Efecto real de las diferentes estructuras SUDS sobre los hidrogrmas de salida

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PROYECTO DE GRADO

EFECTO REAL DE LAS DIFERENTES TÉCNICAS Y ESTRUCTURAS SUDS

SOBRE LOS HIDROGRAMAS DE SALIDA DE SISTEMAS DE DRENAJE

URBANO

Juliana Robles Rivera

Asesor: Juan G. Saldarriaga Valderrama

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C.

2015

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AGRADECIMIENTOS

A Dios,

A mi mamá, mi mejor amiga, y a Nando, por su amor incondicional.

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Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA
“Efecto real de las diferentes técnicas y estructuras SUDS sobre los
hidrogramas de salida de sistemas de drenaje urbano”

Juliana Robles Rivera

Proyecto de grado

TABLA DE CONTENIDO

Introducción ................................................................................................................................ 1

1.1

Objetivos ............................................................................................................................. 2

1.1.1

Objetivo General ......................................................................................................... 2

1.1.2

Objetivos Específicos ................................................................................................... 2

Marco teórico .............................................................................................................................. 3

2.1

Hidrología ............................................................................................................................ 3

2.1.1

Precipitación ................................................................................................................ 4

2.1.2

Infiltración ................................................................................................................... 5

2.1.3

Intercepción ................................................................................................................ 8

2.1.4

Evaporación, Transpiración y Evapotranspiración ...................................................... 8

2.1.5

Escorrentía ................................................................................................................ 11

2.2

Urbanización y cambio climático ...................................................................................... 12

2.2.1

Impactos de la urbanización...................................................................................... 13

2.2.2

Impactos del cambio climático .................................................................................. 17

2.2.3

Impactos de la urbanización y el cambio climático ................................................... 19

2.3

Sistema de drenaje urbano ............................................................................................... 20

2.3.1

Historia ...................................................................................................................... 20

2.3.2

Sistema de drenaje actual ......................................................................................... 22

2.3.3

Visión integral ............................................................................................................ 23

Sistemas de drenaje urbano sostenible (SUDS) ........................................................................ 25

3.1.1

Techos verdes ............................................................................................................ 26

3.1.2

Estructuras de infiltración ......................................................................................... 34

3.1.3

Cuneta verde y Buffer ............................................................................................... 38

3.1.4

Zonas de bioretención ............................................................................................... 45

3.1.5

Árboles ...................................................................................................................... 49

3.1.6

Pavimento poroso ..................................................................................................... 54

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3.1.7

Tanque de almacenamiento ...................................................................................... 61

3.1.8

Cuenca seca de drenaje ............................................................................................. 64

3.1.9

Pondajes húmedos y humedales artificiales ............................................................. 66

3.1.10

Tren de tratamiento .................................................................................................. 70

Conclusiones.............................................................................................................................. 74

Recomendaciones ..................................................................................................................... 76

Agradecimientos ....................................................................................................................... 77

Referencias ................................................................................................................................ 78

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iii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Esquema del ciclo hidrológico. Fuente: Andrade (s.f.). ...................................................................... 4

Figura 2. Capacidad de infiltración de Horton. Fuente: “Hydrology II” (s.f.). ..................................................... 7

Figura 3. Tensión del agua en el suelo. Fuente: Wang (2014). ......................................................................... 11

Figura 4. Hidrograma hipotético para cuerpos de agua urbanos (amarillo) y rurales (verde). Fuente: United

States Environmental Protection Agency, (s.f.). ...................................................................................... 15

Figura 5. Canales de drenaje en la ciudad de Harappa Fuente: “Drainage” (s.f.). ........................................... 21

Figura 6. Cloaca máxima del imperio romano. Fuente: National Geographic (s.f.).......................................... 21

Figura 7. Estructura típica de los techos verdes. Fuente: CIRIA (2015). ........................................................... 27

Figura 8. Estructura típica de una franja infiltrante. Adaptada de: CIRIA (2015). ............................................ 35

Figura 9. Estructura típica de una cuneta seca. Fuente: CIRIA (2015). ............................................................. 39

Figura 10. Estructura típica zona de bioretención. Fuente: CIRIA (2015). ........................................................ 46

Figura 11. Esquema de un sumidero tipo alcorque inundable. Fuente: CIRIA (2015). ..................................... 50

Figura 12. Esquema de un pavimento poroso tipo B. Fuente: CIRIA (2015). ................................................... 55

Figura 13. Esquema de un tanque de almacenamiento. Fuente: CIRIA (2015). ............................................... 62

Figura 14. Esquema de una cuenca seca de drenaje. Fuente: CIRIA (2015). .................................................... 65

Figura 15. Estructura típica de un pondaje húmedo. Fuente: CIRIA (2015). .................................................... 67

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ÍNDICE DE GRÁFICAS

Gráfica 1. Retención mensual de tres techos verdes ubicados en Portland. Tomado de: Spolek (2008). ....... 29

Gráfica 2. Retención porcentual reportada en la literatura en base acumulada (relleno) o por evento (con

trama). ..................................................................................................................................................... 34

Gráfica 3. Reducción por evento del volumen de escorrentía de un buffer. Fuente: Deletic (2001)............... 43

Gráfica 4. Intercepción de seis árboles por evento según la intensidad. Fuente: Asadian y Weiler (2009). ... 52

Gráfica 5. Retención de lluvia para cuatro tipos de pavimento en cuatro eventos de lluvia según la

profundidad. Fuente: Hou et al. (2008). .................................................................................................. 56

Gráfica 6. Retención de lluvia para dos pavimentos según la profundidad. Fuente: Bean et al. (2007). ......... 57

Gráfica 7. Retención porcentual reportada en la literatura con respecto a la lluvia (relleno) o al techo control

(con trama). ............................................................................................................................................. 61

Gráfica 8. Reducción del volumen de escorrentía en un humedal artificial. Fuente: Lenhart y Hunt III (2011).

................................................................................................................................................................. 68

Gráfica 9. Reducción del flujo al pico en un humedal artificial. Fuente: Lenhart y Hunt III (2011). ................. 69

Gráfica 10. Reducción del volumen de escorrentía en un humedal artificial para 10 eventos. Fuente: Al-

rubaei et al. (2014). ................................................................................................................................. 70

Gráfica 11. Reducción del flujo al pico con respecto al drenaje convencional para distintas combinaciones de

SUDS. Fuente: Lashford et al. (2014). ...................................................................................................... 72

Gráfica 12. Retraso del tiempo al pico con respecto al drenaje convencional para distintas combinaciones de

SUDS. Fuente: Lashford et al. (2014). ...................................................................................................... 73

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de los techos verdes en Estados Unidos. ... 29

Tabla 2. Comportamiento de dos techos verdes ubicados en Vancouver. Fuente: Conelly (2005). ................ 31

Tabla 3. . Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de los techos verdes en otros países. ...... 31

Tabla 4. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de las estructuras de infiltración en campo.

................................................................................................................................................................. 36

Tabla 5. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de las zanjas de infiltración con modelos. . 37

Tabla 6. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de las cunetas verdes. ................................ 41

Tabla 7. Desempeño de cunetas verdes en distintos lugares. Fuente: International Stormwater BMP

Database (2010). ...................................................................................................................................... 44

Tabla 8. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de las zonas de bioretención. .................... 47

Tabla 9. Desempeño de varias zonas de bioretención. Fuente: International Stormwater BMP Database

(2010)....................................................................................................................................................... 48

Tabla 10. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de los árboles y sumideros tipo alcorque

inundable. ................................................................................................................................................ 52

Tabla 11. Retención de diferentes estructuras según las características de lluvia. Fuente: Pratt et al. (1995).

................................................................................................................................................................. 58

Tabla 12. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de pavimento poroso............................... 59

Tabla 13. Desempeño de varias cuencas de drenaje. Fuente: International Stormwater BMP Database (2010).

................................................................................................................................................................. 66

Tabla 14. Desempeño anual de tres estructuras diferentes ubicadas en Nashville. Fuente: Brown et al.

(2012)....................................................................................................................................................... 71

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ÍNDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1. Ecuación de Horton ......................................................................................................................... 6

Ecuación 2. Volumen infiltrado acumulado de Horton ...................................................................................... 6

Ecuación 3. Ecuación de Philip........................................................................................................................... 7

Ecuación 4. Volumen infiltrado acumulado de Philip ......................................................................................... 7

Ecuación 5. Ecuación de Darcy ........................................................................................................................... 8

Ecuación 6. Ecuación de Green y Ampt .............................................................................................................. 8

Ecuación 7. Volumen infiltrado acumulado de Green y Ampt ........................................................................... 8

Ecuación 8. Contenido de humedad máximo ..................................................................................................... 8

Ecuación 9.Método de Thornthwaite ................................................................................................................. 9

Ecuación 10. Cálculo del índice calórico ........................................................................................................... 10

Ecuación 11. Cálculo del exponente empírico de Thornthwaite ...................................................................... 10

Ecuación 12. Cálculo del coeficiente de ajuste k

............................................................................................ 10

Ecuación 13. Cálculo de la variable N para el ajuste ........................................................................................ 10

Ecuación 14. Cálculo de la variable δ para el ajuste ......................................................................................... 10

Ecuación 15. Cálculo de la abstracción inicial .................................................................................................. 11

Ecuación 16. Cálculo de la máxima abstracción potencial ............................................................................... 12

Ecuación 17. Estimación del volumen de escorrentía ...................................................................................... 12

Ecuación 18. Ecuación de Hawksley o Bazalgette ........................................................................................... 22

Ecuación 19. Ecuación de Adams ..................................................................................................................... 22

Ecuación 20. Ecuación de McMath ................................................................................................................... 22

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1 INTRODUCCIÓN

El  rápido  crecimiento  poblacional  y  los  procesos  desorganizados  de  urbanización  han  generado,
junto con el fenómeno de calentamiento global, un impacto en el ciclo hidrológico natural del agua.
La reducción de espacios verdes y su conversión a superficies impermeables utilizando materiales
con  poca  capacidad  de  infiltración  y  nula  vegetación  han  aumentado  la  cantidad  de  escorrentía
generada en los centros urbanos. Por esto, un inadecuado diseño y mantenimiento del sistema de
drenaje urbano puede generar fenómenos de inundación con alta frecuencia de ocurrencia según
el esquema de cada ciudad o urbe.  El arrastre de los contaminantes presentes en superficies como
vías ocasiona alta polución en los cuerpos de agua debido a la presencia de compuestos difíciles de
predecir. De esta manera según las características del sistema, la carga contaminante proveniente
de este varía generando cambios en el tratamiento. El aumento de los costos, así como la dificultad
en el proceso, son consecuencias directas de este fenómeno que generan pérdidas para la ciudad y
sus habitantes.

Es por lo anterior que se ha generado de forma creciente un interés en las medidas de mitigación
por el fenómeno de urbanización. Se han desarrollado internacionalmente estructuras y medidas
tanto  estructurales  como  no  estructurales  con  características  especiales  donde  se  fomentan
procesos  de  infiltración  y  evapotranspiración,  permitiendo  así  una  reducción  en  la  cantidad  de
escorrentía generada. En adición a estos servicios, se reducen las cargas contaminantes a partir de
procesos como la sedimentación  y se  aumenta  el tiempo de  retención. En algunos países dichas
estructuras han sido fijadas dentro de las normas de drenaje por lo que el interés en su estudio ha
aumentado de forma importante.

Sin embargo, el tratamiento integral existente en los países que han implementado dichas medidas
varía  de  acuerdo  con  las  necesidades  y  condiciones  características  de  cada  uno.  De  esta  forma
mientras  Australia  cuenta  con  el  Water  Sensitive  Urban  Design  (WSUD)  donde  abarca
abastecimiento de  agua para la población, agua lluvia y residual como un solo sistema, el Reino
Unido  implementa  los  Sustainable  Urban  Drainage  Systems  (SUDS)  enfocados  únicamente  en  la
reducción de escorrentía en superficies impermeables. Lo descrito se evidencia en distintos lugares
donde los sistemas varían dificultando así el proceso investigativo y comparativo.

En el presente proyecto de grado se busca comprender las medidas existentes que permiten reducir
el volumen de escorrentía generada a partir de diferentes eventos de precipitación. Para esto se
tendrán en cuenta las características y limitaciones de cada estructura, además del efecto de las
condiciones climáticas sobre su desempeño. Se iniciará con una presentación del panorama actual
de las estructuras, su historia y generalidades para luego realizar una revisión bibliográfica con
información proveniente de estudios realizados en diferentes países del mundo cuya pregunta de

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investigación concuerda con el presente estudio. Para esto se tendrán en cuenta los resultados de
cada una y se concluirá sobre los efectos reales de los sistemas de drenaje sostenibles en términos
de reducción en la generación de escorrentía.

1.1 Objetivos

A continuación se describen los objetivos del presente proyecto de investigación.

1.1.1 Objetivo General

Determinar a partir de información práctica y teórica el efecto de los sistemas de drenaje urbano
sostenible sobre la reducción en los volúmenes de escorrentía relacionado con la hidrología de la
zona.

1.1.2 Objetivos Específicos

• Determinar la eficiencia de las diferentes estructuras y trenes teniendo en cuenta las

características propias de los casos de estudio y parámetros que garantizan el adecuado
desempeño.

• Relacionar el desempeño de las estructuras SUDS con la hidrología de las zonas de

implementación.

• Evaluar los beneficios obtenidos a partir de la implementación de SUDS.

• Generar un documento que permita contribuir como base académica a los procesos

investigativos que puedan realizarse a partir de este.

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2 MARCO TEÓRICO

2.1 Hidrología

El agua es un recurso invaluable que ejerce funciones como fundamento de la vida, regulador del
clima y modelador del paisaje. Aproximadamente el 70 % de la superficie terrestre del planeta está
cubierta por agua aunque solo el 2.5 % de esta es agua dulce. En adición a esto se conoce que el
70 % del agua dulce disponible es superficial mientras el remanente se encuentra en acuíferos como
agua  subterránea.  La  hidrología  es  la  ciencia  que  estudia  su  ocurrencia,  movimiento,
almacenamiento, propiedades químicas  y físicas, influencia sobre el medio ambiente y relación con
los seres vivos en el planeta tierra. Por esto, se encarga de entender modelos físicos y estocásticos
que permitan estimar la cantidad y calidad del agua en cada una de las etapas del ciclo hidrológico
además de cuantificar los efectos antropológicos sobre los sistemas naturales (Wang, 2014).

El  agua  circula  en  el  planeta  a  través  de  distintos  procesos  desde  la  precipitación  hasta  la
evaporación  hacia  la  atmósfera.  El  ciclo  hidrológico  representa  estas  etapas  que  involucran  el
movimiento permanente debido a la energía proporcionada por el sol y la gravedad terrestre. En la
Figura 1 se presenta un esquema del ciclo hidrológico con sus principales procesos. La evaporación
del  agua  en  los  océanos  genera  vapor  de  agua  que  es  transportado  por  el  viento  hacia  los
continentes donde, bajo condiciones meteorológicas adecuadas, se condensa para formar nubes y
dar origen a las precipitaciones. Parte de esta es evaporada durante su caída e interceptada por la
vegetación. La porción de precipitación que llega al suelo se infiltra en el terreno hasta su máxima
capacidad  y  el  resto  es  transportado  por  la  superficie  en  forma  de  escorrentía.  La  percolación
permite recargar los acuíferos y bajo la influencia de la gravedad el agua subterránea se mueve hacia
las zonas bajas para fluir hacia los océanos (Campos, 1998).

A continuación se describen de manera detallada los procesos más importantes del ciclo
hidrológico.

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Figura 1. Esquema del ciclo hidrológico. Fuente: Andrade (s.f.).

2.1.1 Precipitación

Como resultado de la elevación de las masas de aire húmedo en la atmósfera ocurren los procesos
de enfriamiento y condensación que resultan en la precipitación del vapor de agua en diferentes
formas (Wang, 2014). Para su formación es necesaria la presencia de núcleos de condensación
conformados por pequeñas partículas de varias sustancias como partículas de polvo con un tamaño
aproximado entre 0.1 y 10 μm de diámetro y aerosoles. Estos núcleos consisten, generalmente, en
productos de combustión, óxidos de nitrógeno y partículas de sal (Segerer y Villodas, 2006).

Como afirma Segerer et al. (2006), debido a que las velocidades arriba, abajo y en el interior de las
nubes son altas para sostener los elementos dentro de ellas, después de la nucleación las gotas o
cristales deben crecer a través de un proceso de difusión hasta que tengan un tamaño que permita
que su velocidad de caída sea mayor a la del medio. Además, su tamaño debe permitirles penetrar
el aire no saturado en la base de la nube sin evaporarse. Algunos factores como la diferencia de
tamaño entre las gotas, diferencia de temperatura entre regiones y la coexistencia de dos fases
(gotas y cristales), permiten la formación de gotas en las nubes que posteriormente caerán como
precipitación. El contenido de agua líquida en la nube define la cantidad de precipitación por lo que
se considera que nubes con concentraciones mayores a 4 g/cm

son precipitables.

La precipitación puede clasificarse de varias formas según el tipo de partículas que llegan al suelo.
La lluvia es aquella precipitación de gotas de agua en estado líquido cuyo diámetro es mayor o igual

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a medio milímetro y su velocidad de  caída es superior a dos metros por segundo. Su intensidad
puede ser ligera, moderada o fuerte según la tasa de caída; se considera lluvia moderada a aquella
con intensidad entre 2.5 y 7.5 mm/h, por debajo de 2.5 mm/h es ligera y superior a 7.5 mm/h es
fuerte. De igual manera la llovizna es similar a la lluvia aunque el diámetro de las gotas de agua es
menor.  Otras  de  las  formas  de  precipitación  son  la  nieve  formada  por  agrupaciones  cristalinas,
aguanieve con nieve en fusión, rocío, granizo y escarcha (Segerer y Villodas, 2006).

