal de la lluvia de dise no y al calculo de la escorrenta. Por este motivo estimamosque normalmente no se justica la complejidad de un calculo en regimen no permanente y portantoparecelogicorealizarelcalculohidraulicosuponiendomovimientopermanentegradual-mente variado.Para el estudio de un colector en presion podra tambien suponerse movimiento permanenteyconsiderarseel caudal maximodel correspondientehidrograma. El queenrealidadnosea14 Tema1movimiento permanente, no introduce un error importante en el calculo dada la lenta variacionde caudales.Al igual queenotroscamposdelaIngenieraHidraulica, enlos ultimosa noshatenidolugarungranavanceenlaformulacionyaplicaciondelosmodelosnumericosparaelestudiodeldrenajeurbano,porejemploverGomez(1992),Nix(1994).Dichosmodelospermiten,enprincipio, un detallado analisis del comportamiento hidraulico de las redes de drenaje urbano. Noobstante, para su correcta utilizacion se precisa conocer una serie de parametros que identiquenlas particularidades del problema estudiado. La bondad de los resultados obtenidos dependera engran medida de la calidad de los datos de campo disponibles para ajustar dichos parametros. Anuestro entender este es un serio problema que limita en gran medida la correcta utilizacion delamodelacionmatematicaenHidrologaUrbana.Chow(1981)yYen(1990)se nalanelriesgoquesuponeel asumirlosresultadosdeunmodelonumericosinsometerlospreviamenteauncrticoanalisisingenierilporpartedetecnicosqueposeanunclaroconocimientofsicodelosfenomenos objeto de estudio. Por otra parte, seg un McPherson y Zuidema (1978), los avancesen la modelacion matematica han superado la disponibilidad de datos de campo que permitensucalibracion. Estasituaciontambiensedaennuestropas, dondetodossomosconscientesdelasdicultadesqueexistenparaobtenerunosdatosdecampoque,porejemplo,permitanconocer con una mnima abilidad el hidrograma de proyecto de una determinada cuenca, o lascaractersticasgeometricas(secciones,pendientes,disposicionenplanta)delareddegrandescolectoresdeunaciudad. Anuestroentenderseradesumointeresel quelaAdministracionintensicara la obtencion y tratamiento de datos de campo (fundamentalmente lluvia y caudal),de forma que pudiera avanzarse en el conocimiento de los fenomenos hidrologicos. Ello permitiraoptimizar las cuantiosas inversiones que actualmente se realizan.5. ReferenciasArandes, R. (1992).Planeamientourbansticoydrenajeurbano.Avenidas:InundacionesyRedes de Drenaje Urbano. J.Dolz, M. Gomez, J.P. Martn, Editores. Servicio de Publicacionesdel Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid.Chow,V.T.(1981). Crystal ball for urban storm drainage design: the probability considera-tions. Second Int. Conference on Urban Storm Drainage. Urbana. Illinois.Defra(2006). Defra Integrated Urban Drainage Pilot Studies. Scoping Reporthttp://www.defra.gov.uk/environ/fcd/policy/strategy/scoperev.pdfDelleur,J.W.(1982). Introduction to urban hydrology and stormwater management. UrbanStormwater Hydrology. David F.Kibler, Editor. American Geophysical Union. Washington DC.Domnguez,R.,Jimenez,M.(1992). El sistema principal de drenaje del Valle de Mexico.Avenidas: InundacionesyRedesdeDrenajeUrbano. J.Dolz, M.Gomez, J.P.Martn, Editores.Servicio de Publicaciones del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid.Gomez, M. (1992). Analisis hidraulico de las redes de drenaje urbano. Avenidas: Inundacionesy Redes de Drenaje Urbano. J.Dolz, M.Gomez, J.P.Martn, Editores. Servicio de Publicacionesdel Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid.Problematicageneraldeldrenajeurbano 15Hall,M.J.(1984). Urban hydrology. Elsevier. London.Hashimoto, K., Kato, T., Nishimura, M., Tokuda, H. (1990). Hiranogama undergroundstormwater reservoir ood control in highly urbanized area. Fifth International Conference onUrban Storm Drainage. Osaka, Japon.Hauger, M.B., Rauch, W., Linde, J.J., Mikkelsen, P.S. (2002) Cost benet risk. A con-cept for management of integrated urban wastewater systems?. Water Science and Technology.Vol 45. n. 3. pp. 1185-193.Martn, J. (1992).CaractersticasextremasdelaprecipitacionenlaEspa naMediterranea.Avenidas: Inundaciones y Redes de Drenaje Urbano. J. Dolz, M. Gomez, J.P. Martn, Editores.Servicio de Publicaciones del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid.Mays,L.(2004) Urban Stormwater Management Tools. McGraw-Hill. New York.McPherson, M.B., Zuidema, F. (1978). Urban hydrological modelling and catchment re-search: international summary. Technical papers in hydrology 18. Unesco.Murakami, H. (1990). Improvementof combinedsewersystemthroughstormwaterreten-tionatlargescaleoodcontroltrunksewers.FifthInternationalConferenceonUrbanStormDrainage. Osaka, Japon.Nix, S.J. (1994). Urban stormwater modeling and simulation. CRC Press. Boca Raton. USA.Parker, D.J., Green, C.H., Thompson, P.M. (1987).UrbanFloodProtectionBenets.Glower Technical Press. Brookeld.ServiceTechniquedUrbanisme(1994). Ruisellement pluvial urbain. Minist`ere delEnvironement. Paris.Stahre,P.,Urbonas,B.(1990). Storm water detention. Prentice Hall. New Jersey.STU(ServiceTechniquedelUrbanisme)(1994). Guide technique des bassins de retenuedeaux pluvials. Lavoisier. Paris.Yen, B.C. (1990). Returnperiodriskandprobabilityinurbanstormdrainage. Fromtheexperienceof 20thcenturytothesciencein21stcentury. FifthInternational ConferenceonUrban Storm Drainage. Osaka. Japon.Yoshino, F., Yoshitani, J. (1990). Estimation of runo changes due to urbanization in Japan.Fifth International Conference on Urban Storm Drainage. Osaka. Japon. ELECCIONDELNIVELDESEGURIDADDELSISTEMADEDRENAJEManuelGomezValentnGrupdeRecercaFLUMENDep.deIngenieraHidraulica,MartimayAmbiental.UPC.E.T.S.IngenierosdeCaminos,CanalesyPuertosJordiGirona1-3.D-1.08034BARCELONA1. IntroduccionCualquier dise noenel campodelaIngenieraHidraulicaeHidrologicaasumeunavida util de la instalacion, de manera que se espera que durante ese periodo de tiempo se cumplanlasespecicacionesycriteriosutilizadosensudise noyalcabodelamismasepuedadarporamortizada dicha instalacion. Ese horizonte de vida util en ocasiones esta denida de manera muyconcreta y determinada. Por ejemplo, el t unel de desvo del ro durante la construccion de unapresa debe funcionar durante un corto n umero de a nos, los que duren las obras de la presa. Unaatagua provisional, un recinto estanco para la construccion de una obra martima, etc. son otrosejemplosdeobrasdevida util limitada. Peroeninstalacionesgrandes, leaseencauzamientos,grandesconducciones, etc. esteconceptodevida util noestatanclaramenteestablecido. Eltecnico responsable de la infraestructura debe manejar el problema de dise nar una instalacionconsiderandolosda nosquepuedenproducirseencasodeunfalloenel funcionamientodelamisma. Hastaahora, entendemosqueel sistemadedrenajeestaconstituidobasicamenteporlareddealcantarilladooreddedrenaje,yelprimerproblemaqueseplanteaesdecidirparaque tipo de eventos de lluvia debemos dise nar esta infraestructura sin que se supere la capacidadde desag ue de la red. La pregunta inmediata es: que nivel de seguridad debemos utilizar en eldise