Así mismo  la precipitación puede clasificarse  según la causa del ascenso de la masa húmeda.  En
primer lugar está la precipitación ciclónica causada por el levantamiento del aire que converge en
un área de baja presión o centro ciclónico. Esta puede ser no frontal si ocurre debido al ascenso por
una  zona  de  baja  presión  o  frontal  si  está  asociada  con  el  levantamiento  por  un  frente  caliente
cuando el aire avanza sobre una masa de aire más frío o de forma contraria. El segundo tipo es la
precipitación convectiva, aquella debida a la inestabilidad de una masa de aire más caliente que las
de su alrededor. Por último, la precipitación orográfica se origina a causa del ascenso forzado de
una masa de aire fría por una barrera montañosa.

Este fenómeno tiene variaciones espaciales y temporales importantes. Por lo anterior, la medición
de  la  precipitación  promedio  en  un  área  específica  es  compleja y  se  realiza  a partir  de  distintos
métodos. En primer lugar la media aritmética permite calcular la lluvia media en una zona a partir
de obtener el promedio de las mediciones obtenidas por estaciones en distintos puntos de la zona;
esto  se  realiza  para  zonas  con  alta  homogeneidad  climática  y  física.  Otra  aproximación  es  el
conocido método de Polígonos de Thiessen el cual consiste en trazar una red de triángulos entre la
posición de cada estación de medición. A partir de mediatrices y su extensión se determina el área
interior de cada polígono  y se utiliza una ponderación de esta con la precipitación medida en cada
zona.  Por  último  se  tiene  el  método  de  las  curvas  isoyetas  en  el  que,  a  partir  de  un  plano,  se
interpolan  líneas  de  igual  precipitación  teniendo  en  cuenta  la  ubicación  de  cada  estación.  Sin
embargo, es un método muy subjetivo y es necesario un alto conocimiento de las características de
la  zona.  Las  mediciones  pueden  ser  realizadas  mediante  pluviógrafos,  pluviómetros,  radar,
información satelital, entre otros, aunque algunos factores como la presencia de viento, inclinación
de la lluvia y salpicamiento pueden afectarlas.

Algunas de las curvas empleadas para representar de manera gráfica la precipitación en una zona
son la curva de masa, hietograma, curvas de intensidad y duración (ID) y curvas de intensidad,
duración, frecuencia (IDF).

2.1.2 Infiltración

Este proceso hace referencia al paso de agua a través del terreno desde su superficie. Un suelo bajo
determinadas condiciones es capaz de absorber cierta cantidad máxima de agua, a lo que se le
conoce como capacidad de infiltración del suelo. Esta es limitada por factores como la entrada

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superficial del suelo, almacenamiento disponible que depende a su vez de la porosidad, espesor y
humedad existente, características del suelo como el tamaño del poro, tipo de suelo, vegetación y
estructura y, por último, de las características del fluido incluyendo su viscosidad, temperatura,
cantidad de sales y sólidos suspendidos. Los suelos arenosos tienen valores promedio de infiltración
mayores a otros suelos. Mientras un suelo arenoso tiene una capacidad de infiltración aproximada
de 50 mm/h, un suelo limo arenoso tiene 25 mm/h y un limo arcilloso tan solo 12 mm/h.

Los ensayos de filtración pueden realizarse a partir de métodos directos o indirectos. Los primeros
incluyen lisímetros, simuladores de lluvia, anillos infiltrómetros o métodos indirectos donde se
determina a partir de balances con la información de los demás procesos que ocurren en una cuenca
específica (“Infiltración,” s.f.).

Existen diversas aproximaciones matemáticas para estimar la tasa de infiltración. La primera fue
desarrollada por Horton en 1939 donde, a partir de experimentos, determinó la relación empírica
que se presenta en la Ecuación 1. En esta ecuación la variable I

representa la tasa mínima de

infiltración, I

la tasa de infiltración en el tiempo cero, t es el tiempo transcurrido desde la saturación

del  suelo  hasta  el  periodo  de  estudio  y  k  la  constante  de  decaimiento.  Se  presenta  también  la
ecuación de volúmenes infiltrados acumulados en el tiempo transcurrido a partir de la integración
de  la  primera  ecuación.  De  acuerdo  con  este  autor  la  curva  que  representa  la  capacidad  de
infiltración se comporta como se presenta en la  Figura 2 únicamente para eventos en los que la
intensidad de lluvia es mayor a la capacidad de infiltración del suelo. La variable φ hace referencia
al índice de infiltración a partir del cual todo excedente se transforma en escorrentía.

Ecuación 1. Ecuación de Horton

𝐼

𝑡

= 𝐼

𝑏

+ (𝐼

𝑖

− 𝐼

𝑏

) ∗ 𝑒

−𝑘𝑡

Ecuación 2. Volumen infiltrado acumulado de Horton

𝑉

𝑓

𝐼

𝑖

− 𝐼

𝑏

𝑘

(1 − 𝑒

−𝑘𝑡

) + 𝐼

𝑏

𝑖

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Figura 2. Capacidad de infiltración de Horton. Fuente: “Hydrology II” (s.f.).

La ecuación desarrollada por Philip en 1957 planteó una ecuación distinta para la tasa de infiltración.
Esta se presenta en la Ecuación 3 donde la variable t representa el tiempo transcurrido desde el
inicio de la infiltración, S es la absorción del suelo y A depende del tipo de suelo. En la Ecuación 4 se
presenta  la  aproximación  obtenida  para  determinar  el  volumen  infiltrado  acumulado.  Debido  a
problemas  relacionados  con  el  método,  esta  serie  predice  tasas  de  infiltración  muy  altas  para
tiempos largos cuando se espera un decaimiento por la saturación. Por lo anterior A se convierte en
la tasa residual de infiltración equivalente al  I

formulado por Horton (“Capítulo 3 : Infiltración”

s.f.).

Ecuación 3. Ecuación de Philip

𝐼 =

1
2

𝑆𝑡

−1/2

+ 𝐴

Ecuación 4. Volumen infiltrado acumulado de Philip

𝑉

𝑓

= 𝑆𝑡

1/2

+ 𝐴𝑡

Por último, Green y Ampt desarrollaron en 1911 una aproximación derivada de la ecuación de Darcy
que se muestra en la Ecuación 5. Se considera que el suelo está totalmente saturado en todas sus
capas y la tensión capilar es constante. Se idealiza como un pistón de agua que llena los poros de un
suelo que a su vez está siendo succionado a presión constante donde el potencial capilar φ alcanza
el valor φ

y el potencial gravitacional varía hasta L. Estas modificaciones realizadas a la ecuación de

Darcy dan como resultado la ecuación de Green y Ampt que se presenta en la Ecuación 6 y la
ecuación de volumen infiltrado acumulado F que se presenta en la Ecuación 7. En la última, la
variable θ

corresponde al contenido de humedad inicial del suelo y θ’ al contenido de humedad

máximo determinado a partir de la Ecuación 8, donde θ

sat

corresponde al volumen de vacíos por

unidad de volumen de suelo y θ

aire

al aire por unidad de volumen de suelo.

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Ecuación 5. Ecuación de Darcy

−𝑓 = −𝐾

𝛿𝐻

𝛿𝑧

Ecuación 6. Ecuación de Green y Ampt

𝑓 = 𝐾

′

𝜑

𝑓

+ 𝐿

𝐿

Ecuación 7. Volumen infiltrado acumulado de Green y Ampt

𝐹 = 𝐿(𝜃

′

− 𝜃

𝑖

)

Ecuación 8. Contenido de humedad máximo

𝜃

′

= 𝜃

𝑠𝑎𝑡

− 𝜃

𝑎𝑖𝑟𝑒

2.1.3 Intercepción

Existe  una  parte  del  total  de  la  precipitación  que  es  retenida  por  la  vegetación  y  devuelta  a  la
atmósfera por evaporación. Cuando la cantidad de precipitación depositada sobre la superficie foliar
de las plantas es mayor a su capacidad máxima de retención de agua, esta cae al suelo utilizando el
tronco de los árboles como medio en un proceso conocido como “escurrimiento fustal”. La cantidad
de agua interceptada que no alcanza la superficie del suelo depende de la especie, características
de  la  precipitación  y  condiciones  meteorológicas  (Huber  y  Oyarzún,  1980).    Algunas  estructuras
como edificios también interceptan parte de la precipitación.

De  acuerdo  con  Wang  (2014)  los  métodos  empleados  para  estimar  la  intercepción  son,  en  su
mayoría, empíricos y se pueden expresar como fracción de la cantidad de precipitación. En adición,
la  capacidad  de  almacenamiento  de  intercepción  puede  variar  entre  0.3  y  1.3  milímetros.  Las
características de la precipitación son importantes debido a que eventos continuos no permiten el
periodo requerido para que se lleve a cabo el proceso de evaporación por lo que  la intercepción
disminuye. De igual forma en el estudio realizado por Huber y Oyarzún (1983) se obtuvo que para
eventos de precipitación con profundidad mayor a 40 milímetros la intercepción es inferior al 10 %
mientras  que  para  eventos  con  aportes  menores  a  20  milímetros  de  precipitación  esta  tasa
aumenta.  Sin  embargo,  este  estudio  fue  realizado  para  un  bosque  adulto  de  Pinus  radiata  con
condiciones específicas por lo que bajo diferentes coberturas y condiciones climáticas estos valores
varían.

2.1.4 Evaporación, Transpiración y Evapotranspiración

La evaporación hace referencia al proceso por el que el agua cambia de estado líquido a gaseoso y
retorna a la atmósfera en forma de vapor. Este fenómeno es más fuerte cuando hay mayor cantidad
de agua con posibilidad de evaporarse y mucho más débil cuando la agitación de las moléculas es

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baja.  Considerando  la  evaporación  desde  una  superficie  de  agua,  este  proceso  comienza  con  la
llegada de las moléculas del agua a la superficie del líquido donde su temperatura aumenta y por
tanto su velocidad, hasta que algunas logran atravesar la interface líquido-gas convirtiéndose en
vapor tras liberarse de la atracción de las moléculas adyacentes. Así, la capa de aire ubicada encima
de la superficie se satura de humedad (“Unidad 3: Evaporación y Evapotranspiración,” s.f.). Algunos
de los métodos para estimar la tasa de evaporación de superficies de agua son el método del balance
hídrico,  método  basado  en  el  balance  de  energía,  cálculo  de  la  radiación  neta,  método
aerodinámico, coeficientes de Pan y método combinado aerodinámico y de balance de energía.

Por otro lado la transpiración es la forma de evaporación de las plantas por la que el agua cambia
de estado gracias a su metabolismo y es liberado a la atmósfera por la superficie de sus hojas. Los
principales factores que afectan este fenómeno son el tipo de planta y estado de crecimiento, tipo
de suelo, cantidad de agua disponible y factores meteorológicos como radiación, viento y
temperatura (Wang, 2014).

Los  procesos ya mencionados  son  difíciles  de  cuantificar  por  lo  que  se  introdujo  el  concepto  de
evapotranspiración que combina los fenómenos de evaporación desde el suelo y la transpiración de
la vegetación. La evapotranspiración potencial es la máxima tasa bajo condiciones de disponibilidad
de  agua  continua  y  saturación  del  suelo  mientras  que  la  evapotranspiración  real  depende  de  la
cantidad real de agua disponible en el suelo. Por esto, la evapotranspiración real puede ser igual o
menor a la estimación potencial.

Debido a que  no es posible  estimar el proceso de  evapotranspiración en una cuenca de manera
directa, para periodos largos se utiliza el método de balance hídrico y para corto plazo relaciones
empíricas (“Unidad 3: Evaporación y Evapotranspiración,” s.f.). La primera de estas aproximaciones
es la fórmula de Thornthwaite la cual determina la evapotranspiración en función de la  temperatura
del  aire.  Esta  se  muestra  en  la  Ecuación  9  donde  la  variable  t  representa  la  temperatura  media
mensual, I es el índice calórico que depende de la zona y debe ser calculado a partir de la suma de
índices  mensuales  como se  muestra  en  la  Ecuación  10  y  la  variable  a  es  un  exponente  empírico
función de I que se calcula con la Ecuación 11. Sin embargo, este resultado se debe corregir teniendo
en cuenta la duración real del mes y el número máximo de horas de sol según la latitud. Por esto se
calcula el coeficiente de ajuste k

en la Ecuación 12 utilizando también la Ecuación 13 y Ecuación

14, para obtener así el producto entre el coeficiente de ajuste y la tasa de evapotranspiración que
será el valor real.

Ecuación 9.Método de Thornthwaite

𝐸𝑇𝑃 = 16 (

10𝑇

𝐼

)

𝑎

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Ecuación 10. Cálculo del índice calórico

𝐼 = ∑ 𝑖,

𝑖 = (

𝑇

)

1.514

𝑖=1

Ecuación 11. Cálculo del exponente empírico de Thornthwaite

𝑎 = 6.75 ∙ 10

−7

∙ 𝐼

− 7.71 ∙ 10

−5

∙ 𝐼

+ 1.79 ∙ 10

−2

∙ 𝐼

Ecuación 12. Cálculo del coeficiente de ajuste k

𝑘

𝑚

= (

𝑁

) (

𝑚

)

Ecuación 13. Cálculo de la variable N para el ajuste

𝑁 = 2 arccos(−tgφtgδ)

Ecuación 14. Cálculo de la variable δ para el ajuste

𝛿 = 0.4093𝑠en (

2π

365

𝐽 − 1.405)

Otras de las aproximaciones empíricas desarrolladas para estimar la evapotranspiración de una
cuenca son la fórmula de Hargreaves y la fórmula de Tur. El método de balance hídrico se basa en
la conservación de la masa aplicado a una parte del ciclo hidrológico y permite, a partir de los otros
procesos que se llevan a cabo en este, estimar una tasa para un periodo de tiempo determinado.

La tensión de la humedad del suelo puede entenderse como la fuerza con la que el terreno retiene
el agua contenida en el mismo.  En la  Figura 3  se esquematiza la relación  entre esta tensión y el
contenido  de  humedad  para  un  suelo  donde  se  aprecian  tres  zonas  importantes:  el  punto  de
marchitamiento permanente, la capacidad de campo y la cantidad de agua disponible. El primero es
aquel nivel de humedad por debajo del cual las plantas no pueden extraer agua del suelo. De igual
manera, la capacidad de campo es el nivel de humedad máximo que puede retener el suelo y a partir
del  cual  el  agua  excedente  se  percolará  hasta  recargar  acuíferos.  La  diferencia  entre  los  niveles
mencionados hace referencia a la cantidad real de agua disponible en el suelo para la planta.

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Figura 3. Tensión del agua en el suelo. Fuente: Wang (2014).

2.1.5 Escorrentía

Este término hace referencia al flujo de agua en la superficie del suelo que no pasó por los demás
procesos de intercepción, evaporación e infiltración ni tampoco quedo almacenado en depresiones.
Este flujo también puede ser subsuperficial debido a que una fracción de la precipitación tras ser
infiltrada no se mueve a través del suelo sino que lo hace de manera horizontal por el mismo.  La
escorrentía  producida  en  una  cuenca  depende  de  características  de  la  lluvia  como  cantidad,
duración e intensidad, características geomorfológicas de la cuenca, cobertura vegetal, tipo de suelo
y uso de la tierra.

Con  el  fin  de  predecir  la  generación  de  escorrentía  en  una  cuenca  se  han  desarrollado  varios
modelos que pueden basarse en eventos discretos o modelos continuos. Entre los modelos basados
en  eventos  se  tiene  el  Método  Racional  y  el  Método  del  Número  de  Curva.  El  primero  utiliza
coeficientes de escorrentía que son ajustados para diferentes tipos de uso del suelo y cobertura
vegetal  con  valores  entre  0  y  100  siendo  el  primero  el  más  permeable.  Este  coeficiente  es
multiplicado por la intensidad del evento de precipitación y el área de la cuenca. El segundo método
fue desarrollado por el Soil Conservation Service (SCS) de los Estados Unidos. Ampliamente utilizado
por  su  simplicidad  y  disponibilidad  de  información,  se  basa  en  un  parámetro  conocido  como  el
número  de  curva  que  depende  de  las  características,  cobertura  y  condiciones  de  humedad
antecedentes del suelo. El SCS cuenta con un sistema de clasificación de suelo establecido al que se
le asignan intervalos de tasas de infiltración y un número de curva con valores entre 0 y 100 siendo
el primero un suelo completamente impermeable donde el total de la precipitación se convierte en
escorrentía. Para esta aproximación es necesario conocer la profundidad de precipitación que se
compara con la abstracción inicial Ia la cual se calcula con la Ecuación 15 y la Ecuación 16. Por último
se determina el volumen de escorrentía empleando la Ecuación 17 según la condición presentada.