no de una red de alcantarillado de pluviales?2. Periododeretornoconsideradoeneldise nodelaredLa red de drenaje debe cumplir la mision de evacuar los caudales de escorrenta de la lluviacadaenmediourbano, paraas permitirel normal desarrollodelasactividadesciudadanas.Cuanto mayores sean las dimensiones de la red, menos probabilidades tiene de verse superadasucapacidaddedesag ue,ymenosproblemasdeinundacionencontraremosenlasuperciedela ciudad. Pero por supuesto, no se puede asegurar que las probabilidades de inundacion en laciudad sean del todo nulas. Siempre es posible un fallo hidraulico, falta de capacidad de desag ue1718 Tema2delared,cuandosepresentaunsucesodelluviasuperioralconsideradoparaeldise nodelared o que puedan darse circunstancias accidentales (hundimiento o fallo estructural, bloqueo porarrastres de materiales solidos, etc) que generen una inundacion en la ciudad.El criteriodeselecciondel nivel deseguridadsesuelerealizarenel ambitohidrologicoehidraulicorecurriendoaunconceptoquedenominamosperiododeretorno. Decimosqueunvalordenivelocaudal,porejemplouncaudaldevalorQo,esdeperiododeretornoTa nos,cuando como media se produce un caudal mayor que Qo una vez cada T a nos. Quiere ello decirquesi tuvieramosinformaciondel comportamientodelavariableencuestion(caudal Q, porejemplo)duranteunhorizontedetiempodemuchosa nos, N, veramosquetieneperiododeretorno T a nos como el cociente entre el n umero de veces, m, que se ha superado el valor Qo, yel n umero total de a nos del que se dispone informacion, N.1T=mNEsta denicion anterior esta expresada en terminos de frecuencia de superacion de la variableQysepuederealizardemaneraaproximadacuandoel n umerodea nosdel quesedisponeinformacion es elevado. Por contra, cuando el n umero de a nos con datos de lluvia o caudal no esmuy grande, para hacer una prediccion de comportamiento futuro debemos pasar al dominio dela probabilidad. Un suceso de periodo de retorno T, presenta una probabilidad de ser superadoen un a no, P, que se puede expresar como:P(X> Q) =1TCuandoanalizamosunperiododena nos, podemospreguntarnoscual eslaprobabilidaddequenoseasuperadounavezal menosel valordereferencia, porejemploel caudal Q. Sillamamos P(X< Q)n a la probabilidad de que Q no se iguale o supere en un periodo de n a nos,asumiendo que los eventos de caudal son sucesos independientes, podemos escribir:P(X< Q)n = P(X< Q)n= [1 P(X> Q)]nSi queremos expresar la probabilidad de que se vea superado una vez en los n a nos, sera:P(X> Q)n = 1 [1 P(X> Q)]nSi lo expresamos en terminos de periodo de retorno, se puede escribir:P(X> Q)n = 1 [1 1T]nPodemos expresar la probabilidad de que un suceso de periodo de retorno T a nos se supereenunperiododetiempodena nosenlatablasiguiente,expresadaentantoporcientodichaprobabilidad.Elecciondelniveldeseguridaddelsistemadedrenaje 19Tabla 1: Probabilidad de que un suceso de periodo de retorno T ocurra en n a nosPeriodo de tiempo n a nos T = 5 T = 10 T = 50 T = 100 T = 5001 20 10 2 1 0.22 36 19 4 2 0.45 67 41 10 5 110 89 65 18 10 220 99 88 33 18 450 99.9 99.5 64 40 10100 99.9 99.9 87 63 18500 99.9 99.9 99.9 99.3 633. Analisis de coste - benecio para la determinacion del periododeretornoEste es un enfoque clasico de cualquier actuacion, analizar la inversion optima a realizar enfuncion de la maximizacion de benecio obtenido. Podemos plantear por ejemplo para la red dedrenaje a construir cual sera el costo asociado a la construccion de la misma. Para una serie delluvias de periodo de retorno por ejemplo 2, 5, 10 a nos, etc. evaluamos los caudales de calculoydise namoslaredadecuadaparasucirculacionconloscriteriosquesejenensumomento.Paracadaunodelosdise nos, podemosevaluarel presupuestodeconstruccion. A uncuandolarealizaciondepresupuestosessiempreunatareadifcilquepuededarresultadosdiferentesseg un la persona que lo realice, esta fase del estudio se puede considerar razonablemente objetivasi utilizamos los mismos precios unitarios para las diferentes unidades de obra en cada uno delos presupuestos. El resultadoseraunacurvadecostes crecienteconel periododeretornoconsiderado, tal como muestra la gura 1.Podemos cruzar esta informacion con otra distinta. Podemos plantear un horizonte de vida util de la construccion de N a nos (por ejemplo 50). Si este periodo de tiempo fuera de compor-tamiento normal, sin a nos muy secos ni muy h umedos, y por ejemplo nuestra obra de drenajefueradeperiododeretorno10a nos, comomedialacapacidaddedesag uedelaredseverasuperada 5 veces en esos 50 a nos. Si por contra el periodo de retorno de dise no de nuestra obrafuera 25 a nos, como media se vera superada solo 2 veces en esos 50 a nos. Podemos evaluar losda nos asociados a las inundaciones en este horizonte de tiempo (los 50 a nos de vida util), paracadaobradedrenajeconstruida.Losda nosaumentancuantomenoreselperiododeretornodedise nodelareddealcantarillado, yencambiodisminuyenamedidaquesubeel periododeretornodelaslluviasempleadaseneldise nodelareddedrenaje.Esportantounacurvadecreciente, del tipo de la indicada en la gura 1.El coste total de la infraestructura durante su periodo de vida util es la suma de los costes deconstruccion y de los da nos durante esa vida util. La composicion de las dos curvas produce unacurva suma, cuyo mnimo debera se nalar el periodo de retorno mas economico en el dise no de lared de alcantarillado. Este proceso sera el deseable para dimensionar desde un punto de vista derentabilidad economica la obra a construir. Sin embargo surgen problemas a la hora de evaluar la20 Tema2 Coste mnimo T ptimo Periodo de retorno Coste Coste de la red Daos asociados en la vida til Figura 1: Estimacion del periodo de retornocurva de da nos por inundacion. No es facil asignar un coste economico objetivo a esos da nos. Unaparte puede ser extremadamente objetiva, por ejemplo incorporando la valoracion pericial porlas compa nas de seguros de los da nos de los bienes que tienen asegurados. O los costes por da noso lucro cesante de compa nas de servicios p ublicos (telefonos, luz, transportes ferroviarios o porcarretera,etc).Peroexistenavecesotrosmuchosda nosdecarizlocaloindividual,derivadosdelosproblemasquesufrecualquierresidentebienensucasapornopodersaliralquedarsebloqueado, o los costes en tiempo derivados de quedar retenidos sin acceder a su casa o trabajo.Este procedimiento a un siendo desde un punto de vista racional el mas solido, no se utilizade manera habitual por los inconvenientes planteados en la valoracion de da nos. Es cierto quecada vez mas se ajustan los estudios de costes asociados a estos da nos, y existen proyectos deinvestigacion en otros pases en la lnea de permitir su empleo con bases de datos mas ajustadasy faciles de usar. Ante los problemas descritos, se suele recurrir a jar un periodo de retorno dereferencia para los caudales de dise no (o las lluvias de dise no) a utilizar en el dimensionado ycalculo de la red de drenaje (Butler, 2004).4. Selecciondeunperiododeretornodedise noenlareddedrenajeDe las diferentes opciones de seleccion de periodo de retorno que se utilizan en otras