Ecuación 15. Cálculo de la abstracción inicial

𝐼

𝑎

= 0.2 ∗ 𝑆

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Ecuación 16. Cálculo de la máxima abstracción potencial

𝑆 =

2.540

𝐶𝑁

− 25.4

Ecuación 17. Estimación del volumen de escorrentía

𝑅(𝑡) {

𝑅(𝑡) =

(𝑃(𝑡) − 0.2𝑆)

𝑃 + 0.8𝑆

, 𝑠𝑖 𝑃(𝑡) ≥ 𝐼

𝑎

𝑅(𝑡) = 0, 𝑠𝑖 𝑃(𝑡) < 𝐼

𝑎

2.2 Urbanización y cambio climático

Según las Naciones Unidas (2014), mientras la población rural alrededor del mundo crece de forma
pausada y se espera tenga un decrecimiento para el año 2050, la población urbana aumenta
rápidamente desde 1950. Así, las proyecciones sugieren un aumento de 2.5 billones de personas en
centros urbanos para el año 2050 con un 90 % de habitantes concentrados en Asia y África. Este
crecimiento poblacional en áreas urbanas ocurre en mayor medida en países en vía de desarrollo y
no en países desarrollados. Esto se debe principalmente al proceso migratorio campo - ciudad y, en
el caso de Colombia, al conflicto armado y desplazamiento forzado (Huong y Pathirana, 2011). Sin
embargo, son aquellas ciudades intermedias las que presentan las mayores tasas de crecimiento y
serán habitadas por la mayoría de la población durante los siguientes años.

La urbanización es distinta para cada país puesto que es un proceso complejo y dinámico que se
desenvuelve en múltiples escalas de espacio y tiempo (Seto, Parnell y Elmqvist, 2013) . Las regiones
con mayor crecimiento están ubicadas en Asia y África. China es un claro ejemplo de esta rápida
expansión urbana. Algunas de sus ciudades multiplicaron su territorio en un factor cercano a 20
entre los años 1973 y 2008 lo cual generó un aumento en la demanda y, por tanto, producción de
energía en el país. Este proceso de urbanización facilita el uso de vehículos; en este país el número
de automotores ha aumentado en una tasa anual del 12 % y 9 % en India. Algunos estimativos
sugieren que para el año 2040 se agregarán 800 millones de automóviles al valor actual, únicamente
debido a estos dos países (Heath et al., 2014).

La tasa de expansión de áreas urbanas es mayor que el crecimiento de la población lo que sugiere
un proceso constante e imparable. Así, la urbanización ha alcanzado zonas protegidas alrededor del
mundo. Según Seto et al. (2013), cerca de 32000 km

de áreas protegidas fueron reemplazadas

alrededor del año 2000 y para el 2030 la expansión urbana consumirá un 1.8 % adicional de las zonas
con puntos clave de biodiversidad.

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Al  igual  que  la  urbanización,  el  cambio  climático  puede  afectar  los  sistemas  de  drenaje  por
variaciones en la temperatura y eventos de precipitación. Debido a este fenómeno, el ciclo del agua
es alterado y genera alta incertidumbre respecto al clima, incluyendo así eventos de precipitación
extremos.  Estos  pueden  superar  la  capacidad  del  sistema  ocasionando  desbordamiento.  Por  el
contrario, variaciones de precipitación entre climas húmedos y secos generan deterioro hidráulico
en los sistemas debido a procesos de sedimentación (Yazdanfar y Sharma, 2015).

La combinación de estos factores puede aumentar la probabilidad de inundaciones, la carga
contaminante, fracturas, deterioro estructural y desbordamiento en el sistema (Yazdanfar &
Sharma, 2015).

2.2.1 Impactos de la urbanización

La  urbanización  y  el  aumento  en  el  consumo  de  energía  generan  en  los  centros  urbanos
características  distintas  a  sus  zonas  aledañas.  Mayor  nubosidad,  precipitación  y  temperatura
además de menor radiación son algunas de estas condiciones (Heath et al., 2014).

El  efecto  sobre  el  microclima  conocido  como  “Isla  de  calor”  es  uno  de  los  fenómenos  más
importantes del siglo 21 y describe el aumento de temperatura en zonas urbanas. De acuerdo con
Heath et al. (2014) dicho aumento puede variar entre 3 y 4 °C con respecto a zonas cercanas hasta
11  °C.  Es  causado  por  fuentes  antropogénicas  de  calor  como  lo  son  los  vehículos,  centrales
eléctricas, entre otras y el almacenamiento de este debido a la construcción, disminución del factor
de visión celeste y la vegetación. Todas estas fuentes creadas por el hombre calientan de manera
instantánea y directa el ambiente mientras que sólo parte de la radiación solar lo hace, el resto es
absorbido  y  almacenado  por  estructuras  que  lo  liberan  posteriormente.  Algunos  de  sus  efectos
adversos incluyen el deterioro del medio ambiente, aumento en el consumo de energía e incluso
aumento en la tasa de mortalidad. Este proceso es el resultado de la interacción compleja de muchas
variables  controlables  relacionadas  con  actividades  humanas  de  diseño  y  planeación  e
incontrolables  asociadas  con  procesos  del  ambiente.  Las  estrategias  de  mitigación  hasta  ahora
propuestas radican en reducir las emisiones de calor, mejor diseño de techos (techos verdes) y otras
como humidificación y paneles fotovoltaicos (Rizwan, Dennis y Liu, 2008).

Según Kaufmann et al. (2007) el proceso de urbanización puede reducir la precipitación debido al
cambio en las propiedades de la superficie como la rugosidad, flujo de energía y albedo. Lo anterior
reduce  la  cantidad  de  agua  disponible  para  evaporación  y  debido  a  la  remoción  de  vegetación,
disminuye  la  velocidad  de  transferencia  de  agua  desde  el  suelo  a  la  atmósfera  por
evapotranspiración.  Así,  el  aumento  de  construcciones  disminuye  la  fracción  de  radiación  neta
utilizada  para  procesos  de  evaporación.  Sin  embargo,  este  efecto  conocido  como  “Efecto  de
precipitación urbana” ha registrado tanto aumentos como decrecimiento en la precipitación debido

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a la urbanización por lo que no es posible definir de manera exacta el comportamiento (Seto et al.,
2013).

En adición a esto la contaminación del aire es otro de los efectos ocasionados por el consumo de
combustible, producción de energía y cambios en el uso del suelo. Esta problemática tiene impactos
en  la  salud,  infraestructura,  clima  y  ecosistema.  Los  vehículos  generan  monóxido  de  carbono,
hidrocarburos, óxidos de nitrógeno, plomo, entre otras sustancias tóxicas que al reaccionar en la
atmósfera  podrían  formar  contaminantes  secundarios  como  el  ozono  (Heath  et  al.,  2014).  Sus
efectos  incluyen  impactos  climáticos  debido  a  la  presencia  de  material  particulado  que  puede
absorber la radiación solar.

El  término  que  hace  referencia  a  los efectos  de  la  urbanización  sobre  los  cuerpos  de  agua  es  el
“Síndrome de cuerpos de agua urbanos”. Estos ecosistemas son afectados por múltiples fuentes y
resultan en diversos agentes estresantes entre los cuales está la temperatura, hidrología, fuentes
de  energía,  hábitat  y  calidad  del  agua.  Entre  los  síntomas  descritos  por  la  United  States
Environmental  Protection  Agency  (s.f.)  se  encuentra  el  aumento  en  la  temperatura,  nutrientes,
tóxicos y variación en los sedimentos suspendidos, incremento de temperatura, disminución en la
retención  de  materia  orgánica,  cambios  en  la  biomasa  algal,  entre  otros.  Algunas  de  las
características de la urbanización que ocasionan este síndrome son el tipo de desarrollo, densidad
y la infraestructura (edad y distribución).

2.2.1.1 Impactos hidrológicos

La urbanización genera una alteración en los regímenes hidrológicos naturales de los ecosistemas
acuáticos.  Como  ya  se  mencionó,  el  aumento  en  la  superficie  impermeable  y  la  reducción  en  la
cobertura vegetal resultan en una disminución en la evapotranspiración y capacidad de infiltración,
por  lo  que  se  genera  un  incremento  en  el  volumen  de  escorrentía  generado,  así  como  en  su
velocidad.  Por  esto  se  generan  flujos  al  pico  de  mayor  magnitud  y  menor  duración  con  más
frecuencia. El acrecimiento de la población también se caracteriza por una mayor producción de
aguas residuales generando cambios en la calidad del agua y mayor carga contaminante para las
plantas de tratamiento.

Lo anterior se comprueba en la Figura 4 donde se aprecia el hidrograma hipotético para un cuerpo
de agua urbano y rural. El hidrograma es una gráfica que relaciona la variación del caudal en un
periodo de tiempo. Así, se aprecia en la figura que el flujo al pico del cuerpo urbano es mayor que
para  el  rural.  El  tiempo  al  pico  es  menor  para  el  cuerpo  urbano  debido  a  que  la  escorrentía  es
transportada por los sistemas de drenaje y no atraviesa los procesos típicos del ciclo hidrológico. De
igual manera se reduce la magnitud del flujo base por la disminución de la infiltración y extracción
para  abastecimiento.  Sin  embargo,  también  pueden  ocurrir  incrementos  en  este  flujo  debido  a
factores  como  menor  evapotranspiración,  fugas  del  sistema  de  drenaje  y  red  de  agua  potable,
irrigación de césped, entre otros, que pueden aumentar el nivel de la tabla de agua.

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Figura 4. Hidrograma hipotético para cuerpos de agua urbanos (amarillo) y rurales (verde). Fuente: United States

Environmental Protection Agency, (s.f.).

La morfología del canal del cuerpo de agua varía aumentando su ancho y erosión vertical, ocasiona
menor estabilidad de banco además de cambios en parámetros de la hidráulica como velocidad y
tensión cortante. De igual manera se aumenta la temperatura en los cuerpos de agua debido a la
transferencia de calor de las superficies impermeables, aumento en la liberación de contaminantes
y se altera el balance entre el suministro de sedimentos y su trasporte ocasionando un incremento
en la carga de sedimentos y erosión del canal (United States Environmental Protection Agency, s.f.).

Los  cambios  realizados  por  el  hombre  sobre  la  naturaleza  para  la  construcción  y  su  posterior
utilización con distintos fines pueden ser caracterizados a partir del uso del suelo. Estas alteraciones
causadas  por  la  urbanización  o  rehabilitación  generan  cambios  en  la  cantidad  y  calidad  de
escorrentía generada. Existen distintos tipos de superficies impermeables que difieren en cuanto a
la  cantidad  y  tipo  de  suelo  de  cobertura.  Las  zonas  residenciales,  comerciales,  industriales,
recreacionales, vías, entre otras, son algunas de las categorías existentes para clasificar dichos usos.
Sin  embargo,  cada  una  de  estas  se  caracteriza  por  desarrollar  diferentes  actividades  y  su
contribución a la contaminación del agua depende del área, potencial de lavado de contaminantes
y características de los eventos de lluvia (Pitt, 2000). En adición, algunos de estos contaminantes
pueden  ser  removidos  por  procesos  de  limpieza,  viento,  entre  otros.  Como  ejemplo  se  tiene  el
barrido de las calles que puede ocasionar una variación de la carga contaminante presente en la
escorrentía que llega al sistema de drenaje.

Las áreas impermeables se pueden cuantificar de dos manera distintas: área total impermeable y
área impermeable efectiva. Mientras la primera es una aproximación general, la segunda tiene en
cuenta únicamente aquella fracción de área impermeable directamente conectada a cuerpos de
agua o en su defecto a sistemas de drenaje. Esta última es un mejor indicador de la alteración al

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ecosistema.  Cada  tipo  de  superficie  tiene  un  tiempo  de  generación  de  escorrentía  distinto, esto
radica en la capacidad de infiltración del suelo puesto que ocurre al superar este nivel. Para eventos
pequeños, mediante procesos de infiltración y evapotranspiración las zonas permeables no generan
escorrentía. Por el contrario, debido a la utilización de materiales con poca capacidad, las superficies
impermeables  son,  generalmente,  las  mayores  aportantes  de  escorrentía  para  estas  lluvias.  Sin
embargo, estos procesos dependen de las características del evento y la superficie.

De  acuerdo  con  varios  estudios,  muchos  de  los  contaminantes  presentes  en  el  agua  lluvia  son
generados por actividades humanas y la mayoría están relacionados con los vehículos automotores
(Pitt, 2000). El desgaste de estos y derrame de fluidos como gasolina y aceite alteran el polvo y la
suciedad de las vías. Sin embargo, la erradicación del plomo en la gasolina permitió una disminución
en  el  efecto  de  la  contaminación.  Otras  fuentes  como  el  diseño  urbano  afectan  la  calidad  de  la
escorrentía  debido  al  uso de  fertilizantes  y  pesticidas  que  pueden  generar  materiales  tóxicos  en
importantes cantidades. El desgaste y erosión natural de las rocas son las principales fuentes de
hierro, el que en su forma disuelta puede generar impactos graves en los cuerpos receptores.

De acuerdo con la National Academies Press y el National Research Council (2009) se presenta a
continuación una breve descripción de las más importantes coberturas urbanas de acuerdo con su
importancia en la contaminación de agua lluvia.

a. Techos

Pueden ser planos o inclinados construidos a partir de diversos materiales. El primero de
estos permite el almacenamiento de una cantidad de agua lluvia mayor que el segundo tipo.
Según sus materiales pueden constituir una fuente importante de contaminación de
metales como cadmio, cobre y zinc para el agua (Pitt, 2000).

b. Parqueaderos

Superficies cubiertas con asfalto o concreto e incluso aquellas compactadas sin pavimentar
para permitir el tráfico de automóviles son fuentes de contaminación que afectan la calidad
del  agua  lluvia.  Cargas  ocasionadas  por  las  emisiones  de  vehículos  en  movimiento,
revestimientos,  desgaste  de  neumáticos  y  tratamientos  de  mantenimiento  están
relacionadas  con  contaminantes  como  hidrocarburos  aromáticos  policíclicos  (PAHs)  que
tienen  efectos  adversos  sobre  algunos  invertebrados  y  mamíferos  además  de  generar
subproductos al ser clorados.  De  acuerdo con  la United States Environmental Protection
Agency  (s.f.),  a  partir  de  un  estudio  se  encontró  que  las  concentraciones  de  PAH  en  la
escorrentía fue 65 veces mayor para aquellos parqueaderos con revestimiento de alquitrán
que para aquellos sin sellar.

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c. Calles

Generalmente  pavimentadas,  son  fuente  de  contaminación  difusa  debido  no  solo  a  las
cargas aportadas por los vehículos en movimiento sino también por el tipo y cantidad de
vegetación  en  los  costados.  Al  estar  directamente  conectadas  al  sistema  de  drenaje
garantizan el transporte efectivo de contaminantes sin tener pérdidas debido al recorrido
de  cortos  trayectos.  Las  cargas  contaminantes  son  el  resultado  de  aquellas  sustancias
presentes  de  manera  permanente  debido  a  la  estructura  de  la  calle  además  de  otras
generadas por procesos de deposición. Existe poca remoción debida a factores naturales
como el viento y otros humanos como la turbulencia ocasionada por el tráfico y el barrido
de calles.

d. Áreas de almacenamiento

Son comunes en áreas industriales y comerciales y los usos pueden afectar la calidad del
agua.  Pueden  ser  áreas  de  parqueo  sobre  suelo  no  pavimentado  o  espacios  para
almacenamiento de maquinaria sobre concreto. Sin importar el tipo de área, son zonas que
no  permiten  la  infiltración  al  suelo  y  la  escorrentía  generada  puede  tener  importantes
cargas contaminantes.

A  partir  del  incremento  del  área  impermeable  en  zonas  urbanas,  estas  interceptan  la  lluvia
alterando la hidrología de manera que se genera un aumento en la descarga. Según el porcentaje
de  área  urbanizada,  los  aumentos  en  el  flujo  al  pico  pueden  superar  por  cinco  veces  el
comportamiento en condiciones naturales (Booth, 1991).

Los métodos existentes para determinar cambios en el uso y cobertura del suelo son fotografías
aéreas  y mediciones en campo. Debido al desarrollo tecnológico las primeras son una excelente
herramienta que permite, a partir de imágenes con alta resolución, un análisis bastante completo.
Sin  embargo,  el  costo  de  adquisición  y  requerimiento  computacional  son  dificultades  existentes
para  su  uso.  Por  esto  es  recomendable  complementar  este  método  con  visitas  en  campo  que
permitan  obtener  aquellos  datos  faltantes  o  difíciles  de  adquirir  por  imágenes  satelitales.  Esta
información es importante para el desarrollo de los centros urbanos y sus sistemas de drenaje donde
el análisis es vital para evitar eventos de inundación.

2.2.2 Impactos del cambio climático

La temperatura global ha aumentado aproximadamente 0.74 °C durante el siglo pasado y se
proyecta que suba 0.2 grados adicionales para las siguientes décadas (Heath et al., 2014). Esto va
seguido por elevación del nivel del mar, cambios en niveles de precipitación, aumento en la
variabilidad del clima y en la ocurrencia de eventos extremos.

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En primer lugar, el aumento en la temperatura trabaja de forma conjunta con el fenómeno de “Isla
de calor”. Por esto se generan olas de calor en zonas urbanas donde situaciones extremas pueden
estar asociadas con enfermedades y muertes en la población según algunas características como
edad, que definen la capacidad del individuo a combatir el estrés térmico. Según la Organización
Mundial de la Salud (OMS) desde 1970 las enfermedades inducidas por el clima han causado cerca
de 150.000 muertes por año y se proyecta que este número se duplique para el 2030 (Heath et al.,
2014). Otras consecuencias como insuficiencia de agua y aumento en la demanda de energía están
relacionadas con este proceso.

La elevación del nivel del mar ha aumentado a una tasa de 1.8 milímetros por año entre 1961 y
2003. Esto se asocia directamente con el aumento en las temperaturas que generan la expansión
del océano y constituye un factor de riesgo para la población que vive en zonas costeras. Otros
factores como inundación, erosión costera, intrusión de agua salada, pérdida de humedales y
aumento en la tabla de agua son consecuencia de este fenómeno (Heath et al., 2014).

Heath  et  al.  (2014)  afirman  que  como  resultado  del  cambio  climático  la  precipitación  media
aumentará  en  ciertas  áreas  y  disminuirá  en  otras  además  de  sufrir  cambios  en  la  distribución
estacional y un incremento general en la variabilidad espacial. Una acentuación en la precipitación
puede generar efectos adversos sobre la calidad del agua superficial y subterránea, interrupción de
actividades diarias, pérdida de bienes materiales, aumento en el desprendimiento de tierras, riesgo
de  enfermedades  infecciosas  y  pérdida  de  vidas  humanas.  De  igual  manera  el  estrés  hídrico
aumentará en muchas zonas perjudicando a millones de personas que habitan allí.

Los  efectos  mencionados  tendrán  impactos  negativos  sobre  muchos  servicios,  entre  ellos  el
transporte,  abastecimiento  de  agua  y  saneamiento,  sistema  de  alimentación,  producción,
transmisión y distribución de energía e industria.  Con respecto al primer servicio se conoce que las
precipitaciones  fuertes  pueden  causar  daños  importantes  en  la  infraestructura  causando
interrupciones en las rutas. Este problema puede ser prolongado y causar problemas importantes
debido a la falta de alimentos y objetos importados de otras zonas. De igual manera temperaturas
altas conllevan a la degradación de la calidad del agua debido al incremento en la actividad química
y biológica, aumento en la evaporación y en la demanda de agua de la población. Lo anterior implica
nuevos  requerimientos  en  la  infraestructura  de  abastecimiento  y  tratamiento  de  agua  en  las
ciudades debido al cambio climático. En adición a lo anterior, aumentos en eventos de precipitación
pueden ocasionar desbordamiento de los alcantarillados ocasionando altas cargas de nutrientes en
los  cuerpos  receptores  y  problemas  de  salubridad  y  patógenos.  Otros  cambios  asociados  con
variaciones  en  las  condiciones  del  suelo,  presencia  de  plagas,  metabolismo  de  las  plantas  y
abundancia de agua para irrigación afectan directamente el sistema de alimentación mientras que
políticas implementadas por el gobierno y el comportamiento del consumidor relacionado con el
cambio climático generan impactos sobre la industria.

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2.2.3 Impactos de la urbanización y el cambio climático

Los efectos adversos de cada proceso descrito previamente pueden ocasionar impactos conjuntos
importantes que afectan a la sociedad. Entre ellos se encuentran los eventos de inundación que
pueden  ser  más  frecuentes  debido  al  aumento  en  la  proporción  de  superficies  impermeables,
disminución de la infiltración y el incremento en la ocurrencia de eventos de precipitación extremos.
La vulnerabilidad de los individuos no está solo determinada por la exposición a riegos físicos y los
daños  asociados  con  estos  sino  a  su  vez  con  la  capacidad  de  las  comunidades  para  adaptarse  a
cambios,  arreglar  los  daños,  afrontar y  tomar  ventaja  de  las  oportunidades  (Heath  et  al., 2014).
Como afirman Hammond, Chen, Djordjević, Butler y Mark (2015), la resiliencia es un atributo muy
deseable  para  las  ciudades.  A  través  de  la  prevención  mediante  la  implementación  de  medidas
estructurales específicas se busca reducir el daño causado por eventos fuertes de precipitación y
disminuir  su  tiempo  de  respuesta  ante  situaciones  de  emergencia  de  manera  efectiva.  Las
inundaciones pueden ser de tipo pluvial, fluvial, costera o subterránea y generan efectos adversos
no solo sobre las personas sino el ambiente y los animales. Los autores clasifican los costos de las
inundaciones en centros urbanos en 4 variables según criterios obtenidos a partir de la literatura y
describen sus métodos de cuantificación. En primer lugar se describe el daño tangible directo que
corresponde a pérdidas en la propiedad residencial y en otros sectores debido al contacto con el
agua.  El  daño  tangible  indirecto  e  interrupción  comercial  es  mucho  más  complejo  y  difícil  de
cuantificar  por  lo  que  se  asocia  con  modelos  econométricos,  entre  otros.  Este  tipo  de  daños
presenta alta correlación con parámetros como profundidad y velocidad del agua, duración de la
emergencia y tamaño de  la empresa. El siguiente tipo de  daño se enfoca en la infraestructura e
incluye  telecomunicaciones,  agua,  servicios  de  transporte,  entre  otros.  Por  último,  los  impactos
intangibles incluyen los daños a la salud, físicos y mentales que van desde lesiones y desórdenes de
estrés  post-traumáticos hasta  la muerte. En adición se  conoce  que  eventos de  inundación están
ligados  de  manera  compleja  a  vectores  emergentes  que  pueden  afectar  a  la  población  y  causar
epidemias  masivas  debido  al  colapso  de  los  servicios  de  salud.  Cada  uno  de  estos  costos  es
altamente  complejo  y  requiere  información  histórica  generalmente  no  disponible,  además  de
técnicas aproximadas como asignación de costos a la vida humana.

Uno de los ejemplos representativos sobre los impactos de los procesos de urbanización y cambio
climático sobre el ambiente y la ciudad es Pekín. Esta ciudad es la capital de la República Popular de
China y es la segunda más poblada del país después de Shanghái. De acuerdo con Sun, Yang, y Huang
(2014) alcanzó 20.2 millones de habitantes para el año 2011 con un crecimiento anual cercano al
4% y el área urbana aumentó de 780 km

en el año 1986 a 1164 km

en el año 2001. Este rápido

crecimiento poblacional y expansión urbana ha traído consigo problemas relacionados con el
abastecimiento de agua para la población. En primer lugar es importante resaltar que la principal
fuente de abastecimiento de la ciudad es el agua subterránea proveniente de los acuíferos que
abastece el 75% del agua requerida. Lo anterior se debe a que no hay ríos cercanos con magnitud
suficiente para proporcionar el recurso, por lo que Pekín es catalogada como una ciudad con poca

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agua y ha sufrido escasez desde la década de 1990. En adición a esto, el aumento en la temperatura
promedio anual de la ciudad es mayor que el aumento general del país y las precipitaciones
muestran una tendencia decreciente (Sun et al., 2014). Se afirma también que la calidad de los ríos
ha disminuido puesto que el 48.9% de su longitud total no alcanza los requerimientos ambientales
exigidos. Esto se evidencia en los procesos de eutroficación debido al exceso de nutrientes, el secado
de otros cuerpos de agua y la reducción de humedales (Sun et al., 2014).

2.3 Sistema de drenaje urbano

De acuerdo con Butler y Davies (2005), debido a la interacción entre la actividad del hombre y el
ciclo natural del agua es necesario manejar de manera adecuada el agua residual y agua lluvia. La
primera hace referencia al agua recolectada tras ser usada como soporte vital, mejora de la calidad
de vida o para procesos industriales. Los sistemas de drenaje permiten la recolección y transporte
por una red de tuberías. Los sistemas separados recogen únicamente agua lluvia mientras que los
combinados se encargan también del agua residual de los hogares e industrias y la transportan a las
plantas de tratamiento.

2.3.1 Historia

Estas estructuras han evolucionado con el paso de los años a través de las culturas y creencias de
los pueblos que las construían. Los sistemas de drenaje eran construidos a partir de mecanismos de
prueba y error debido a la ausencia de estándares numéricos. Su primera aparición data del tercer
milenio  antes  de  Cristo  con  el  florecimiento  de  la  civilización  del  Indo.  Como  afirman  Burian  y
Edwards (2002), las ruinas de las ciudades Harappa y Mohnjo-Daro evidencian el sistema construido
por esta civilización con el fin de transportar agua residual y agua lluvia desde los hogares hasta
canales abiertos ubicados en las calles. Se aprecia en la Figura 5, el canal construido sobre el suelo
a  partir  de  ladrillos  quemados  en  la  ciudad  de  Harappa.  Además  de  estos,  los  canales  también
podían ser excavados y techados con rocas para ser descubiertos únicamente durante procesos de
limpieza y mantenimiento.

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Figura 5. Canales de drenaje en la ciudad de Harappa

Fuente: “Drainage” (s.f.).

Figura 6. Cloaca máxima del imperio romano. Fuente:

National Geographic (s.f.).

La civilización persa consideraba el agua lluvia como un recurso sagrado el cual recogían para fines
potables. De igual manera, la civilización minoica entre el 2800 y 1100 antes de Cristo construyó en
la isla de Creta un sistema de drenaje separado para agua lluvia y agua residual. Fabricado en piedra,
era un sistema efectivo debido a las lluvias frecuentes en la zona que permitían el flujo a través del
mismo. Además de otras civilizaciones que continuaron con la construcción de estos sistemas, se
considera que el imperio romano brindó los más importantes aportes en este tema. La construcción
y adecuación de vías con sistemas de drenaje, recolección y almacenamiento de aguas lluvias en las
casas y en áreas urbanas para su posterior uso y construcción de estructuras masivas subterráneas
fueron algunas de las medidas adoptadas. Estas resultaron a partir de la necesidad de almacenar
escorrentía y  remover  el agua  importada  por  los  acueductos  que  no era  consumida.  Las  cloacas
fueron redes de canales abiertos y alcantarillados subterráneos con un flujo constante de agua; la
Figura  6  presenta  la  Cloaca  Máxima,  la  red  más  grande  conocida  de  esta  civilización  (Burian  y
Edwards, 2002).

Aun  así,  durante  los  años  posteriores  a  esta  época  no  se  generaron  innovaciones  importantes
respecto a los sistemas de drenaje. Por el contrario, la vida cerca de cuerpos de agua superficiales
permitía que los pobladores depositaran sus desechos en estos por lo que se generó un sentimiento
de indiferencia hacia las estructuras. Los canales empleados eran abiertos y no solo permitían el
transporte  de  escorrentía  sino  que  funcionaban  como  depósitos  de  distintos  tipos  de  desechos
generando así problemas de  salubridad. A pesar de los esfuerzos generados en Inglaterra con la
actuación pública de 1427 y la Ley de Salud Pública en 1848 no se generó un interés real sobre estos
sistemas.

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2.3.2 Sistema de drenaje actual

El  sistema  de  drenaje  actual  inició  su  proceso  durante  el  siglo  19  donde  grandes  cambios  se
realizaron. Para la época la población tenía una pésima concepción con relación a estas estructuras
puesto  que  eran  fuertemente  relacionadas  con  la  presencia  de  comunidades  de  bajas  clases
sociales. Sin embargo, este pensamiento atravesó un proceso de cambio debido a ciertas medidas.
La primera de estas permitió renovar el concepto integral del sistema. Aunque el propósito principal
de  diseño  era  el  transporte  agua  lluvia,  se  legalizaron  y  construyeron  nuevas  alcantarillas  para
permitir  el  paso  combinado  con  agua  residual.  De  igual  manera  los  procedimientos  de  diseño
comenzaron a basarse en cálculos matemáticos y la opinión de expertos en el tema. Esto implicó
mejoras  en  los  materiales  de  construcción, métodos y  prácticas  de  mantenimiento.  Con este  fin
muchos ingenieros desarrollaron métodos de cálculo empíricos. Como afirman Burian y Edwards
(2002)  entre  ellos  se  encuentran  Bazalgette,  Adams  y  McMath  para  la  primera  mitad  del  siglo
además  de  otros  como  Mulvaney  y  Lloyd-Davies  que  durante  la  segunda  mitad  del  siglo
desarrollaban  conceptos  que  eventualmente  permitirían  la  concepción  del  Método  Racional.  A
continuación se presentan las aproximaciones de algunos de estos ingenieros que permitían diseñar
una tubería para flujo combinado y estaban disponibles durante inicio del siglo XIX.

La primera aproximación fue obtenida por Hawksley donde d representa el diámetro de la tubería
en pulgadas, N es la longitud de la tubería en pulgadas y A el área en acres. Esta se presenta a
continuación.

Ecuación 18. Ecuación de Hawksley o Bazalgette

log𝑑 =

3log𝐴 + log𝑁 + 6.8

La ecuación obtenida por Adams permite calcular el caudal de descarga q en unidades de pies
cúbicos por segundo a partir de un coeficiente empírico C, la pendiente S, el área de drenaje A en
acres y la intensidad de lluvia R en pulgadas por hora.

Ecuación 19. Ecuación de Adams

𝑞 = 𝐶𝑅

0.83

𝑆

0.083

𝐴

0.167

Por último, la ecuación de McMath al igual que la anterior permite a partir de las mismas variables
obtener el coeficiente de descarga q.

Ecuación 20. Ecuación de McMath

𝑞 = 𝐶𝑅

𝑆

0.2

𝐴

0.2

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En adición a lo anterior, la identificación de enfermedades relacionadas con el agua permitió discutir
sobre  el  tratamiento  previo  a  las  descargas y  al  consumo  humano.  Sin  embargo,  no  era clara  la
prioridad entre estas dos opciones. Durante el siglo 20 los métodos de diseño avanzaron debido al
uso  de  computadores  facilitando  así  los  cálculos.  Recientes  cambios  relacionados  con
investigaciones del cambio climático y proyectos orientados a la conservación del medio ambiente
han transformado la perspectiva del drenaje urbano al incluir no solo la salud pública y  prevención
de inundaciones sino también la protección del ecosistema y sostenibilidad.

2.3.3 Visión integral

Desde la década de 1970 han aumentado las acciones encaminadas a considerar el medio ambiente
y el desarrollo humano de manera conjunta. En el año 1972 se creó un concepto propuesto durante
la celebración de la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Humano en Estocolmo. Dicha
idea  aspiraba a la producción inteligente con mínimo desperdicio, marcando así el inicio de esta
integración  con  el  ambiente.  La  idea  del  desarrollo  sostenible  se  consolidó  después  de  la
Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo en  el año 1992, siendo
aceptada por 179 gobiernos. La Agenda 21 es un plan de acción exhaustivo en el que se plantean
objetivos  como  proveer  vivienda  digna  a  toda  la  población,  promover  el  desarrollo  sostenible  y
manejo  del  uso  del  suelo  e  impulsar  la  prestación  integrada  de  la  infraestructura  ambiental:
abastecimiento,  alcantarillado,  drenaje  y  gestión  de  residuos  sólidos  (Miguez,  Rezende,  y  Pires,
2014). También se describen bases y agentes para las distintas actividades, objetivos y medios de
ejecución.

Debido a esto se han desarrollado conceptos cuya función radica en  tratar de restablecer el ciclo
hidrológico natural de una zona que ha sido afectada por procesos de desarrollo. Sin embargo, estas
aproximaciones  varían  debido  a  que  pueden  ser  técnicas,  conceptos  y  principios  generales  para
manejar  únicamente  la  escorrentía  o  el  ciclo  integral  urbano  del  agua.  Esto  depende  de  las
necesidades propias del desarrollador por lo que existen diversos conceptos. Algunos de estos son
LID (Low Impact Development), WSUD (Water Sensitive Urban Design), IUWM (Integrated Urban
Water  Management),  SUDS  (Sustainable  Urban  Drainage  System),  BMP  (Best  Management
Practices), SCM (Stormwater Control Measures) y GI (Green Infrastructure).

Como afirma Miguez et al. (2014), los BMP son prácticas estructurales diseñadas para reducir los
volúmenes  de  escorrentía  a  través  de  procesos  de  infiltración,  filtración,  procesos  biológicos  o
químicos,  retención  y  detención  que  han  sido  implementadas  en  Estados  Unidos  y  Canadá.  El
término LID Incluye zonas de bioretención, techos verdes, pavimentos permeables, entre otros y
tiene  como  principio  preservar  las  condiciones  naturales  del  paisaje  minimizando  las  superficies
impermeables  y  creando  espacios  destinados  al  tratamiento  de  la  escorrentía.  Los  SUDS  son
ampliamente  utilizados  en  el  Reino  Unido  y  buscan  reducir  los  problemas  de  cantidad  y  calidad

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asociados con la urbanización y mejorar la biodiversidad. Tiene como ideal desarrollar sistemas de
drenaje que favorezca la planeación urbana y el control de riesgos ambientales.

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3 SISTEMAS DE DRENAJE URBANO SOSTENIBLE (SUDS)

Los  sistemas  de  drenaje  urbano  sostenible  son  medidas  destinadas  a  realizar  un  adecuado
mantenimiento  del  agua  lluvia  en  centros  urbanos  además  de  mejorar  los  espacios  verdes  y  la
calidad del ambiente. Existen distintas tipologías que buscan a partir de procesos como infiltración,
retención y detención, recolectar, transportar y posteriormente descargar, de manera controlada,
agua lluvia al suelo, cuerpo receptores o alcantarillado (Jose, Wade, y Jefferies, 2015).

La filosofía de estas estructuras es maximizar las oportunidades y beneficios obtenidos de la gestión
de aguas superficiales tan cerca de la fuente como sea posible, minimizando los impactos negativos
generados sobre el ambiente. Existen cuatro categorías principales en las que se enfocan los SUDS:
cantidad y calidad del agua, amenidad y biodiversidad. En primer lugar el control de la cantidad de
escorrentía permite proteger y mantener el ciclo natural del agua además de apoyar la gestión ante
riesgo de inundación. El manejo de la calidad de agua busca prevenir la contaminación generada
sobre cuerpos de agua y la amenidad busca crear zonas para las personas, su desarrollo económico,
personal y social. Por último se promueve la creación y conservación de hábitats para el cuidado de
la naturaleza y la biodiversidad (CIRIA, 2015).