latitudes,podemosencontrarunagranvariabilidadseg unelpasquesetrate.Enpasesnordicoscomopor ejemplo en algunas ciudades de Suecia, se han propuesto dise nos para periodos de retornobajos, de 2 a 5 a nos. Pero hay que indicar que en este caso se realiza un analisis conjunto delcomportamientodelaredenterradaydel ujoenlacalle, aceptandounsistemadedrenajedual. Ello supone ademas la incorporacion de la presencia del agua en el dise no de la ciudad ensupercie, previendo vas de circulacion y puntos de recogida de la misma.Elecciondelniveldeseguridaddelsistemadedrenaje 21Las ciudades que plantean el concepto de drenaje dual con estos periodos de retorno de dise nomas bajos, asumenquepartedel aguacircularaensupercie, yquealgunas veces tendrandicultadesdetracoviarioopeatonal. Perotambienhayqueapuntarqueel dise nodelascalles es tal que permite transportar una cierta cantidad de agua sin producir da nos graves niinundaciones localizadas, y nalmente ese caudal puede ser desaguado a alg un cauce natural sinsuponer un problema de inundacion. Aplican el siguiente concepto: parte del ujo circula por lared y parte del ujo circula por la calle cuando la capacidad de desag ue de la red se supera. Estaideanoesfacilmenteaplicableaciudadesmuyconsolidadasymasantiguas,puesenellasenocasiones nos encontramos con calles de perl longitudinal tal, que tenemos puntos bajos en losque se concentra caudal auente de las calles colindantes. Si ese punto bajo no se drena medianteun conducto de la red enterrada, podemos crear un problema local de inundacion grave.Enestamismalnea, lamayorademodelos comerciales decalculoestanempezandoadesarrollar este tipo de modelacion, de manera que se pueda evaluar la transferencia de caudalesentre ambos subsistemas, y tendremos que dedicar una atencion especial a los procesos de entraday salida de agua hacia y desde la red de alcantarillado4.1. Criteriosdedise noenEE.UU.En los EE.UU. el problema del drenaje de aguas pluviales es algo diferente al europeo. Laurbanizacion de las ciudades norteamericanas presenta un grado de impermeabilidad menor porejemplodelquetenemosenEspa na,especialmenteenlasareasresidencialesdondeabundalaalternancia de casa individual y jardn privado. El patron urbano de nuestras poblaciones tansolo es comparable en el caso de los centros de negocios tipo downtowno en algunas ciudadesen concreto. La mayor parte del transporte de agua pluvial debe realizarse mediante canales acieloabiertoocunetasjuntoavasdecomunicacion.EsohahechoquelosDepartamentosdeTransporte de algunos estados norteamericanos se hayan mostrado muy interesados en resolverel tema del drenaje para no afectar a las vas de comunicacion. Como consecuencia, algunas delas referencias de trabajo mas importantes se encuentran en los Manuales de Drenaje de estosDepartamentos de Transportes, o bien de ciudades o condados que han establecido sus propiosManuales de Drenaje. No existe una unicidad en los criterios adoptados pero puede ser indicativodel mismo el siguiente resumen.El estado de Virginia propone en su Manual de Drenaje de 10 a 25 a nos para los colectores dedesag ue. Mientras tanto, en Connecticcut se sugiere el valor 10 a nos simplemente, para sumiderosy conductos de evacuacion. El condado de Clark, que incluye la ciudad de Las Vegas en Nevada,propone dise nar para 10 a nos y comprobar el funcionamiento de la red ante lluvias de 100 a nosdeperiododeretorno.Aqutambienseconsideralacapacidaddetransportedelascalles.ElestadodeNuevaYorksereereensumanualaloscanalesdedesag uegrandes,exigiendoenellos un periodo de retorno de calculo de 100 a nos. En Georgia nos encontramos con ejemplosdecondadoscomoeldeGwinettequeproponevaloresdeperiododeretornode25a nosparaloscolectoresdedrenaje. EnTexastambiensugierenlaadopciondeunvalorde25a nos. AdiferenciadeestosvaloresconsideradosenestosManualesdeDrenaje, todavaencontramosreferencias de uso o de formacion donde se recomienda dise nar con periodos de retorno 5 a nos(Iowa State Univ). Vemos pues un estado de la cuestion bastante variado, pero con valores entre5 y 25 a nos de periodo de retorno para la red, con 10 a nos quiza como un valor orientativo.22 Tema2Especialmente interesante es el hecho de comprobar en ciudades como Las Vegas o Denver, elfuncionamiento del sistema para un periodo de retorno superior al de dise no. En nuestro enfoqueeuropeo, una vez el sistema funcionapara su periodo de retorno T, nada se dice respecto a loque suceda cuando llueva con mayor intensidad. Y sin embargo es interesante saber que sonasdelsistemaodelaciudadsonmasvulnerablesalluviasmayoresalasdelperiododeretornoconsiderado.4.2. Criteriosdedise noenCanadaCanada es otro pas con larga tradicion en el tema de drenaje urbano. En este sentido es unpas donde se ha aplicado a nivel normativo el concepto de drenaje dual. En esas condiciones,por ejemplo el estado de Alberta propone para la red de drenaje un periodo de retorno de 5 a nos,mientras que el resto de caudal circulara por la calle. Se incluyen estudios de comportamientodel sistemasupercial hastaperiodosderetornode100a nos. Detodosmodosseindicaquecada poblacion ja su nivel de dise no en la red de drenaje, y se comentan que hay poblacionesque dise nan con 2 a nos de periodo de retorno y otras con 10 a nos.Lacapital Ottawatambiendise nalaredentre1y5a nos deperiododeretorno, peroexige la comprobacion del comportamiento de la red de calles para periodos de retorno de 100a nos(SWMPlanningandDesignManual. MinistryoftheEnvironment, DraftFinal Report,Noviembre 1999), en los que exige condiciones de funcionalidad a sus calles seg un la importanciade las mismas. Vas principales no deben presentar calados superiores a los 15 cm, y en otras demenor importancia se limita a que el agua no alcance la acera, en un pas donde se encuentranbordillos de 20 a 30 cm de altura.4.3. Normativaeuropea.NormaEN-752Europa ha hecho un esfuerzo en los ultimos a nos, cuando en el Comite Europeo de Norma-lizacion CEN/TC 165 se elaboro la EN-752, norma europea con 7 apartados que algunos paseshantraspuestoensunormativainterna(Francia, Alemania, Dinamarca, etc). Enconcretolaparte4sereerealosconductosdelareddealcantarillado. Entrelosaspectosinteresantesque recoge, indicar que la expresion de Colebrook-White y la de Manning son las recomendadascomo mas adecuadas para el calculo de perdidas de carga, pero donde supone un cierto cambioconlaspracticashabitualesesal introducirel conceptodedise nodelaredenfunciondelafrecuencia de inundacion.Tabla 2: Frecuencias de inundacion sugeridas en la EN 752Zona de estudio Frecuencia de inundacionArea rural 1/10Area residencial 1/20Centro ciudad, zonas industriales y comerciales 1/30Metro - pasos subterraneos 1/50Elecciondelniveldeseguridaddelsistemadedrenaje 23Hasta ahora estamos dise nando en funcion del periodo de retorno de la lluvia cada, asumien-doquelluviasdeperiododeretornoTa nosgenerancaudalesdeperiododeretornotambiende T a nos, circunstancia que en el medio urbano es mas razonable de aceptar que en el mediorural dada la elevada impermeabilidad y la escasa o nula dependencia de la humedad del terrenopermeable, ya que este casi no existe. Desde luego es interesante el hecho de transferir el criteriode dise no a la frecuencia de cuantas veces nos mojamos los pies, por expresarlo gracamentey no de la lluvia que cae. El resumen de la norma EN-752 se recoge en la tabla adjunta.Nos estan exigiendo para el referente mas cercano a nuestras ciudades, tipo centro ciudad,una frecuencia de inundacion de 1 vez cada 30 a nos. Esto suele estar por encima de los valoresque manejamos habitualmente. En la norma ademas se indican los procesos de calculo hidraulicoy la sugerencia de emplear un modelo de simulacion aceptado por la autoridad municipal. En elparrafo siguiente a la tabla de referencia anterior, se introduce una frase que permite al utilizar elmodelo de simulacion mencionado anteriormente,. . . garantizar un nivel adecuado de proteccioncontra la inundacion en lugares especialmente sensibles. . . . La traduccion a nivel llano de estafrase es que permite a las administraciones municipales rebajar los niveles de proteccion de latablaanterior, peroobligaajusticaralamunicipalidadqueadopteestecriterio, cual eselnivel de proteccion adecuado y por que considera que ese es el nivel adecuado con preferencia alindicado en la norma.Estehechoestaprovocandounaseriededoloresdecabezaenlasciudadeseuropeaspreo-cupadasporestostemas, yensusresponsablesdealcantarillado. Enlosproximosa nosnosveremos obligados todos a revisar nuestros criterios de dise no y a evaluar las consecuencias deeste cambio.4.4. NormativaalemanaATV-118Delasreferenciasdenormastecnicasdepaseseuropeos, quizaslamasinteresantesealaATV 118, Dise no Hidraulico y Simulacion del Comportamiento de Redes de Alcantarillado, deusoenAlemaniaypasesdeinuenciagermana. DesalidalanormaATVplanteaunciertoconicto con la nueva EN-752 pues la primera considera las frecuencias de inundacion como uncriterioinapropiadomientrasquepreereutilizarlasfrecuenciasdeentradaencargadelared. La norma germana sugiere el empleo de una lluvia de proyecto o una serie de precipitacioneshistoricas de unos 30 a nos. A pesar de considerarlo inadecuado, contiene una tabla que indicalas frecuencias de inundacion admisibles.Tabla 3: Frecuencias de inundacion sugeridas en la ATV - 118Zona de estudio Frecuencia de inundacionArea rural 1 a noAreas de edicacion moderada 2 a nosCentros urbanos 3 a nosMetro - pasos subterraneos 5 a nos24 Tema2Los valores son muy diferentes de los de la EN752 y supondran un problema de adaptacionen el pas, de acuerdo con las opiniones formuladas por expertos alemanes.4.5. Criteriodedise noutilizadoenEspa naNoexisteunalegislacionanivel nacional sobreel periododeretornoaconsiderareneldise no de la red de alcantarillado. Revisando los valores mas habituales encontrados en diferentesciudades espa nolas, encontramos que el valor de 10 a nos es el mas habitual. Alguna consideravaloresde25a nosouncriteriodeexigenciaqueciertaszonasdelaciudad, denidascomoestrategicas en caso de inundacion, tengan un nivel de seguridad mayor como por ejemplo vasde emergencia o de evacuacion o acceso de servicios de urgencia, a las que se va a exigir periodosde retorno de 50 a nos.5. Criterio de homogeneidaddel periodo de retorno. CuencaurbanaycuencadecabeceraEs frecuente que el estudio de la red de una poblacion contemple zonas mas conictivas queotrasozonasdondelaorografaolaocupacionensuperciedicultelaaplicaciondealg untipodesolucion. Enesascondiciones, puededarseel casodequealg untecnicocaigaenlatentacion de, para no complicarse la vida en alguna zona de la ciudad, aceptar alguna solucionmas sencilla y ademas con un periodo de retorno menor. Esto es una situacion que debe evitarseencarecidamente.Unaredconun ndicederendimientonohomogeneotendraentoncesunaseriedepuntosdebilesporlosqueencasodeproblemas, seiniciaralainundacion. Debetendersehaciaunobjetivodeniveldeseguridadlomashomogeneoposible,paraquedeesamaneraencasodeinundacion, esta se produzca no de manera concentrada sino de manera repartida. De este modopodemos entender tambien que los da nos en vez de estar concentrados se hallaran mucho masrepartidos. Afectaranaunamayorsuperciedelaciudadperoesosda nosseranenterminosabsolutosmuchomenosimportantes. Noesaceptableeseespectaculodepoblacionesconlasplantas bajasinundadasenlos barrios de zonasconbaja pendienteporfalta decapacidad dedesag ue de la red, mientras que otros barrios de zonas con mayor pendiente tienen un nivel deseguridadmasaltoconunacapacidaddedesag uecombinadaentrelaredenterradayelujosupercial por las calles.Sin entrar en contradiccion con lo anterior, algunas poblaciones empiezan a exigir un nivelde seguridad mas alto en algunas zonas, pero no con ning un criterio de exclusion. Se trata deexigir que por ejemplo ciertos ejes de circulacion viaria tengan un nivel de seguridad mayor, porejemplo de periodo de retorno de 50 a nos, con el objetivo de que esas vas puedan ser utilizadaspor los servicios de emergencia, bomberos, polica, proteccion civil, servicios medicos, etc. en casodenecesidad. Seaseguranunosejesdeevacuacionoaccesoencasodenecesidad, demaneraque a un con problemas en parte de la ciudad, esas vas pueden permitir acceder con prontitudy mitigar los efectos de las inundaciones.Elecciondelniveldeseguridaddelsistemadedrenaje 25 Cuenca urbana Cuenca de cabecera Figura 2: Cuencas urbanas y cuencas de cabeceraEn ocasiones las poblaciones presentan en la zona aguas arriba de la poblacion una cuencade cabecera, con una cubierta natural. Ademas esa cuenca desagua en la ciudad y su desag uese integra en la red de alcantarillado. Pero a veces, cuando la cuenca es mas grande, el caudaltambiencreceysepreereestableceruncauceespeccoparasudesag ue. Enestecasolosperiodos de retorno de la cuenca de cabecera y de la poblacion pueden ser diferentes. Se sueledimensionar la capacidad del cauce especial para el caudal de periodo de retorno T

a nos, con lasupercie de la cuenca de cabecera, sin considerar la supercie de la ciudad. La red de drenajede la poblacion se calcula para el periodo de retorno T, en general inferior.Aveces seproponecalcular las dimensiones deesecauceespecial dedesag uederos orierasconsiderandolasuperciedelacuencadecabeceramaslasuperciedelaciudad.Esoproporcionauncaudalmayoryunmayorniveldeseguridaddelelementodedesag ue,peroalavezestamosconsiderandoqueel aguaquecaeenlaciudadacabarallegandoal caucededesag ue. Eso a veces no es as pues el agua circula por la supercie de la ciudad y por las callessinnecesidaddellegaralcaucedelro.Sepuededarlaparadojadequedise namosuncaucepara un caudal que a lo mejor no llega. Se suele indicar en muchos proyectos que si se supera lacapacidad de desag ue de la red, el agua en supercie alcanza el cauce. Pero no siempre podemosgarantizar que ello sea as pues la topografa supercial de la ciudad puede facilitar que el aguase dirija hacia aguas abajo o no alcance el cauce en la zona urbana.Peroinclusosepuededarotracircunstanciamascuriosa:aceptamosqueelagualleguealcauce de desag ue y por eso dimensionamos ese cauce con una capacidad de desag ue suciente,pero no comprobamos en absoluto los efectos que puede producir en la ciudad. Esta situacionnal puede ser francamente chocante: el agua llega al cauce de desag ue que esta dise nado paratransportarlasinproblemas,peroantes,enlaciudadhaproducidounaseriedeinundacionesy da nos que no hemos evaluado. En este caso el procedimiento propuesto sera dimensionar elcauce de evacuacion con periodo de retorno T