En  la  literatura  se  reportan  los  beneficios  esperados  asociados  con  la  implementación  de  SUDS.
Dentro de estos se reportan ventajas económicas, ambientales, recreacionales, biológicas, técnicas,
estéticas y silvestres. Proteger la calidad del agua subterránea, preservar el paisaje, mejorar la salud,
fomentar la educación ecológica en los habitantes, mejorar la apariencia de  las zonas urbanas  y
cuidar  los  regímenes  naturales  de  los  cuerpos  de  agua  superficiales  son  algunos  de  los  aspectos
mencionados. De igual forma se destaca su posibilidad de uso en zonas tanto no desarrolladas como
previamente urbanizadas para lo cual se lleva a cabo un proceso de rehabilitación. Algunas de las
estructuras requieren poco espacio y pueden tener múltiples usos maximizando así el uso del suelo.

Para lograr los objetivos propuestos se debe tener en cuenta la gestión del agua superficial desde el
inicio del proceso de  planeación para el desarrollo de  una zona urbana. Para esto se requiere  la
intervención de profesionales de varias áreas y su trabajo conjunto. En adición a esto, los sistemas
de  drenaje  convencionales  son  planeados,  diseñados  y  construidos,  generalmente,  por  solo  una
institución. Stahre (2005) afirma que el proceso de diseño de SUDS es más complejo debido a que
requiere  la  intervención  de  varias  instituciones  gubernamentales.  Esto  se  evidencia  como  un
problema importante debido a que el autor narra la experiencia de la ciudad de Malmo donde estas
estructuras se han implementado desde finales de la década 1980. Allí fue necesaria una cantidad
considerable de años para desarrollar un esquema apropiado que permita la implementación de las
estructuras a partir del trabajo coordinado entre distintas instituciones.

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Estas medidas pueden ser estructurales y no estructurales. Dentro de estas últimas se encuentran
aquellas que utilizan educación e incentivos para modificar el comportamiento humano. Algunas de
las tipologías de los SUDS estructurales son los techos verdes, tanques de almacenamiento, cuencas
de  drenaje,  cunetas  verdes,  árboles,  pavimentos  porosos,  humedales  artificiales,  pondajes
húmedos,  zonas  de  bioretención,  sumideros,  franjas  infiltrantes  y  drenajes  filtrantes  (Rodríguez,
2015).  Cada una de estas estructuras no debería considerarse de forma individual y su integración
puede constituir una secuencia de componentes conocido como tren de manejo de aguas lluvias.
Con esto se obtiene un control en la fuente, local y regional.

A continuación se describen las principales medidas estructurales de acuerdo con CIRIA (2015) junto
con su efecto sobre la reducción en los volúmenes de escorrentía.

3.1.1 Techos verdes

Estas  estructuras  de  control  en  la  fuente  son  áreas  de  vegetación  ubicadas  en  los  techos  de  los
edificios.  Los  techos  verdes  deben  ser  compatibles  con  la  estructura  de  cada  edificio  y  deben
garantizar su protección mediante membranas impermeables y barreras contra raíces. Por esto, son
más costosos de mantener y construir aunque son reconocidos por un amplio rango de beneficios
asociados con su implementación.

En primer lugar los techos verdes permiten almacenar agua lluvia en su estrato de suelo que será
posteriormente  evapotranspirada,  reduciendo  así  la  generación  de  escorrentía  y  el  flujo  al  pico.
Algunos de los factores que influencian la retención son el tiempo seco antecedente, características
de la lluvia, pendiente del techo, velocidad de viento y radiación solar. De acuerdo con CIRIA (2015)
existen dos tipologías para esta estructura. Los techos verdes extensivos tienen, generalmente, un
espesor de suelo entre 20 y 150 mm con una o muchas capas y requieren mantenimiento mínimo.
En adición a esto son livianos, poco costosos y útiles para grandes pendientes. Por el contrario los
techos  intensivos  tienen  un  espesor  de  suelo  mayor  a  150  mm  con  mayores  requerimientos  de
mantenimiento  que  los  extensivos.  Aunque  transfieren  mayor  carga  estructural  al  techo  tienen
grandes beneficios estéticos y de retención de agua.

Según las características del lugar y de la estructura es posible lograr una reducción en la cantidad
de energía utilizada en los edificios. De acuerdo con Wise et al. (2010), un modelo especializado
encontró una reducción del 2 % de la energía total utilizada para edificios en Chicago y Houston y
de 1.2 % en Madrid a partir de la implementación de estas estructuras. La reducción frente a un
techo convencional varía aproximadamente entre 70 - 90 % en verano y 10 – 30 % en invierno. En
adición a ésta es posible lograr la mitigación del fenómeno de “isla de calor” a través del
enfriamiento por evaporación.

Otros de los beneficios reportados a partir de la implementación de un techo verde son captura de
carbono, reducción en las emisiones de gas de efecto invernadero, mejora de la calidad del aire,

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reducción del ruido, extensión de la vida útil de un techo, estímulo para la biodiversidad y ofrecer
hábitat para muchas especies. A partir de estudios realizados en Alemania y Austria se encontró que
insectos voladores como abejas y mariposas, además de arañas, caracoles, escarabajos, chicharras
y  hormigas  son  comunes  en  estas  estructuras.  Algunas  fueron  incluso  listadas  como  especies
amenazadas (Thuring y Grant, 2015). De igual forma, Parkins y Clark (2015) desarrollaron un estudio
en Queens donde comprobaron que ciertas especies de murciélagos registraban mayor actividad en
techos  verdes  que  en  techos  convencionales,  sugiriendo  así  que  estas  estructuras  tienen  efecto
sobre la abundancia de presas disponible para estos animales en centros urbanos. Sin embargo, lo
anterior depende  de  factores como las condiciones del entorno y la conectividad entre espacios
verdes.

La estructura típica se presenta en la Figura 7 con sus componentes principales: membrana
impermeable, barrera contra raíces, capa de drenaje, geotextil, suelo y vegetación. La primera es un
componente vital del cual depende o no la necesidad de una barrera contra raíces puesto que su
función principal es proteger la membrana. La capa de drenaje permite drenar el exceso de agua del
techo y está conectado a una canaleta u otro elemento. Esta puede ubicarse en cualquier posición,
ya sea lateral o uniendo dos áreas del techo. El geotextil previene la colmatación del drenaje debido
al suelo, por esto se sitúa entre las dos capas. Por último, el tipo de suelo debe tener un espesor
mayor a 80 mm, ser liviano y proveer el oxígeno, nutrientes y humedad requeridos para las plantas.

Figura 7. Estructura típica de los techos verdes. Fuente: CIRIA (2015).

Como afirman Li y Babcock (2014) las investigaciones sobre techos verdes han tenido un rápido
crecimiento por lo que es uno de los temas más importantes hoy día en las áreas de ingeniería,
arquitectura, ecología y ciencias ambientales. Se presenta en la Tabla 1 y la Tabla 3 una síntesis del
desempeño de varias de estas estructuras bajo diferentes condiciones generales de acuerdo con lo

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reportado en la literatura. Estos resultados se dan en términos de retención, lo que representa la
cantidad de agua lluvia almacenada y evapotranspirada por la estructura.

Carson et al. (2013) reportan una retención general entre el 36 % y 61 % para tres techos verdes
monitoreados en la ciudad de Nueva York  y una retención total para eventos menores a 10 mm
aunque  no  se  reportan  datos  de  duración  o  intensidad  de  lluvia.  En  adición  encontraron  una
variabilidad  estacional  con  menor  desempeño  en  épocas  en  invierno.  Spolek  (2008)  obtiene
reducciones entre 12 y 25 % para tres techos en Portland durante periodos de monitoreo distintos.
Alta variabilidad estacional y una mejora en la retención de las estructuras para meses con menor
lluvia fueron otras de las conclusiones del estudio. Por el contrario Hutchinson, Abrams, Retzlaff y
Liptan (2003) implementaron un techo verde en un edificio existente y lo dividieron en dos partes:
este y oeste. Sin embargo, solo el lado oeste fue evaluado y se registró una retención del 69 % de
agua lluvia. Este valor es mayor al reportado por Spolek para la misma ciudad, lo que confirma el
comportamiento variable de estas estructuras. Carter y Rasmussen (2006) reportan una retención
promedio del 78 % para los eventos monitoreados en un techo verde respecto al sitio control y un
retraso entre 0 y 10 minutos al pico para el 57 % de los eventos. Mientras que el tiempo al pico
promedio  para  el  sitio  control  fue  de  17 minutos,  para  el  techo  verde  fue  de  34.9  minutos.  Por
último,  Hathaway,  Hunt  y  Jennings  (2008)  implementaron  techos  en  Goldsboro  y  Kinston  con
diferentes composiciones y espesores. A partir del monitoreo reportaron una reducción promedio
de 77 % y 88 %, respectivamente.

Todos estos autores notaron una relación inversa entre profundidad de precipitación y la retención
de  la estructura. Como se aprecia en la  Gráfica 1,  Spolek  (2008) encontró  una disminución en la
eficiencia de retención con el aumento de la profundidad de lluvia, donde se presentan los techos
en el mismo orden que la Tabla 1. Los eventos con profundidad mayor a 15 cm en estudio no fueron
comunes,  sin  embargo  ante  su  aparición  la  retención  de  los  techos  fue  menor  a  20  %.  De  igual
manera Carter y Rasmussen (2006) reportan una retención del 88 % de la lluvia para eventos con
profundidad menor a 2.54 cm, del 54 % para eventos entre 2.54 y 7.62 cm y del 48 % para eventos
mayores a 7.62 cm.

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Gráfica 1. Retención mensual de tres techos verdes ubicados en Portland. Tomado de: Spolek (2008).

Tabla 1. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de los techos verdes en Estados Unidos.

Referencia

Ciudad

Monitoreo

Área

)

Espesor

(mm)

Retención

(%)

Comentarios

Carson et

al. (2013)

Nueva

York

1 año, 243 eventos
La mayoría con
profundidad entre
0 – 10 mm

310

La  reducción  general  para
eventos  con  profundidad
entre  0  –  10  mm  fue  del
100 %

390

100-200

940

100

Spolek

(2008)

Portland

28 meses
Profundidad

lluvia entre 0.2 y
32.7 mm

290

100-150

La retención para verano
estuvo entre 7 – 85 %
mientras que para invierno
entre 0 – 52 %.

280

100-150

20 meses
Profundidad

lluvia entre 0.2 y
22.2 mm

500

150

Hutchinson

et al.

(2003)

Portland

15 meses
Profundidad

lluvia hasta de
200 mm

243

100-127

Se presenta una reducción
del flujo al pico para 4
eventos entre 80 y 94 %.

100

ten

ción

)

Profundidad mensual de lluvia (cm)

Retención mensual de tres techos verdes ubicados en Portland

Techo 1

Techo 2

Techo 3

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Carter y

Rasmussen

(2006)

Atenas

meses,

eventos con 1079
mm

42.64

76.2

La reducción general para
eventos con profundidad
menor a 1.27 m fue mayor
al 90 % y retraso entre 0 y
10 minutos al pico para el
57 % de los eventos.

Hathaway

et al.

(2008)

Goldsboro

meses

con

1270

intensidad media
de 39 mm/hr

Reducción de flujo al pico
de 77 % y 88 % para los dos
techos.

Kinston

7 meses con 350
mm e intensidad
media

mm/hr

100

Fassman-Beck, Voyde, Simcock y Hong (2013) monitorearon 3 techos verdes con diferente espesor
y  diferentes  mezclas  de  suelo  entre  piedra  volcánica,  corteza  de  pino,  zeolita, materia  orgánica,
arcilla expandida y piedra pómez. La retención obtenida para eventos con profundidad mayor a 2
mm varió entre 56 y 76 % mientras que la mitigación del flujo al pico fue de 90, 62-74 y 84 % para
los techos 1,2 y 3, respectivamente. Se evidenció un decrecimiento en la efectividad de retención
con  el  aumento  de  la  profundidad  de  lluvia  y  un  mejor  desempeño  para  estructuras  con  mayor
espesor de  suelo. Por último se  reportó una retención promedio entre 83  –  92 %  para verano y
66 % para invierno demostrando así la variación estacional de los techos. Stovin, Vesuviano y Kasmin
(2012)  encontraron  una  retención  del  50.2  %  para  la  totalidad  de  los  eventos  y  un  30.2  %  de
retención promedio para 21 eventos escogidos. Conelly (2005) implementó dos techos verdes con
diferente  espesor  y  encontró  una  retención  de  29  %  y  26  %  además  de  variación  estacional.  Se
presenta en la Tabla 2 el porcentaje de retención, retraso del tiempo al pico y reducción del flujo al
pico  para  4  eventos  con  profundidades  e  intensidades  distintas.  Es  posible  concluir  que  su
efectividad  depende  directamente  de  la  profundidad  e  intensidad  de  lluvia,  por  lo  que  para  los
primeros dos eventos este comportamiento es  bajo mientras que  para los demás el desempeño
mejora con la disminución de estos valores.

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Tabla 2. Comportamiento de dos techos verdes ubicados en Vancouver. Fuente: Conelly (2005).

Duración

(hr: min)

Profundidad

(mm)

Intensidad

(mm/15 min)

Retención

(%)

Retraso tiempo

al pico (min)

Reducción flujo

al pico (%)*

23:00

39.4

1.8

00:15

11:45

17.5

2.3

00:30

18:00

17.3

0.8

00:15

01:00

2.8

1.3

00:15

04:15

3.6

0.5

04:15

*Respecto al techo control

Razzaghmanesh, Beecham y Kazemi (2014) monitorearon dos techos extensivos e intensivos para
los  cuales  encontraron  una  retención  promedio  entre  66.38  -  81.66  %  y  85  –  92.19  %,
respectivamente.  De  igual  forma  se  encontró  una  atenuación  importante  del  flujo  al  pico  y
disminución en el tiempo de generación de escorrentía. Liu y Minor (2011) reportan una retención
del 57 % para dos techos verdes con un retraso en el tiempo de generación de escorrentía entre 20
y 40 minutos en verano además de reducción en el flujo al pico entre 25 y 60 %. Por último, Bliss,
Neufeld y Ries (2009) encontraron una reducción en el volumen de escorrentía entre 5 – 69 % y
entre 5 – 70 % para el flujo al pico frente al techo control.

Tabla 3. . Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de los techos verdes en otros países.

Referencia

Ciudad

Monitoreo

Área

)

Espesor

(mm)

Retención

(%)

Comentarios

Fassman-

Beck et al.

(2013)

Auckland

28 meses

217

50 – 150

Retención

según

profundidad del evento:



2- 25 mm: 60 – 84 %



26 – 69 mm: 31 – 58 %



> 70 mm: 22 – 39 %

14 meses

100, 150

56, 66

8 meses

500

100

Stovin et al.

(2012)

Sheffield

meses,

eventos  escogidos
con  profundidad
entre  8.8    y  99.6
mm,

duración

entre 2 y 42 hr e
intensidad

entre

7.2 y 50.4 mm/hr
(5 min)

30.2

Retención del 50.2 % para
468 eventos monitoreados
y retención máxima del
techo de 20 mm.
Retención hasta del 100 %
para

eventos

con

profundidad

menor

2 mm y disminución en la
retención con el aumento
en el periodo de retorno.

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Conelly

(2005)

Vancouver

1 año, 25 eventos
con 1508 mm

Retención del 86 % y 18 %
para época seca y húmeda,
respectivamente del techo
con 75 mm de espesor y
retención del 94 % y 13 %
para el otro techo en las
mismas épocas.

150

Razzaghma

nesh et al.

(2014)

Adelaide

años,

226

eventos con 967.8
mm con intensidad
media entre 0.31
mm/hr

7.16

mm/hr

1.8

100-250

85-92

Atenuación del flujo al pico
entre 16.64 % y 95.83 %  y
retraso  en  el  tiempo  de
generación  de  escorrentía
entre 1 y 39 hr

1.8

300

66-82

Liu y Minor

(2011)

Toronto

meses

con

intensidad máxima
de 12.2 mm/5
minutos

200

Reducción del 100 % para
eventos con profundidad
menor a 15 mm.

Atenuación del flujo al pico
entre 25–60 % para verano
y 10-30 % para primavera.

200

100

Bliss et al.

(2009)

Pittsburgh

meses,

eventos

con

profundidad desde
1 mm hasta 56 mm

330

140

5-69

Reducción en el flujo al
pico entre 5 y 70 %

En  la  Gráfica  2  se  presenta  la  retención  acumulada  reportada  por  cada  una  de  las  referencias
presentadas previamente. Sin embargo, los resultados no se reportaron en la misma base por lo que
en  la  gráfica  la  reducción  por  evento  se  presenta  con  trama  mientras  que  para  precipitación
acumulada  se  presenta  con  relleno  sólido.  Todas  las  investigaciones  consultadas  indicaron
reducciones  importantes  en  el  volumen  de  escorrentía  a  partir  de  la  implementación  de  techos
verdes y los valores varían entre 26 – 69 % para base acumulada y entre 5 – 92 % (incluyendo los
valores reportados por Bliss et al. (2009) y Razzaghmanesh et al. (2014)).

Para cada uno de los estudios aquí presentados se escogieron métodos de análisis y composiciones
distintas para los techos verdes por lo que no es posible compararlos de forma directa. En adición a
esto, como afirman Carson, Marasco, Culligan y McGillis (2013) ningún techo verde se comporta
igual a otro debido a las variaciones en las características del sistema. Los factores meteorológicos
de la zona pueden afectar el crecimiento de las plantas así como el proceso de evapotranspiración,

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la pendiente del techo disminuye la reducción en volumen y flujo al pico de escorrentía y el tiempo
antecedente seco define la capacidad de retención de la estructura.

A pesar de lo anterior la mayoría de los eventos evidenciaron menor eficiencia con el aumento de
la  profundidad  de  lluvia.  Los  eventos  pequeños  fueron  casi  totalmente  interceptados  en  las
investigaciones mientras que a partir de cierta profundidad de lluvia el sistema generaba escorrentía
debido a la saturación del suelo. Incluso se evidenció la alta variabilidad estacional y las mejoras en
el  desempeño  para  épocas  de  verano  debido  a  la  disminución  en  intensidad,  profundidad  y
frecuencia de lluvia.

Con respecto a la reducción del flujo y tiempo al pico, aunque estos valores no fueron reportados
por todos los autores, se concluye que los techos verdes sí tienen impacto sobre estas variables pero
están fuertemente relacionadas con las características de lluvia. Los valores para reducción del flujo
al pico fueron entre 5 – 95 % para las investigaciones y entre 0 a 10 minutos de retraso al pico (solo
reportado por un autor).

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Gráfica 2. Retención porcentual reportada en la literatura en base acumulada (relleno) o por evento (con trama).

3.1.2 Estructuras de infiltración

Las estructuras de infiltración son sistemas cuya función principal es reducir los volúmenes de
escorrentía a partir de promover la infiltración y recarga de agua subterránea. Las franjas infiltrantes
son excavaciones largas y poco profundas cubiertas por un filtro y llenas de piedras con el fin de
crear reservorios para la escorrentía la cual llega debido a la pendiente existente tras deprimir la
estructura. Sus beneficios incluyen reducción en el volumen de escorrentía, reducción del riesgo de
inundación aguas abajo, recarga de flujo base y agua en acuíferos para eventos de menor magnitud
que el de diseño, muy apropiado para espacios pequeños debido a que no requiere mucho espacio
y remoción de sólidos suspendidos totales, fósforo total, nitrógeno, metales pesados, entre otros.
Por el contrario al ser muy susceptible a taponamientos tiene altos requerimientos de
mantenimiento e inspección. Además requiere una estructura de pre-tratamiento de la escorrentía
para reducir las velocidades de entrada y sedimentos (Metropolitan Council y Barr Engineering Co.,
s.f.). Su estructura típica se presenta en la Figura 8. Consisten en un geotextil de gran permeabilidad,
material de relleno y una tubería perforada.

Las cuencas de infiltración son embalses vegetados que permiten el almacenamiento temporal de
escorrentía  y  su  posterior  infiltración.  Permiten  remover  contaminantes  a  través  de  actividad
química y biológica en el suelo y a reducir el volumen y flujo al pico.  Se diseñan para un evento
máximo y se debe garantizar que  el agua drene en máximo 72 horas para evitar condiciones no

Carson et al.

(2013)

Spolek (2008) Hutchinson et

al. (2003)

Carter y

Rasmussen

(2006)

Hathaway et al.

(2008)

Fassman-Beck

et al. (2013)

Stovin et al.

(2012)

Conelly (2005)

Liu y Minor

(2011)

cci

)

Retención porcentual reportada en literatura

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deseadas como olores, estados anaerobios, entre otras. Estas dos estructuras son adecuadas para
lugares donde el suelo tenga alta permeabilidad y la carga de contaminantes y sedimentos no sea
importante, para evitar así la contaminación de acuíferos.

Figura 8. Estructura típica de una franja infiltrante. Adaptada de: CIRIA (2015).

Algunos investigadores han caracterizado el comportamiento de las estructuras de infiltración para
cuantificar la reducción en el volumen y flujo al pico de la escorrentía generada por cuencas urbanas.
Emerson, Wadzuk y Traver (2010) monitorearon una zanja de infiltración en Pensilvania, Estados
Unidos, llena de piedra triturada sin pre tratamiento. Lo anterior se realizó durante 33 meses en los
cuales se registraron 3700 mm de precipitación de los que tan solo 830 mm entraron al sistema. Se
encontró que la mayoría de los eventos superaron la capacidad de la estructura obligando la salida
del  exceso  de  agua  por  una  tubería  debido  al  gran  tamaño  del  área  de  drenaje.  De  igual  forma
Abbott  y  Comino-Mateos  (2001)  encontraron  a  partir  de  un  monitoreo  durante  20  meses  una
intercepción entre el 46.9 % y 85.26 % de la escorrentía generada y tiempos de vaciado entre 2 y 3
semanas  cuando  algunas  entidades  recomiendan  un  tiempo  máximo  de  24  horas.  Por  último
Warnaars, Larsen, Jacobsen y Mikkelsen (1999) instalaron dos zanjas de infiltración en Copenhague
donde registraron 7 desbordamientos para 89 eventos de precipitación. Entre estos hay un evento
de 5 días de duración y 26.2 mm de precipitación mientras que un evento de 20 días y 63.3 mm no
generó exceso de agua. Lo anterior demuestra que mayores intensidades de lluvia no permiten la
infiltración y generan un exceso de agua que debe ser evacuado. Sin embargo, es evidente que los
dos eventos mencionados tienen muy bajas intensidades comparados con otros. De acuerdo con la
Agencia Estatal de Meteorología (2015) la lluvia puede ser clasificada según su intensidad. Aquellos
eventos con intensidad menor a 2 mm/hr son considerados débiles y fuertes aquellos con intensidad
superior a 60 mm/hr. A partir de lo anterior se puede concluir que los eventos monitoreados por
Warnaars et al. (1999) son débiles y aun así las estructuras no tuvieron un buen desempeño por lo
que ante una intensidad mayor su implementación no sería efectiva.

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Tabla 4. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de las estructuras de infiltración en campo.

Referencia

Características

Intercepción

Abbott & Comino-Mateos

(2001)



Monitoreo durante 20 meses
(17 eventos individuales)



Cuenca drenada de 300 m



Trampa de sedimentos como pre-
tratamiento



Reducción de la escorrentía
entre 46.9 % – 85.26 %



Tiempo de vaciado entre 2 y
3 semanas

Warnaars et al. (1999)



Monitoreo durante casi 3 años
(89 eventos individuales)



Cuenca drenada de 600 m



Geotextil para evitar colmatación



registraron

desbordamientos durante el
periodo de estudio



Reducción  de  la  escorrentía
anual  del  94  %  para  una
conductividad  hidráulica  de
2*10

-6

m/s

Emerson et al. (2010)



Monitoreo durante casi 3 años
(89 eventos individuales)



Cuenca drenada de 1900 m



Capacidad

efectiva

almacenamiento de 5.7 m



Sin pre-tratamiento



La mayoría de los eventos
generaron desbordamiento

La mayoría de los reportes consultados son modelos que tienen como enfoque principal determinar
la  variación  en  la  tasa  de  infiltración  de  las  estructuras.  Bergman  et  al.  (2011)  monitorearon  las
zanjas  de  infiltración  instaladas  en  Copenhague  por  Warnaars  et  al.  15  años  después  de  su
instalación. A partir de los resultados realizaron un modelo para predecir el comportamiento de las
estructuras a futuro. Encontraron que la efectividad se reduce de manera más importante debido a
la colmatación durante los primeros años de operación y el número de desbordamientos se duplica
durante los 10 años iniciales. Tras 100 años de operación sin mantenimiento se espera un volumen
de  escorrentía  generado  10  veces  mayor  al  del  año  base.  Como  afirman  Duchene,  McBean  y
Thomson  (1989)  la  variación  en  la  tasa  de  infiltración  depende  de  factores  como  tipo  de  suelo,
contenido de humedad antecedente y distancia a la tabla de agua. Sin embargo, la colmatación tiene
el mayor impacto para zanjas con poca profundidad por lo que no se recomienda su utilización.

El número de estudios realizados sobre estas estructuras en campo son muy reducidos, sin embargo
varios investigadores han implementado herramientas computacionales para analizar su

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comportamiento. Browne (2011) desarrolló un modelo de dos dimensiones con estas estructuras
para una cuenca de 100 m

en el que reportó una reducción entre el 20 % y 80 % en el volumen de

escorrentía  y  a  un  tercio  su  frecuencia  de  ocurrencia.  Estos  resultados  son  válidos  para  las
condiciones de la ciudad de Melbourne y Brisbane con dos tipos de suelo: suelo franco arenoso y
arena arcillosa. De igual forma se reportó la disminución en la efectividad hidrológica debido a la
colmatación, reduciendo desde un 80 % al inicio de la operación hasta un 5 % en los siguientes 50
años. Herath, Musiake, Silva, y Hironaka (s.f.) también implementaron un modelo para el que se
obtuvieron reducciones del flujo al pico en áreas residenciales en Tokio de 1 %, 2 % y 4 % para franjas
de infiltración con longitud de 50 m, 100 m y 200 m, respectivamente, al igual que una reducción en
el volumen de escorrentía entre 40 % y 60 %. Por último, Freni, Mannina, Viviani e Idraulica (2010)
utilizaron  datos  históricos  de  precipitación  de  la  ciudad  de  Palermo  para  caracterizar  el
comportamiento  de  una  zanja  de  infiltración  bajo  la  presencia  de  distintos  suelos  (grava,  arena,
arena franca y suelo franco arenoso). Se encontró que la reducción en el volumen de escorrentía
para el periodo analizado estuvo entre 20 % y 60 % según el tipo de suelo aunque para el 20 % de
los  eventos  simulados  se  registraron  desbordamientos.  Se  afirma  también  que  para  eventos  de
precipitación cortos e intensos como los modelados, las estructuras de infiltración interceptan solo
un pequeño porcentaje de la totalidad del evento.

Tabla 5. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de las zanjas de infiltración con modelos.

Referencia

Características de lluvia

Eficiencia

Browne (2011)



Melbourne y Brisbane (1996-2006)



Precipitación media anual:

 Melbourne: 653 mm
 Brisbane: 1172 mm



Intensidad para eventos de 6 minutos:

 Melbourne: 44 mm/hr
 Brisbane: 110 mm/hr



Reducción del volumen de
escorrentía entre el 20 – 80 %
según el tipo de suelo



Después de 10 años de
operación

efectividad

disminuyó a la mitad

Herath et al. (s.f.)



Cuenca Maehara y Ebi (1992-1995)



Precipitación total (1995):

 Maehara: 2500 mm/año
 Ebi: 1500 mm/año



Reducción del flujo al pico de
1 %, 2 % y 4 % para zanjas con
longitud de 50 m, 100 m y 200
m, respectivamente.



Reducción en el volumen de
escorrentía entre 40 % y 60 %

Freni et al. (2010)



Palermo (1994-1999)



Profundidad máxima anual: 655 mm



Intensidad media máxima: 9.7 mm/hr



Intensidad máxima en 5 minutos:
42.8 mm/hr



Reducción del volumen de
escorrentía entre el 18 – 80 %
según el tipo de suelo



Desbordamiento para el 20 %
de los eventos simulados

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Proyecto de grado

Locatelli  et  al.  (2015)  también  desarrollaron  un  modelo  para  evaluar  la  reducción  anual  de
escorrentía para las condiciones de la ciudad de Copenhague bajo diferentes escenarios y tipos de
suelo. Encontraron reducciones entre 92- 100 % para suelo franco arenoso, 61 – 73 % para franco
limoso  y  38-57  %  para  franco  arcillo-limoso.  Sin  embargo,  estos  resultados  mostraron  gran
incertidumbre. En adición se reportó que un aumento importante en el tamaño de la zanja conlleva
únicamente  a  un  aumento  del  20  %  en  la  reducción  anual  de  escorrentía  por  lo  que  son  más
eficientes aquellas estructuras diseñadas para eventos con periodos de retorno bajos. Finalmente
se concluyó que aquellos suelos con una conductividad hidráulica menor o igual a 1*10

-7

m/s no son

adecuados para implementar una zanja de infiltración debido a que requieren volúmenes muy
grandes para obtener reducciones en la escorrentía anual entre 16-70 %.

En resumen es posible concluir que las estructuras de infiltración no tienen un buen desempeño
bajo eventos intensos. Lo anterior se evidencia en el estudio presentado por Emerson et al. (2010)
donde se registraron desbordamientos para la mayoría de los eventos al igual que Warnaars et al.
(1999) donde se generó exceso de agua para un evento de menor duración comparado con otro de
mayor duración y profundidad. De igual manera el efecto de su colmatación es importante y afecta
la retención de la estructura. A partir de los modelos computacionales se determinó una reducción
en el volumen de escorrentía entre 18 y 80 % para profundidades de lluvia hasta 2500 mm por año.
De igual manera la reducción del flujo al pico fue reportada solo por un estudio entre 1 y 4 % que
aumenta con el tamaño de la estructura.

3.1.3 Cuneta verde y Buffer

Las  cunetas  verdes  son  canales  poco  profundos  con  sección  transversal  en  forma  trapezoidal  o
parabólica  que  permite  transportar  y  tratar  la  escorrentía  generada  por  áreas  de  drenaje  como
zonas residenciales, de parqueo y vías. Cubiertas por césped o cualquier otro tipo de vegetación
sirven como control en la fuente y han sido ampliamente utilizadas para proyectos de carreteras.
Disminuye  la  velocidad  de  la  escorrentía  por  lo  que  reduce  los  flujos  al  pico,  tiene  pocos
requerimientos  de  mantenimiento,  se  puede  implementar  en  casi  todo  tipo  de  suelo  y  es  poco
costoso. Cada estructura puede tratar un área pequeña, no reduce los niveles de bacterias y puede
sufrir daños al estar ubicada cerca de vías.

Existen tres tipos de cuneta. El primero de ellos es la estructura básica compuesta por un canal poco
profundo y vegetado que recolecta y transporta la escorrentía del área drenada. El segundo tipo es
similar al primero aunque se caracteriza por tener condiciones húmedas en su base. Por último se
tiene la cuneta seca con un lecho filtrante y un dren en la base como se presenta en la Figura 9.

Son adecuadas para vías y parqueaderos pero difíciles de implementar en centros urbanos donde el
espacio es limitado. En adición, sitios con actividad industrial pueden ser adecuados debido a que
es fácil detectar la contaminación en esta estructura y rehabilitarla sin afectar el agua subterránea.

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Proyecto de grado

Esta práctica de infiltración mejora la calidad del aire debido a la absorción de contaminantes
gaseosos y deposición de material particulado, reduce el efecto causado por el fenómeno de “Isla
de calor”, captura el carbono y aumenta el valor de las propiedades aledañas.

Debido a que las calles y avenidas tienen una carga contaminante incluso mayor a la de los techos
(Dierkes, Göbel, Benze y Wells, 2008) la mayoría de las cunetas son implementadas en estas áreas.
Para esto se debe tenerse en cuenta que las condiciones climáticas permitan el crecimiento de las
plantas, que su ubicación no afecte otras estructuras cercanas debido a la infiltración de agua y se
debe tener especial cuidado con su apariencia debido a que de esto depende la aceptación de la
sociedad.

Los buffer son zonas vegetadas ligeramente empinadas que promueven la filtración, evaporación,
sedimentación e infiltración, transportan la escorrentía de forma lenta y son utilizados comúnmente
como pre-tratamiento. Adecuados para zonas residenciales, comerciales e industriales pero no para
lugares contaminados. Son más eficaces para el tratamiento de calidad que de cantidad.

De acuerdo con Metzger et al (2008) la presencia de mosquitos en estas estructuras depende de
diversos factores estructurales y no estructurales como diseño, mantenimiento, ubicación, defectos
de construcción y aumento en los niveles del agua subterránea. Los autores monitorearon varias
estructuras  en  Los  Ángeles  durante  3  años  con  el  fin  de  describir  la  presencia  de  mosquitos  e
identificar  las  condiciones  que  posibilitan  su  proliferación.  Para  6  cunetas  verdes  se  observó  la
presencia de mosquitos jóvenes de 4 especies diferentes en 26 de las 600 visitas realizadas en solo
4 de los sitios. Sin embargo, tras el reemplazo del disipador de energía de la estructura por placas
de hormigón con piedra incrustada se logró eliminar el agua estancada y así evitar totalmente la
presencia de mosquitos.

Figura 9. Estructura típica de una cuneta seca. Fuente: CIRIA (2015).

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Proyecto de grado

Rushton (2001) realizó un estudio en Florida donde cuantificó la reducción de escorrentía generada
por cuatro tratamientos distintos: pavimento de asfalto, pavimento de asfalto con cuneta verde,
pavimento de cemento con cuneta verde y pavimento poroso con cuneta verde. Tras un año de
monitoreo encontró una reducción entre 26 y 68 % para los casos 2 y 3 y una reducción entre 50 y
77 % para el último caso. También expuso que el comportamiento de los diferentes tratamientos
fue  importante  para  eventos  pequeños  (profundidad  menor  a  5  cm)  pero  a  partir  de  eso  todos
generaron cantidad similares de escorrentía. Barrett (2005) reportó una reducción en la escorrentía
del 47 % para 6 cunetas verdes ubicadas en California. Bäckström, Viklander y Malmqvist (2006)
exponen una reducción individual para 12 eventos entre el 11 % y 100 % donde todos aquellos con
profundidad de lluvia menor a 2 mm fueron totalmente capturados. Lucke, Ansaf y Tindale (2014)
presenta una reducción del 52 %  en el volumen de escorrentía para cunetas con 30 m de longitud
y 61 % de reducción en el flujo al pico. Seters, Smith y Macmillan (2006) monitorearon una cuneta
verde en un parqueadero y encontraron para 9 eventos una reducción hasta del 60 % en el volumen
de escorrentía respecto al sitio control (pavimento asfáltico).