y evaluar el comportamiento de la ciudad para26 Tema2los caudales de ese mismo periodo de retorno. No quiere decir que necesariamente se propugneeldise nodelareddealcantarilladoparaeseperiododeretornodeT

a nos,queseguramentesera superior a los 10 o 50 a nos, pero s se sugiere que se analice al menos el efecto que tienensobre la ciudad esas aguas que discurren en supercie, y que como mnimo se sepa que pasara,quecallespresentaranlosnivelesmaximosdeaguayenbaseaesopodertomardecisiones,biendeactuacionensupercieobienadecuandolasuperciedelaciudadaesas posiblescircunstancias. Losperiodosderetornoaconsiderarencadacasodeberanserfunciondelostama nos relativos de las cuencas urbana y de cabecera.6. Periodo de retorno de dise no para cuencas urbanas vertiendoacauces.CondiciondecontornoaconsiderarLa red de drenaje de pluviales tiene su periodo de retorno de dise no, acorde con los criteriosexpuestos anteriormente. Sin embargo la red desagua al nal en un cauce natural y en el calculohidraulico del tramo nal debe considerarse como condicion de contorno el posible nivel de aguaque exista en el cauce. La cuenca asociada al cauce suele ser de mayores dimensiones que la zonaurbana que drena a traves del colector por lo que el suceso de lluvia que se produce en la ciudadnotienelamismaimportanciaaniveldecuenca.Apareceladudadequeniveldeaguaenelcauce hay que utilizar como condicion de contorno en el calculo del colector.Tabla 4: Periodos de retorno a en obras de drenaje vertiendo a cauces entre 2 y 5 a nosPeriododeretornoaconsiderarensucesosconcurrentesPeriodo de retorno 2 a nos Periodo de retorno 5 a nosRelacion de areas Cauce principal Colector Cauce principal colector10000/1 1 2 1 52 1 5 11000/1 1 2 2 52 1 5 2100/1 2 2 2 52 2 5 510/1 2 2 5 52 2 5 51/1 2 2 5 52 2 5 5Esta pregunta se puede reformular en el sentido de que periodo de retorno debera conside-rarse en el cauce, con su caudal asociado correspondiente, en el dise no del conducto. En principiolos sucesos que producen caudales importantes en la cuenca uvial y la cuenca urbana se puedenconsiderar sucesos independientes, cuando la diferencia de tama no entre cuencas es grande. Porotro lado, si la cuenca urbana es muy peque na y el suceso de lluvia act ua de manera uniformeElecciondelniveldeseguridaddelsistemadedrenaje 27en todo el territorio, difcilmente se produciran en el mismo momento las puntas de caudal en elcauce y en el colector de desag ue. Ello se debe a los diferentes tiempos de respuesta hidrologicade las cuencas.Cuanticarestehechoesuntemacomplejo. Laocurrenciasimultaneadedossucesosin-dependientessedenecomoelproductodelaprobabilidaddeocurrenciadecadaunodelossucesos. En otras palabras, si los sucesos son independientes, la probabilidad de ocurrencia deun suceso de periodo de retorno de 5 a nos en la zona urbana y en la cuenca uvial mas grandees de 0.2 x 0.2 = 0.04, es decir de 25 a nos de periodo de retorno.En circunstancias normales, los sucesos de lluvia en la cuenca grande y peque na no son deltodo independientes, por lo que no sera aceptable considerar que por un colector viene el caudalmaximo asociado al suceso de lluvia de dise no, y por el ro el nivel esta en condiciones de aguasbajas. En el caso de vertidos a un cauce, el US Army Corps of Engineers y otros Departamentosnorteamericanos sugieren el uso de las siguientes tablas 4 a 6. De acuerdo con la relacion entresuperciedelacuencauvial ydelacuencaurbanasesugierenunosperiodosderetornodedise no de la red de drenaje y unos periodos de retorno del caudal existente en el ro en la zonade desag ue de la red y viceversa. Estos datos proceden del Cuerpo de Ingenieros del Ejercito delos EE.UU. y del Departamento de Transportes (US. Dep. of Transportation, 1996)Tabla 5: Periodos de retorno a en obras de drenaje vertiendo a cauces entre 10 y 25 a nosPeriododeretornoaconsiderarensucesosconcurrentesPeriodo de retorno 10 a nos Periodo de retorno 25 a nosRelacion de areas Cauce principal Colector Cauce principal colector10000/1 1 10 2 2510 1 25 21000/1 2 10 5 2510 2 25 5100/1 5 10 10 2510 5 25 1010/1 10 10 10 2510 10 25 101/1 10 10 25 2510 10 25 25A la vista de estas recomendaciones podemos plantear un caso de una cuenca urbana con unasupercie de 15 Km2y una cuenca de cabecera de 150 Km2que aporta a un ro que atraviesa lapoblacion. Si dise namos el cauce principal del ro en nuestra poblacion para periodo de retornode 50 a nos, como las dos cuencas presentan una relacion de areas del orden de 10, esto suponeque entre la red de drenaje y las calles ha de llegar al cauce del ro un caudal producido por unalluvia de periodo de retorno de 25 a nos en la zona urbana. Deberamos considerar por tanto enel dise no de la red de drenaje de la ciudad el analisis con periodo de retorno de 25 a nos (tabla6).28 Tema2Trabajar conperiodos deretornomas peque nos puedeser peligrosoeincoherente. Esteanalisis debe considerar la aportacion desde la ciudad al ro de esos caudales, que pueden llegarbien a traves exclusivamente de la red de drenaje (dise no de red para periodo de retorno 25 a nos)odemaneraconjuntared/calles.Eneste ultimocaso,debemosvericarelcomportamientode la supercie de la ciudad para esos caudales de dise no, los niveles de agua alcanzados y losposiblesriesgosasociadosaeseujoenlacalle.Parael dise nodelareddealcantarilladodeperiodo de retorno 25 a nos o del nivel que se je, se tomaran como niveles en el ro a la salidadelared, actuandocomocondiciondecontorno, uncaladoenel caucecorrespondienteauncaudal en el ro de periodo de retorno 10 a nos (tabla 5).Tabla 6: Periodos de retorno en obras de drenaje vertiendo a cauces entre 50 y 100 a nosPeriododeretornoaconsiderarensucesosconcurrentesPeriodo de retorno 50 a nos Periodo de retorno 100 a nosRelacion de areas Cauce principal Colector Cauce principal colector10000/1 2 50 2 10050 2 100 21000/1 5 50 10 10050 5 100 50100/1 10 50 25 10050 10 100 2510/1 25 50 50 10050 25 100 501/1 50 50 100 10050 50 100 100Si la cuenca de cabecera fuera de 15000 Km2, la relacion de areas sera de 1000, y los sucesosde lluvia seran menos coincidentes en las dos cuencas. Cuando se dise na el encauzamiento delro para periodo de retorno de 50 a nos, se asume concurrente con el caudal maximo en el ro unaaportacion desde la red de un caudal de periodo de retorno de 5 a nos (tabla 6). Esto no quieredecir que la red de alcantarillado este dise nada para 5 a nos, sino para el nivel de seguridad quejemos, por ejemplo para 10 a nos. Tan solo nos indica que a la hora de dise nar el encauzamientodel ro tenemos que considerar unos niveles de agua en la red con ese periodo de retorno ya quedadas las diferencias de area entre cuencas los picos de