Davis,  Stagge,  Jamil  y  Kim  (2012)  reportan  a  partir  del  estudio  realizado  para  dos  cunetas  con
diferentes  diseños  la  capacidad  que  presentan  estas  estructuras  para  capturar  totalmente  la
precipitación de eventos pequeños. Sin embargo, para grandes eventos no generan reducción de
volumen ni de flujo al pico por lo que funcionan principalmente como estructuras de transporte. En
general, se capturó de forma total el 40 % de los eventos, se reportó reducción en el volumen de
escorrentía  para otro  40 %  y  el 20 %  restante  representa  los  eventos en  los que  las  cunetas  no
brindaron reducción alguna.

De igual forma a partir de un modelo en SWMM (US EPA Storm Water Management Model) Qin, Li
y Fu (2013) encontraron que una cuneta bajo diferentes eventos de precipitación genera
desbordamiento para una profundidad de lluvia mayor a 85 mm y duración menor a 3.5 horas. Se
registró un mejor desempeño para eventos cortos e intensos aunque su reducido tamaño generaba
la saturación del suelo para tan solo 35 mm de lluvia acumulada. De igual manera Ackerman y Stein
(2008) encontraron una reducción en el volumen anual de escorrentía entre 40 – 60 % para una
cuenca con las condiciones meteorológicas de Los Ángeles entre 1990 y 1999 utilizando un modelo
computacional. La reducción reportada para eventos pequeños (profundidad menor a 0.51 cm) está
entre 100 – 80 % mientras que a medida que aumenta el tamaño de los eventos esta tasa disminuye
hasta llegar a 60 % para eventos grandes (profundidad mayor a 5.08 cm).

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Juliana Robles Rivera

Proyecto de grado

Tabla 6. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de las cunetas verdes.

Referencia

Estructura

Eventos de lluvia

Eficiencia

Rushton (2001)

Una cuneta

 Ancho: 122 cm
 Largo: 61 cm



30 eventos en un
año, la mayoría con
profundidad mayor
a 0.94 cm



Profundidad total
durante el periodo:
100 cm



Reducción en el volumen
de escorrentía entre 26 %
y 68 %



Reducción

importante

para

eventos

con

profundidad

lluvia

menor a 5 cm



Reducción entre 50 % y
77 % al implementarse
con pavimento poroso

Barrett (2005)

6 estructuras con
sección

transversal

trapezoidal



eventos

lluvia (1999-2001)



California (aprox.
300 mm/año)



Reducción en el volumen
de escorrentía del 47 %
para el periodo de estudio

Bäckström et

al. (2006)

Una cuneta

  Ancho: 2.7 m
  Largo: 110 m
  Pendiente lateral:

1:7

 Pendiente de

fondo: 1 %



eventos

lluvia
monitoreados  con
profundidad  entre
0.5  y  17.2  mm  y
duración  entre  2  y
16 horas.



Reducción en el volumen
de escorrentía entre 11 %
y 100 % para cada uno de
los 12 eventos



Intercepción  total  para
eventos  con  profundidad
igual o menor a 2 mm

Davis et al.

(2012)

Dos cunetas, una con
pretratamiento.
Monitoreo bajo dos
escenarios
diferentes.

 Ancho de fondo:

0.61 m

 Pendientes

laterales: 33 % y
25 %

 Pendiente

longitudinal: 1.4 %



eventos

lluvia
monitoreados en
4.5 años



Profundidades de
lluvia entre 0.15 cm
y 17.32 cm



Duraciones entre
0.1 y 27 horas



Intercepción total para 22
eventos

sin

generar

desbordamiento



No hubo reducción alguna
para el 20 % de los
eventos

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Lucke et al.

(2014)

Cuatro cunetas de
forma triangular con
distintas dimensiones

 Longitud:

30 – 35 m



simulaciones

bajo dos escenarios

 2000 L de

escorrentía a una
tasa de 1.6 L/s

 2000 L de

escorrentía con
tasa variable entre
0.5 y 2 L/s



Reducción  general  del
52  %  en  el  volumen  de
escorrentía de las cunetas
con  longitud  de  30  m  y
reducción  de  flujo  al  pico
de 61 %

Qin et al.

(2013)

Se modela una cuneta
para  cada  una  de  las
25  subcuencas  que
corresponde  al  10  %
del área de esta

 Capacidad

almacenamiento
efectiva:
348.66 mm



Tres

tipos

eventos  de  lluvia
con  variaciones  en
la duración (1-4 h),
profundidad
(75 – 144 mm) y en
la  ubicación  del
tiempo al pico



Desbordamiento  de  la
estructura  para  eventos
con  profundidad  mayor  a
85 mm, duración menor a
3.5 horas.



Saturación del suelo con
35 mm de lluvia

Ackerman y

Stein (2008)

Dos cunetas, una con
pretratamiento.
Monitoreo bajo dos
escenarios
diferentes.

 Ancho de fondo:

1.8 m

 Longitud: 122 m
 Pendientes

laterales: 0.5 %



309 eventos de
lluvia

con

profundidad  entre
0.03  y  7.82  cm.  La
mitad  de  estos  fue
menor a 0.5 cm.



Reducción anual en el
volumen de escorrentía
entre 40 - 60 %



Disminución importante
en

reducción

acuerdo con el tamaño del
evento

Seters et al.

(2006)

Una cuneta

 Ancho: 2.8 m
 Largo: 8.8 m



9 eventos de lluvia
con

profundidad

entre  5.8  y  34.4
mm  e  intensidad
entre  7.2  y  31.2
mm/hr



Reducción hasta del 60 %
en

volumen

escorrentía respecto al
sitio control



Desbordamiento

para

eventos con profundidad
de lluvia mayores a 15 mm

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Deletic  (2001)  desarrolló  un  modelo  unidimensional  que  simula  los  procesos  de  generación  de
escorrentía y transporte de sedimentos. Con base en esto utilizó información de precipitación de la
ciudad  de  Belgrado  durante  6  meses  para  modelar  un  buffer  y  cuantificar  su  reducción  en  el
volumen de escorrentía. Se presenta en la Gráfica 3 la reducción del volumen de escorrentía para
cada uno de los 52 eventos simulados con una intensidad máxima de 150 mm/hr. A partir de esto
se concluye una reducción general de 45.7 % en el volumen de escorrentía  donde solo la mitad (26
eventos)  generaron  escorrentía.  Esta  reducción  depende  principalmente  de  la  longitud  de  la
estructura y la conductividad hidráulica del suelo.

Gráfica 3. Reducción por evento del volumen de escorrentía de un buffer. Fuente: Deletic (2001).

Se presenta en la Tabla 7 la reducción relativa y características de varias cunetas verdes obtenida a
partir de un monitoreo realizado en Estados Unidos. Estas retenciones varían entre 19 y 85 % y no
es posible evidenciar algún patrón que relacione esta variable con las otras presentadas en la tabla.
La menor retención obtenida (19 %) se obtuvo para una profundidad de lluvia pequeña pero ante
una  cuenca  de  gran  área.  Se  podría  concluir  entonces  que  el  bajo  desempeño  se  debe  a  que  la
estructura  fue  sub-dimensionada  y  es  necesaria  una  mayor  capacidad  para  tratar  la  escorrentía
generada. Las profundidades de lluvia evaluadas no superan los 4.57 cm lo que implica que ante
eventos más fuertes el desempeño sería más bajo. Sin embargo, esto también depende de otras
características de lluvia como intensidad que no fueron reportadas y dimensiones de la estructura.

100

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

ió

l vo

sco

tía

)

Volumen de escorrentía a la entrada (L)

Reducción del volumen de escorrentía de un buffer

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Tabla 7. Desempeño de cunetas verdes en distintos lugares. Fuente: International Stormwater BMP Database (2010).

Nombre del lugar

No. de

eventos

Profundidad

media de lluvia

(cm)

Área de la

cuenca (ha)

Entrada

(L)

Salida (L)

Reducción*

(%)

29 North Swale B

1,23

0,35

13300

1992

29 South Swale

3,35

0,33

143508

85059

I-5/I-605 Swale

4,48

0,28

507495

274334

I-605/SR-91 Swale

4,57

0,08

110549

39021

BES Bioswales - East

Swale

10,12

71302

41003

BES Bioswales - West

Swale

10,12

69376

50347

Dayton Swale

2,40

36,42

2902477 1163823

I-605 / Del Amo

3,69

0,28

287246

210960

WPCL Bioswale East

0,34

20,24

159418

103710

SR-78 / Melrose Dr

2,54

0,97

388564

93066

I-5 North of Palomar

Airport Road

1,78

1,86

2586064 1538115

Russell Pond Bioswale

1,44

22,66

2689279 933663

WPCL Bioswale West

0,34

20,24

160857

130331

Con  base  en  lo  anterior  es  posible  concluir,  como  afirman  Davis  et  al.  (2012)  que  para  grandes
eventos de lluvia estas estructuras no tienen efecto importante sobre la reducción de volumen de
escorrentía  y  flujo  al  pico  funcionando  únicamente  como  estructuras  de  transporte.  En  general,
eventos pequeños son totalmente interceptados como lo afirman Ackerman y Stein (2008) puesto
que la reducción encontrada está entre 80 y 100 % para eventos menores a 0.51 cm. De igual forma,
Bäckström et al. (2006) reporta reducción total para eventos con profundidad menor o igual  2 mm.
La reducción en el volumen de escorrentía durante el periodo de monitoreo varió entre 40 y 60 %
para los artículos y entre 19 y 85 % según la base de datos. Para eventos individuales se registró
resudcción  entre  11 y 100  %.  La  efectividad  sobre  el  flujo  al  pico  no fue  reportada  en  todos  los
estudios, de acuerdo con Lucke et al. (2014) cunetas de 30 m pueden tener una reducción del 61 %
en este.

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3.1.4 Zonas de bioretención

Estos sistemas de control en la fuente son depresiones poco profundas adaptadas con vegetación
nativa para controlar la escorrentía generada en un área que drenan de forma rápida. Usualmente
utilizados  en  parqueaderos,  islas  peatonales  y  áreas  residenciales,  permiten  la  ocurrencia  de
procesos de filtración, infiltración y sedimentación mejorando así la calidad del agua. Proveen un
tratamiento  limitado  para control  de  inundaciones,  no  proporciona  tratamiento  biológico  y  está
limitado a zonas pequeñas. Por otro lado tiene beneficios estéticos, crea micro hábitats y refuerza
la biodiversidad, puede ser implementado en cualquier tipo de suelo y topografía además de centros
urbanos  o  zonas  industriales  aunque  generalmente  es  instalado  en  áreas  pequeñas.  Pueden  ser
utilizadas en climas fríos debido a su rápido drenaje además de que el proceso de deshielo es lento
y  provee  el  tiempo  necesario  para  que  la  estructura  lleve  a  cabo  los  procesos  de  absorción  e
infiltración.  Una  de  sus  variaciones  son  los  jardines  de  lluvia  que  se  instalan  en  propiedades
individuales como casas y se pueden adaptar a las necesidades de los usuarios.

Son utilizados para tratar eventos de lluvia frecuentes y se debe garantizar que el agua drene en
máximo 72 horas para evitar condiciones no deseadas como olores, estados anaerobios, entre otras.
Estos sistemas cuentan, generalmente, con una tubería perforada en su base para transportar el
agua del sistema ya sea al drenaje convencional o a un cuerpo receptor. En caso de que la capacidad
de  almacenamiento  de  la  estructura  sea  superada,  se  cuenta  con  estructuras  de  desagüe  que
transportan  el  exceso  aguas  abajo.  Su  estructura  típica  se  presenta  en  la  Figura  10  con  sus
componentes  principales:  vegetación,  medio  filtrante,  tubería  perforada  y  geotextil  o
geomembrana.

Estos sistemas son muy flexibles en términos de tamaño y apariencia por lo que existen variaciones
como jardines de lluvia, cuneta de bioretención, sistema anaerobio de bioretención, entre otros.
Según CIRIA (2015) su ancho debe estar entre 600 mm y 20 m y una longitud máxima de 40 m. Por
esto se puede afirmar que el requerimiento de espacio para su implementación es bajo comparado
con otras estructuras, lo que lo hace fácil de utilizar en zonas con poca disponibilidad. En adición,
sus requerimientos de mantenimiento son actividades como la remoción de basura y sedimentos,
reemplazo de vegetación y reparación de erosión las más importantes (Dublin Drainage, 1994a).

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Figura 10. Estructura típica zona de bioretención. Fuente: CIRIA (2015).

Varios  investigadores  han  caracterizado  el  desempeño  de  estas  estructuras  en  términos  de  su
hidrología y calidad del agua tratada. En la Tabla 8 se presentan los resultados más importantes de
los  estudios  consultados  y  a  continuación  su  síntesis.  Esta  disminución  del  flujo  se  reporta  con
respecto  a  pérdidas  debidas  a  exfiltración  (por  tuberías  perforadas  en  la  estructura)  y
evapotranspiración.

Hatt, Fletcher y Deletic (2009) monitorearon dos estructuras de bioretención en diferentes ciudades
de Australia. La primera zona estaba compuesta por 3 celdas con 500 mm de diferentes tipos de
suelo y 200 mm de capa de  drenaje. Con un área equivalente al 1 %  del área total de la cuenca
registró  una  retención  entre  15  –  83 %  de  la  escorrentía,  un  desbordamiento para  11  de  los 28
eventos monitoreados y una reducción del flujo al pico entre 37 – 96 %. La segunda zona, con el
2 % del área total de la cuenca, registró una retención entre 11 – 30 % y una reducción del flujo al
pico entre 80 – 86 %.

Davis (2008) reportó una reducción del 63 % y 44 % del flujo al pico para dos celdas de 28 m

en un

parqueadero de 0.24 hectáreas durante 49 eventos. El 15 % de estos generaron desbordamiento y
el 18 % fue completamente interceptado. DeBusk y Wynn (2011) encontraron 97 % de retención
para una celda con área equivalente al 2.1 % del área total de la cuenca durante 41 eventos de los
cuales solo 21 entraron a la estructura. De estos se generó desbordamiento para un evento con
profundidad de 1.5 cm en 0.13 horas y 5 más tuvieron un porcentaje de la escorrentía saliendo por
la tubería perforada. Para estos se tuvo un 91 % de reducción en el flujo al pico de salida respecto
al de entrada. Hunt, Jarrett, Smith y Sharkey (2006) implementaron una zona de bioretención en
suelos de baja permeabilidad y registró una retención promedio del 78 %. Olszewski y Davis (2013)

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reportaron una reducción del flujo al pico promedio de 83 % y 79.3 % del volumen para una celda
de bioretención con área equivalente al 2.8 % del área de la cuenca.

Tabla 8. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de las zonas de bioretención.

Referencia

Ciudad

Monitoreo

Estructura

Reducción del

volumen (%)

Hatt et al.

(2009)

Victoria

28 eventos de lluvia
durante 5 meses de los
cuales 11 generaron
desbordamiento

3 celdas, (1.5 X 10 X 0.7)
500 mm de suelo y 200
mm de capa de drenaje

Brisbane

4 eventos de lluvia de
300 L en 15 minutos

50 mm de mantillo de
madera dura, 450 mm de
suelo franco arenoso, 250
mm de arena y 200 mm
de grava – 20 m

20.2

Davis

(2008)

College

Park

eventos

escorrentía

con

promedio de 1.6 m

de celda. El 10 % por
debajo de 0.11 m

el 90 % por debajo de 4
m

Mezcla de suelo de 0.9 m
bajo 8 cm de un mantillo
de madera dura

generaron

desbordamientos
para el 15 % de los
eventos y retención
del 100 % para
0.052 cm/hr*

Mezcla de suelo de 1.2 m
bajo 8 cm de un mantillo
de madera dura

DeBusk y

Wynn

(2011)

Blacksburg

41  eventos  con  un
promedio  de  0.8  cm  y
0.7 cm/h.
Duración  máxima:  33
horas  y  profundidad
máxima: 42 cm



Ancho: 7.6 m



Largo: 4.6 m



Profundidad: 1.8 m

Con

superficie

mantillo de madera dura
y

mezcla

suelo

diseñada

Hunt et al.

(2006)

Greensboro

eventos,

con

entrada

sistema

entre 3090 L y 183200 L

Espesor de suelo de 1.2 m
(5 % del área total de la
cuenca)

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Olszewski y

Davis

(2013)

Silver

Spring

130  eventos  de  los
cuales  el  26  %  fueron
pequeños  (0.0254  –
0.254 cm)

102 m

equivalente al

2.8 % del área total de la
cuenca. Mezcla de suelo
entre arena, arcilla y limo

*Reducción del 63 % y 44 % del flujo al pico

Se presenta en la Tabla 9 la reducción relativa y características de varias zonas de bioretención
obtenido a partir de un monitoreo realizado en Estados Unidos. Estas retenciones varían entre 35 y
94 % para eventos con profundidad media de lluvia entre 2.05 y 2.63 cm. Las características de lluvia
de las estructuras monitoreadas son muy similares y se evaluó una gran cantidad de eventos para
algunas de ellas. No se encuentra un patrón evidente sobre a relación entre reducción y las demás
características. Información faltante como intensidad de lluvia sería útil para evaluar mejor el rango
de evaluación para estas estructuras; sin embargo se concluye que para estas profundidades de
lluvia el desempeño de las zonas de bioretención es bueno.