caudal en el ro y a la salida de la red dealcantarillado es poco probable que coincidan. En el dise no de la red de alcantarillado, si estaes de 10 a nos de periodo de retorno, los niveles de agua en el ro seran los correspondientes a uncaudal de periodo de retorno de 2 a nos (tabla 5).Igualmente, a la hora de calcular los niveles de agua en la red de alcantarillado con caudalesde periodo de retorno 10 a nos, el nivel de agua en el ro que actuara como condicion de contornodebera ser el correspondiente a un caudal en el ro de periodo de retorno 2 a nos.Elecciondelniveldeseguridaddelsistemadedrenaje 297. Criterios globales de dise no a considerar enel sistema dedrenajedeunapoblacionSehanmencionadodiferentes aspectos relativos al dise nodelareddedrenaje. Perolaseguridadanteinundacionesdeunaciudadesalgomasqueel funcionamientodeunareddedrenaje. Durante mucho tiempo la atencion se ha centrado exclusivamente en este aspecto. Y enocasiones con situaciones algo contradictorias como se ha apuntado anteriormente en el dise nocombinado de redes de alcantarillado y cauces uviales en zona urbana.El sistema de drenaje de una poblacionesta compuesto en principio por la red de drenajeenterradayporlaredsupercial formadaporlascallesdelaciudad. Estos ultimossonlosprimeroselementosdecirculaciondecaudal yademassonlosqueestanencontactoconelciudadano. Los primeros problemas deinundacionsedetectanenlas calles ypuedendarseaveces nopor faltadecapacidaddelaredsinopor problemas derivados delacirculaciondesordenada de caudales en la supercie de la poblacion o mala captacion. Parece por tanto queestehechodeberaconsiderarsealahoradejarcriteriosdedise noenel sistemadedrenajeglobal.La conexion entre ambos elementos del sistema se realiza a traves de los elementos de cap-tacion (rejas o sumideros) que limitan los caudales en la calle y ademas los introducen en la red.Estesistemadebedise narsedemaneracombinadaconlosanteriores,yconuncriteriodoble:evitarqueloscaudalesdecirculacioncrezcandemaneradescontrolada, enel sentidodequepuedan llegar a ser elevados y supongan un riesgo para los peatones o conductores, y por otroel introducir el agua en la red.Sisejaunperiododeretornodedise no,de10a nosporejemplo,estecriteriodecalculose ha referido siempre al de los conductos de evacuacion que tenemos que ubicar. Pero debemosresaltar, otra vez, que el centrar exclusivamente este criterio en la red es una vision sesgada y enabsoluto global del problema. Como hemos indicado anteriormente, este criterio debe extenderseal analisis del funcionamiento de tres subsistemas:Analisis de la escorrenta en las calles y en el resto de la supercie de la ciudadAnalisis del sistema de recogida (rejas y sumideros)Analisis de capacidad de la red de alcantarilladoEn el primer apartado debemos evaluar como funciona nuestra ciudad en un da de lluvia. Suponeanalizar el comportamiento hidrologico e hidraulico de la zona urbana incluyendo la red de callesy de los caudales que circulan por ella. Este analisis debe hacerse combinado con el sistema decaptacion, lasrejasosumiderosexistentesenlasuperciedelaciudad, paradeterminarlaeciencia de recogida de ese sistema y denir los caudales realmente captados hacia la red y loscaudales existentes en la supercie de la ciudad. Este analisis se debera hacer prioritariamenteen cualquier ciudad, sin suponer como se hace hasta ahora que el agua de lluvia acabe entrandoen la red. El agua primero circula por la ciudad y va entrando en la red en la medida que existenelementos de captacion sucientes. Si no es as, el agua circula de manera libre en la superciede la ciudad debiendo valorarse los problemas que estos ujos puedan producir.30 Tema2El otroresultadodeesteprimer analisises, comosehaindicado, loscaudalescaptadospor el sistema de captacion e introducidos en la red. Es muy importante reexionar sobre estehecho: ese resultado es el esquema de caudales con que realmente debe calcularse la red. En laactualidad estamos asumiendo que el agua de escorrenta entra en la red y ademas en los sitiosque nosotros decimos.Pero puede ser en muchos casos una ilusion y la realidad ser mas dura de aceptar: el agua nohace lo que nosotros queremos sino lo que el sistema de drenaje le permite, circular en supercieyentrarenlaredunapartedeella. Esteanalisisnoseharealizadohastaahorademanerasistematica, con lo cual estamos incurriendo en una serie de errores cuyas consecuencias a vecessorprendeninclusoalostecnicosmunicipales. Comoesposiblequetengamosinundacionescuando se acaba de construir una red de alcantarillado nueva, y calculada con las herramientasmas modernas? Pues porque no hemos considerado el problema de manera global sino parcial,eliminando los dos primeros pasos del proceso de dise no y centrandonos solo en el tercero.Pero ese analisis para periodos de retorno bajos no debe ser el unico a realizar. Es necesarioqueestudiemosquepasaennuestrasciudadesencasodelluviasmasintensas. Estaremosdeacuerdoenmantenerunnivel dedise noparanuestrasredesdedrenajeenel entornodelos10 a nos, pero quizas sugiriendo una revision al alza. Pero tambien hemos de conocer que pasaante lluvias de periodo de retorno muy superior. A este respecto deberamos tener en cuenta loscriterios establecidos en otros pases como dise nar la red para una tormenta menor, del ordende 10 a nos por ejemplo, y comprobar el comportamiento para otra tormenta mayor, del ordende los 100 a nos por ejemplo. Para esas tormentas mayores hemos de considerar como sistema dedrenaje tanto el subterraneo (red de drenaje) como el supercial (las calles) y evaluar el estadode los niveles de agua y las velocidades alcanzadas en supercie, valorando los riesgos asociadosa esos valores.8. ResumenyconclusionesEnestetemasehandiscutidoalgunosdelosenfoquesparadeterminarelniveldeseguri-dad adecuado en nuestras ciudades ante tormentas. Debemos propugnar un enfoque global delasoluciondel problemademanerasistematica, analizandoprimeroel comportamientodelasuperciedenuestrasciudadesentiempodelluviaydespueseldimensionadodenuestrareddealcantarilladoparaloscaudalesqueestamosencondicionesdecaptar.Ademas,considerarsolo el analisis para periodos de retorno bajos supone no valorar adecuadamente la situacion denuestras ciudades ante la lluvia. Debemos introducir conceptos nuevos como el de dise no a dosniveles, uno para tormentas menores en base a la que tras evaluar la respuesta de la ciudaddise namosexclusivamentelaredenterrada, yotroparatormentasmayoresenlosquecon-sideramos el comportamiento tanto de la red enterrada como de la ciudad para tormentas conperiodos de retorno mas altos. Solo as podremos garantizar un buen funcionamiento de nuestraspoblaciones ante la presencia de lluvias intensas a la vez que entendemos mejor los problemasderivados de la presencia del agua en la ciudad.Elecciondelniveldeseguridaddelsistemadedrenaje 319. ReferenciasATV-A118-E.(1998). Standards for the Hydraulic Calculations of wastewater, Stormwaterand Combined wastewater Sewers.Butler,D.,Davies,J.(2004) Urban Drainage. Spon Press. Londres.ClarkCounty(1999). Hydrologic Criteria and Drainage Design Manual.http://www.ccrfcd.org/drainagestandards.htmEN-752 (1997). CEN. Norma europea. Reseaux devacuation et dassainissement ` a lexterieurdes batiments. Partie 4. Conception hydraulique et considerations liees ` a lenvironnement.Fleming,G.(2002). Flood Risk Management. Thomas Telford. Londres.Hauger, M.B., Rauch, W., Linde, J.J., Mikkelsen, P.S. (2002) Cost benet risk. A con-cept for management of integrated urban wastewater systems?. Water Science and Technology.Vol 45. n. 3. pp. 1185-193.NewYorkState(2001). Stormwater Management Design Manual New York Statehttp://www.dec.state.ny.us/website/dow/swmanual/swmanual.htmlOttawa (1986). - Design Manual for Sewer Hydraulics - March 1980, Revised March 1986. Cityof Ottawa.Szollosi-Nagy,A., Zevenbergen, C. (2004). Urban Flood Management. Taylor and Francis.Londres.TDOT(2002). Hydraulic Design Manual. Texas Dep. of Transportation.http://www.dot.state.tx.usUS Dep, of Transportation (1996). Urban Drainage Design Manual. Hydraulic EngineeringCircular no22. PB97-134308. Washington D.C.VDOT(2002). Drainage Manual. Virginia Dep. of Transportation.http://www.extranet.vdot.state.va.us/locdes INFORMACIONDELLUVIAAUTILIZAR.LLUVIADEPROYECTOManuelGomezValentnGrupdeRecercaFLUMENDep.deIngenieraHidraulica,MartimayAmbiental.UPC.E.T.S.IngenierosdeCaminos,CanalesyPuertosJordiGirona1-3.D-1.08034BARCELONA1. Datosdelluvia1.1. EfectosdeescalaenlosestudiosdetipohidrologicoenzonaurbanaEl estudio hidrologico de cuencas urbanas presenta una serie de particularidades derivadasdel hechourbano. Enprimerlugar, lasdimensionesdelascuencassonmuchomaspeque nasquelascorrespondientesalosros.Mientrasqueenelestudiohidrologicohabitualdeunro,la unidad de medida de la cuenca suele ser el Km2, con supercies totales de decenas, cientoso incluso miles de kilometros cuadrados, en zona urbana la unidad de medida es la Hectarea, osea 100 veces menos que 1 Km2.Este trabajo a escala reducida hace que todos los demas elementos del estudio queden afec-tados por un factor de escala. No encontraremos caudales de miles o cientos de metros c ubicospor segundo sino del orden de pocos metros c ubicos por segundo en general. Pero el hecho massignicativo es la reduccion de la escala de tiempo en todos los procesos hidrologicos en mediourbano. Los tiempos de concentracion se mediran en minutos (no en horas ni das) y por estarazon, la cuenca urbana sera sensible a efectos de lluvias muy intensas y que duren pocos mi-nutos. Un suceso de lluvia muy intensa y de duracion 15 minutos, que act ue sobre una peque nasupercie (pocas Hectareas) tendra una repercusion indudable en el caudal punta a la salida dela cuenca. pero si la supercie total de la misma es de decenas o cientos de Km2, esa inuenciaquedara muy limitada, al difuminarse entre los efectos globales de una gran cuenca.Otra consecuencia de este hecho es que en los estudios de hidrologa urbana el intervalo detiempo en que debemos disponer de informacion de lluvia es mucho mas peque no que el habitualen los estudios hidrologicos de cauces naturales. Los intervalos de tiempo de media hora o unahora, habituales en el estudio hidrologico de una cuenca uvial no son admisibles en general enzona urbana. Deberemos operar con pasos de tiempo de 5 a 10 minutos, como norma general, oincluso menores seg un el tama no de la cuenca. Esto supone una informacion muy detallada dela evolucion de la lluvia en el tiempo3334 Tema3Este nivel de detalle en la informacion puede suponer un problema ya que no siempre esta dis-ponible, al carecer o bien de observatorios meteorologicos, o por falta de equipamiento de estoscon un pluviometro de intensidad. La informacion de lluvia cada en 24 horas que es la mas ha-bitualmente registrada, puede ser por s sola muy poco util a nivel de estudios en zona urbana.Pero hay que indicar tambien que en ocasiones ciertos observatorios que registran la lluvia conun detalle importante, por estar mas habituados sus operarios al registro de la lluvia en 24 horas,acumulanalnaldeldalosdatosdelregistro,perdiendoseirremisiblementeunainformacionpreciosa que es imposible recuperar.2. Analisisdedatosdelluvia2.1. Enfoquesdelestudioseg unelniveldeinformaciondisponibleSi consideramos la cuenca hidrologica objeto de estudio como un sistema dinamico, el procesoque se produce en ella desde el enfoque de la dinamica de sistemas sera la accion de una se nal deentrada, la lluvia, que sufre una modicacion debida a las caractersticas de la cuenca, procesolluviaescorrenta, para transformarse en una se nal de salida como es el caudal. CUENCA PRECIPITACIN I (t) CAUDAL Q (t) Figura 1: Esquema representando el comportamiento hidrologico de una cuencaLaprimerainformacionose naldeentradaenel ciclohidrologicodebeserportantolainformacionrelativaalalluvia. Estadeberaprocederdemedidasrealesdeeventosdelluviaregistradossobrelacuencaobjetodeestudioo, ensudefecto, enzonasinmediatas. Cuandoestamosinteresadosenestudiosdedimensionamientoocomprobaciondelasituaciondeunacuencaountramodecauceconcretoantelluviasextremas,estamoshablandodeestudiosdesucesos de lluvias aislados. Para este tipo de analisis se pueden emplear tres tipos de informacionpluviometrica:1. Lluvias historicas registradas y que produjeron serias consecuencias desde el punto de vis-ta de inundacion en la cuenca, y que dejaron ademas secuelas en la memoria historica dela poblacion. Se tratara de un proceso de dise no de una infraestructura (encauzamiento,etc) cuyo objetivo nal es que si se volviera a dar una precipitacion igual a la que se regis-tro ese da, no se produjeran inundaciones. Este criterio no esta basado en consideracionesestadsticasderiesgo, sinoqueseasociaaunsucesoconcreto. Esfacilmenteexplicablealapoblacion, einclusosepuedeilustrarcondocumentaciondelosefectosproducidospor la inundacion historica, indicando que esos da nos ya no se produciran con las nuevasactuaciones.Informaciondelluviaautilizar.Lluviadeproyecto 352. Seriestemporalesdelluvias, registradasenobservatoriosdentrodelazonadeestudio,oinclusoseries sinteticas generadas apartir demetodos estadsticos. Conestos datosdelluvia, aplicaremosunmodelodetransformacionlluviaescorrentayas seobtienenlos diferentes hidrogramas de caudal, sobre los que se realiza un analisis estadstico paradeterminar el valor del ujo asociado a un periodo de retorno determinado. Otra manerade utilizar estos datos sera establecer un analisis de comportamiento de la cuenca no enel dominiodelaprobabilidaddeinundacionsinoenel defrecuenciadeinundacion. Siasumimosquelosdatosdelluviaregistradossonrepresentativosdelaprecipitacionenlacuenca, yaceptamosqueenel futuroseguiralloviendocomohastaahora, podemosrealizarlosestudioshidrologicosehidraulicosparacomprobarel comportamientodelainfraestructura a dise nar. Si por ejemplo, tenemos datos de lluvia de 20 a nos, digamos unos1200 sucesos de lluvia por ejemplo, lo que supone una media de 60 sucesos de lluvia al a no,tenemos que realizar los 1200 estudios de transformacion lluvia - caudal, y los 1200 calculoshidraulicos asociados. Podemos evaluar cuantas veces se supera la capacidad de desag uedelaobrahidraulica, enuncierton umerodea nos. Esteenfoquedacomoresultadoelpoder decir que la obra dise nada se vera superada un n umero X de veces en N a nos (igualalosquetenemosdatos). Nosetratadening unconceptoestadstico, ni deperiododeretorno. Setratadeunanalisisdefrecuenciadeinundacion. El inconvenientequetieneeste procedimiento es que no solemos tener series temporales muy largas, sino que tan solodisponemosdeseriesde20,30a nos(algunoscasosexcepcionalescomolospluviometrosdeBarcelonaoValencia,puedenllegara50omasa nos).Cuandotenemosunresultadocomoporejemplo, quenoseinundanuncaenlos20a nosderegistro, quepasaraconesa obra en un periodo de 30 a nos, o de 100? Si dispusieramos de 100 a nos de registros,podramos realizar este proceso hasta ese nivel de informacion. Pero en general, ya hemosdicho que suelen ser como maximo de 20 a nos o menos la longitud de esos registros. Esteprocedimiento sera adecuado para aquellas obras que suelan tener un periodo de retornode dise no bajo, del orden de 10 a 20 a nos, cosa por ejemplo frecuente en infraestructurasurbanas.3. Lluviasdeproyecto, obtenidasapartirdeinformacionglobalizadaenformadecurvasIntensidadDuracionFrecuencia. Podemos denir a esta lluvia de proyecto como una lluviatipo, o lluvia sintetica que se puede asociar a un cierto periodo de retorno, y se admite (apesar de que no sea estrictamente cierto) que el caudal de escorrenta calculado a partir deesta lluvia de proyecto tiene el mismo periodo de retorno. Esta idea introduce un conceptode seguridad/riesgo, al asociar una nocion de periodo de retorno al hietograma de lluvia autilizar, y por ende al caudal de dise no.3. Datosdeseriestemporales.AnalisisdecalidaddelainformacionLos datos de informacion pluviometrica corresponden a registros de lluvia cada en diferentesduraciones. Tenemos datos cada 24 h, 12 h, 1 h, 5 minutos, etc. Cuando recibimos la informacionquehaproporcionadoel ServicioMeteorologicohemosderealizarunaseriedeprocesosparavericar la calidad de la informacion que vamos a manejar. En general, los Servicios Meteorologi-cos se dedican a la recoleccion de datos, pero no necesariamente realizan los test de calidad para36 Tema3vericarquelainformacionqueentreganescorrecta. Hayinnumerablesfuentesdeerror: detranscripcion, perdidas de informacion, etc. Hay que realizar una serie de analisis como:1. Estacionariedad. Si tengo una serie temporal de por ejemplo 45 a nos, sera bueno analizarsubintervalosdetiempode20a25a nos,conunciertosolapeentreellos.Evaluadoslosvalores medios y las varianzas de estas subseries temporales, no deberan diferenciarse entreellas en mas de un 15 %. Si se supera ese valor, quiere decir que ha habido cambios en lascondiciones de medida, etc, que obligan a analizar con mas detalle la serie para corregir eseproblema. Este analisis parte del principio de que las condiciones meteorologicas no se hanmodicado en el tiempo y que por tanto, salvo ciclos locales de sequas o precipitacionesintensas, el clima no se ha modicado sustancialmente sobre todo en las pocas decenas dea nos de los que tenemos registros.2. Homogeneidad. Cuandorealizamos unanalisis estadsticopor ejemplodeextremos, esconvenientecomprobar quelapoblaciondedatos quemanejamosseahomogeneades-deel puntodevistaestadstico. Debenrealizarselostestsdehipotesisqueempleamoscom unmente como el test Chi cuadrado, o el Kolmogorov - Smirnov.3. Consistencia.Losdatosdelaserietemporalquemanejamosdebenpresentarloquede-nominamos consistencia: las condiciones de medida de los datos de lluvia deberan ser lasmismasynovariaralolargodeltiempo.Cuandosedisponedeunaseriedeestacionesmeteorologicas en una region climatologicamente homogenea, donde el regimen de lluviases unico, esposiblerealizarunanalisisconel ndevericarlaconsistenciadelaseriededatospluviometricosendichasestaciones.Lascausasdeunafaltadeconsistenciaenlosdatosdeunaestacionduranteunperiodopuedensermuyvariadas: cambiosenlascondiciones del aparato registrador, cambios en el procedimiento de observacion, cambiode emplazamiento de la estacion, etc. El metodo utilizado para vericar dicha consistenciaes el analisis de curvas de doble masa. Consiste en construir una curva doble acumulativa,enlacualsonrelacionadoslostotalesanualesacumuladosdeunadeterminadaestacioncon la media acumulada de los totales anuales de todas las estaciones del area, consideradahomogeneadesdeelpunto devista dedatos.Vamosa ponerunejemplode5estacionesenel areadelaciudaddePamplona. Ennuestrocasoseconsideranhomogeneaslas5estaciones de las que se disponen datos, Pamplona, Otazu, Irotz, Ilundain y Noain, y quepresentan simultaneidad de registros a partir del a no 1981.Cuanto mayor n umero de estaciones se disponga, la media acumulada de los totales anualessera menossensiblea lafalta deconsistenciadelosdatosde algunadeellas,conlo queelanalisisesmasable.Silaseriededatosdeunadeterminadaestacionesconsistentedurante un determinado periodo, la curva de doble masa en dicho periodo, debe presentaruna pendiente constante. En caso contrario, es decir si a partir de un determinado puntode la curva se produce un cambio de pendiente (ver gura 2) nos indica que comienza unperiodocondatosnoconsistentes, habiendoseproducidoalg uncambioqueafectaalosdatos de medida.El analisis de doble masa acumulada realizado para las estaciones de la comarca de Pam-plonanosindicaquelosdatosdelaestaciondePamplona(vergura3)presentanuncomportamiento correcto, mientras que otras estaciones, como por ejemplo la de Irotz (vergura 4), presentan cambios de pendiente que sugieren una falta de consistencia en la serie.Puesto que el periodo de simultaneidad de registros (1981-1993) es muy corto, el analisisInformaciondelluviaautilizar.Lluviadeproyecto 37 Y X S2 S1 Figura 2: Curva de doble masa acumulada.realizado no es del todo concluyente para decidir que series de datos son las mas adecuadasenlaobtenciondeunhietogramadedise no,peroilustralasdiferenciasentreestacionesde medida.4. Adecuacion. Aunque aparezca al nal, debe ser una de las primeras cosas que analicemos.Nos referimos en concreto a la duracion de la serie. Para cualquier analisis sera deseabledisponer de datos de un mnimo de 25 a 30 a nos. Esto no se puede improvisar y los datossonlosqueson. Detodosmodos, si enel observatorioquenosinteresa, laduracionesmenor por ejemplo de 18 a 20 a nos, podramos comparar algunos estadsticos de esa seriemas corta frente a otra serie mas larga de un observatorio cercano y que tenga las mismascondicionesmeteorologicas(porejemploquenoestenseparadospormonta naselevadas,que esten a menos de 100 Km, etc). En ese caso podramos analizar los cocientes entre lasmedias de las dos series, as como el cociente de varianzas y deberan ser en ambos casossimilares a 1.4. ProcedimientosparacompletarseriestemporalesEsposiblequeennuestroestudiohidrologicomanejemosdatosdevariosobservatorios. Yseguroquecuandoanalicemoslainformaciondetodoselloshabraa nos, mesesodasenlosquetendremosdatosdeunosobservatoriosydeotrosno.Esconvenientequetengamosdatostodoslosdas,horas,etc.entodoslosobs