Tabla 9. Desempeño de varias zonas de bioretención. Fuente: International Stormwater BMP Database (2010).

Nombre del lugar

No. de

eventos

Profundidad

media de lluvia

(cm)

Área de la

cuenca (ha)

Entrada (L)

Salida (L)

Reducción*

(%)

Greensboro

bioretention-G1

2.63

0.20

2673968

299818

Greensboro

bioretention-G2

2.30

0.19

2673969

152307

Hal Marshall

Bioretention Cell

2.05

0.37

666862

286312

Louisburg

bioretention-L1

2.40

0.36

2356203

1136398

Louisburg

bioretention-L2

2.40

0.22

1184820

741764

Graham H.S.

Bioretention Cells

2.07

0.69

904712

588682

Graham H.S.

Bioretention Cells

2.11

0.69

1212645

490800

*Reducción relativa

A  partir  de  la  información  anterior  es  posible  concluir  que  para  las  condiciones  de  los  estudios
reportados,  estas  estructuras  tuvieron  un  buen  desempeño  en  la  reducción  del  volumen  de
escorrentía y flujo al pico. Esto se evidencia en los estudios de Hatt et a. (2009) y Hunt et al. (2006)
donde se obtuvo una retención entre 15 – 83 % por evento y 78 % acumulado, respectivamente. La
reducción  del  flujo  al  pico  también  fue  reportada  con  valores  entre  37  –  96  %  por  evento.  Sin

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embargo, también se reportaron desbordamientos para varios de los eventos monitoreados por
estudio. Un evento de 1.5 cm en 0.13 horas no pudo ser tratado por una de las estructuras y generó
desbordamiento, siendo el evento más fuerte monitoreado. La reducción obtenida a partir de la
base de datos se evaluó para profundidades de lluvia entre 2.05 y 2.63 cm por lo que ante eventos
más fuertes el comportamiento se vería afectado. Varios autores afirmaron que un mayor espesor
de suelo mejora de forma importante el desempeño de la estructura por lo que recomiendan
implementar zonas profundas.

3.1.5 Árboles

Los árboles proveen muchos servicios ecológicos. Reducción de ruido, creación de hábitat, fuente
de  alimento,  captura  de  carbono,  reducción  en  el  consumo  de  energía,  mejora  en  la  estética  y
calidad del aire son algunos de sus beneficios  (CIRIA, 2015). Lo anterior se realiza a partir de  los
procesos  de  transpiración,  intercepción,  infiltración  y  fitorremediación.  Pueden  plantarse  en
conjunto con otras estructuras SUDS o de manera individual.  Los sumideros tipo alcorque inundable
funcionan  como  un  sistema  mini  de  bioretención  útiles  en  centros  urbanos  cuyo  esquema  se
presenta en la Figura 11. Estos se diseñan para proveer almacenamiento de agua lluvia y se sitúan
al lado de las calles compuestos por una caja prefabricada de concreto con o sin fondo, una rejilla
de metal en la superficie para proteger las raíces y el suelo, una matriz de suelo que promueva el
crecimiento del árbol y una tubería perforada para drenar.

Las  características  del  suelo  son  vitales  para  el  crecimiento  del  árbol  y  su  uso  para  manejo  de
escorrentía. Este debe proporcionar niveles adecuados de agua y aire además de volumen para que
no  se  inhiba  el  crecimiento.  El  paso  de  los  vehículos  puede  causar  compactación  en  el  suelo  y
disminuir  así  su  capacidad  de  infiltración.  Por  lo  anterior  se  han  diseñado  componentes  que
permiten proteger y promover el crecimiento del árbol. En primer lugar los medios de crecimiento
creados como base para el árbol y sub-base para la estructura del pavimento son mezclas con alta
permeabilidad. De igual manera las estructuras modulares soportan las cargas del pavimento.

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Figura 11. Esquema de un sumidero tipo alcorque inundable. Fuente: CIRIA (2015).

Debido a sus múltiples beneficios varias ciudades como Portland y Seattle han fomentado la siembra
de árboles en las ciudades e incentivado con ayudas monetarias. Varios modelos computacionales
se han desarrollado para calcular el valor de varias especies donde han expuesto los costos
ahorrados por su implementación. Entre esto se ha reportado que por cada 1000 árboles se reducen
cerca de 3800 m

de agua lo que equivale a casi US$ 7000 y que sin la presencia del dosel arbóreo

ubicado en una ciudad de Texas se generarían 19 millones de m

de agua lluvia para contener

mediante otras medidas (Stovin, Jorgensen y Clayden, 2008).

Varios  investigadores  han  desarrollado  aproximaciones  para  estimar  la  intercepción  de  agua  de
diferentes especies de árboles. Lo anterior depende principalmente de las características de la lluvia,
condiciones meteorológicas, especie y arquitectura del dosel (área y ángulo de las hojas). Varios de
los estudios realizados en bosques reportan una intercepción entre el 11 % y 40 % de la precipitación
por parte de distintas especies de árboles como coníferas, abetos y eucaliptos, entre otros (Xiao,
McPherson,  Ustin,  Grismer  y  Simpson,  2000).  Sin  embargo,  estos  resultados  no  pueden  ser
utilizados para cuantificar los beneficios de los árboles en centros urbanos. Esto se debe a que los
parámetros  de  microclima,  edad,  diversidad  y  ubicación  de  estos  difieren  a  los  encontrados  en
bosques. En una ciudad los árboles típicamente están plantados de manera individual y existe una
separación  importante  entre  uno y otro.  Algunos  de  los  estudios  consultados  para  cuantificar  la
intercepción se presentan en la Tabla 10 y su síntesis a continuación.

Xiao et al. (2000) monitorearon dos árboles en California: un peral y un roble. Encontraron una
intercepción de 15 % y 27 % para estos y una tendencia de decrecimiento a partir del aumento en

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la  profundidad  y  duración  de  la  lluvia.  Esta  intercepción  se  mide  como  la  diferencia  entre  la
precipitación medida por encima del dosel y la que llega al suelo, es decir, la retenida en la copa del
árbol. De  igual manera  Guevara-Escobar, González-Sosa, Véliz-Chávez, Ventura-Ramos, y  Ramos-
Salinas (2007) reportaron una intercepción del 59.5 % de la precipitación en el dosel de un árbol en
México. Livesley, Baudinette y Glover (2014) encontraron una intercepción anual del 45 % para dos
especies de árbol monitoreadas en Melbourne: eucalipto azul de Sydney y eucalipto menta piperita
negra. Este último interceptó la mayoría de los eventos con profundidad de lluvia menor a 4 mm
mientras que el otro árbol recibió menos del 40 % de los eventos con precipitación menor a 2 mm.

Asadian  y  Weiler  (2009)  también  monitorearon  seis  especies  de  coníferas  en  Vancouver  donde
encontraron una variación entre 5 % y 98% para la intercepción, según el evento de precipitación.
Lo  anterior  corresponde  a  un  rango  entre  1.5  y  24.3  mm  de  lluvia.  Encontraron  que  los  valores
reportados en la literatura para bosques de estas especies de árboles son menores a los encontrados
en  el  estudio  lo  que  atribuyen  a  la  diferencia  de  temperatura  (efecto  de  la  isla  de  calor)  y  al
asilamiento de los árboles. Para 7 eventos seleccionados se presenta en la Gráfica 4 la intercepción
del dosel de cada árbol según la intensidad de lluvia. Se aprecia que el mejor desempeño fue para
el evento 6 con intensidad máxima de 3 mm/hr, profundidad de 26.3 mm y duración de 25 horas.
Este evento se registró en primavera y verano junto con los eventos 5 y 7. La intercepción sufrió una
disminución tras pasar del evento 3 al 4 debido al aumento en la intensidad del evento aunque hubo
una  disminución  de  la  profundidad  (39.7  mm  a  28.2  mm).  A  continuación  se  registra  un  nuevo
aumento tras la disminución de intensidad en el evento 5. Lo anterior expone la importancia de la
intensidad de precipitación en el desempeño del árbol puesto que las menores tasas ocurrieron en
los eventos con mayor intensidad de lluvia (evento 1 y 4). Sin embargo, las intensidades registradas
son bajas y corresponden a un evento de precipitación débil de acuerdo con la clasificación de la
Agencia Estatal de Meteorología (2015). En adición a lo anterior, se encontró un retraso en el tiempo
requerido por la lluvia no interceptada para alcanzar el suelo. Este varió entre 0.2 y 28 horas para
los 7 eventos ya mencionados para los seis árboles estudiados.

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Proyecto de grado

Gráfica 4. Intercepción de seis árboles por evento según la intensidad. Fuente: Asadian y Weiler (2009).

Armson,  Stringer  y  Ennos  (2013)  monitorearon  tres  zonas  en  Manchester  para  determinar  el
desempeño de  un sumidero tipo alcorque inundable en la reducción de escorrentía. Estas zonas
tenían una superficie de pasto, asfalto y asfalto con alcorque para lo que se concluyó una reducción
aproximada del 60 % para la última, aún cuando cubría solo el 35 % del área total.  De igual forma
su  desempeño  redujo  58  %  y  62  %  respecto  a  la  zona  con  asfalto  en  invierno  y  verano,
respectivamente.

Tabla 10. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de los árboles y sumideros tipo alcorque inundable.

Referencia

Características

Intercepción

Armson et al. (2013)



Monitoreo durante 243 días con 500
mm para tres zonas ( asfalto, pasto y
asfalto con alcorque)



Área de cada zona: 9 m



Solo 20 días con profundidad de lluvia
mayor a 10 mm



El árbol cubría solo el 35 % del área
total



Reducción de la escorrentía
del 60 %.



Reducción del 58 % y 62 %
comparado con el asfalto en
invierno

verano,

respectivamente.

100

ten

sid

máxima

terce

ción

)

Intercepción por evento según la intensidad

Intensidad

586

585

590

587

588

591

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Proyecto de grado

Xiao et al. (2000)



Monitoreo para dos árboles (peral y
roble)



Intensidad entre 1 – 28 mm/hr



Peral: 441 mm (38 eventos)



Roble: 700 mm (46 eventos)



La mayoría de los eventos con
profundidad menor a 2 mm



peral

registró

una

intercepción del 15 % de la
precipitación y el roble 27 %.



Disminución

intercepción con el aumento
de la profundidad y duración
de lluvia.

Guevara-Escobar et

al. (2007)



Monitoreo de un árbol durante 4
meses en México (19 eventos)



Intensidad entre 1.2 – 20.3 mm/hr



Profundidad total: 152 mm



La intercepción por el dosel
fue de 59.5 %.



Para eventos con profundidad
menor

8.4

intercepción fue de 78– 100 %
mientras que para eventos
con profundidad mayor a 12
mm fue de 55 %.

Asadian y Weiler

(2009)



Monitoreo de seis árboles en
Vancouver ( 7 eventos)



Intensidad máxima: 3 – 13.3 mm/hr



Profundidad: 22.6 – 209.6 mm



Duración: 15 – 179 hr



La intercepción neta por el
dosel varió entre 17 % y 89 %
según el evento.



Retraso

tiempo

requerido para que la lluvia no
interceptada llegue al suelo
entre 0.2 y 28 horas.

Livesley et al. (2014)



Monitoreo de dos árboles en Australia
durante 3 años



2008: 445 mm de lluvia, el 31% de esta
cayó en eventos con profundidad
menor a 4 mm



2009: 461 mm con el 37.2 % en
eventos con profundidad <4 mm



2010: 667 mm con 34.1 % en eventos
con profundidad <4 mm



La intercepción anual por el
dosel fue de 45 %.



intercepción

una

especie  varió  de  36  %  para
eventos con profundidad de 2
mm a 30 % para eventos de 8
mm. Para la otra especie varió
entre  66  %  a  46  %  para  los
mismos eventos.

A partir de esto se puede concluir que bajo las condiciones utilizadas por Armson et al. (2013), la
implementación de un sumidero tipo alcorque inundable presenta ventajas frente al pavimento

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tradicional. Sin embargo, la profundidad de lluvia de esta investigación fue muy baja y tampoco se
reportó  su  intensidad  por  lo  que  no  se  tiene  idea  sobre  el  desempeño  de  esta  estructura  bajo
condiciones  más  fuertes.  Asimismo  para  árboles  aislados  se  evidenció  la  importancia  de  las
características de lluvia sobre la intercepción puesto que eventos con mayor intensidad registraron
menor  efectividad.  La  intercepción  acumulada  por  el  dosel  no  supera  el  60  %  para  los  estudios
consultados  y  según  el  evento  puede  alcanzar  89  %.  Como  afirman  Stovin,  Jorgensen  y  Clayden
(2008),  los  árboles  son  más  efectivos  durante  eventos  pequeños  por  lo  que  su  papel  debe  ser
enfocado hacia calidad del agua y no prevención de inundación.

Para estos estudios es necesario tener en cuenta las condiciones de los árboles escogidos: altura,
estado, especie y edad, entre otras. Las investigaciones  consultadas difieren en estos aspectos  y
algunos no tienen en cuenta varias características. Es posible afirmar que la intercepción de diversas
especies  de  árboles  en  bosques  ha  sido  ampliamente  cuantificada  y  estudiada;  sin  embargo  los
efectos sobre centros urbanos no lo han sido. La consulta realizada se basó en estudios para árboles
aislados,  dos  específicamente  en  centros  urbanos  y  otro  enfocado  en  sumideros  tipo  alcorque
inundable. La información disponible sobre este  tema es muy limitada y aunque  en términos de
costo han sido estudiadas, los procesos de intercepción requieren mayor implementación para otras
especies y características.

3.1.6 Pavimento poroso

Estas  estructuras  de  control  en  la  fuente  son  pavimentos  que  permiten  el  tráfico  vehicular  o
peatonal además de promover la infiltración a través de la superficie a las capas inferiores (CIRIA,
2015).  Otros  de  los  procesos  que  ocurren  en  la  estructuras  son  filtración,  sedimentación,
biodegradación y adsorción. Según la capa superficial y materiales utilizados existen dos tipos de
pavimento:  poroso  y  permeable.  Mientras  los  primeros  están  construidos  con  material  como
concreto y asfalto poroso que permiten la infiltración en la totalidad de la superficie los pavimentos
permeables  tienen  una  superficie  construida  con  materiales  que  generan  vacíos  por  los  cuales
penetra  el  agua.  Lo  anterior  implica  que  el  espacio  disponible  para  infiltrar  son  los  vacíos  entre
bloques; un ejemplo de esto son los bloques de concreto.

Se han desarrollado varias superficies para pavimentos. Una de estas es el asfalto poroso que puede
usarse en colegios, vías con poco tráfico, zonas de juego y parqueaderos. Los refuerzos de césped
son redes plásticas o de concreto llenas de césped que se utilizan como superficie para zonas con
bajo tráfico. El concreto poroso, bloques porosos, pavimento macro poroso y resina con grava son
otras de las superficies conocidas.

Sin embargo estas estructuras pueden diseñarse para una infiltración total o parcial. De acuerdo con
CIRIA (2015) existen tres tipos de diseño según esta función. El sistema tipo A es aquel donde toda
el agua lluvia infiltra al suelo donde es almacenado temporalmente y se tiene un dren para eventos

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que superen el de diseño. En el sistema tipo B existe parte de agua infiltrada que se transporta al
sistema  de  drenaje  mientras  el  resto  se  almacena  en  el  suelo.  Por  último,  el  sistema  tipo  C  no
permite  la  infiltración  y  es  utilizada  en  casos  donde  el  agua  se  reutilizará,  la  tabla  de  agua  se
encuentra muy cercana a la superficie o el sitio presenta excesiva contaminación.  Se presenta en la
Figura 12 el esquema de un pavimento poroso tipo B con distintas superficies y componentes.

Dentro de sus ventajas está la reducción de flujos al pico y volúmenes de escorrentía, reducción en
la cantidad de área impermeable, disponibilidad de agua para re-uso, retención de contaminantes,
mejora visual y reducción en la cantidad requerida de sal para épocas invernales (Dublin Drainage,
1994b). Estas estructuras tienen un riesgo alto de colmatación por lo que deben ser constantemente
monitoreadas. Las fracturas debido al paso constante de vehículos también afectan la durabilidad y
efectividad de los pavimentos por lo que deben repararse rápidamente. No proporciona beneficios
de hábitat para especies, no es adecuado para lugares con alta pendiente ni para zonas industriales
debido a la contaminación de agua subterránea.

Figura 12. Esquema de un pavimento poroso tipo B. Fuente: CIRIA (2015).

Existe un gran número de investigaciones enfocadas en cuantificar la reducción de escorrentía. Los
resultados de algunos de los estudios consultados se presentan a continuación y su síntesis en la
Tabla 12.

Hou, Feng, Ding, Zhang y Huo (2008) realizó una investigación en laboratorio con 3 tipos de
pavimento (A, B, C, D) para caracterizar su comportamiento bajo distintos eventos de lluvia. Estos
tenían bloques de concreto poroso sobre diferentes espesores de sub-base y, algunos, sobre grava.
Por último se monitoreó el control con una superficie impermeable. Se encontró para estos una
variación entre 33.1 - 76.2 %, 59.7 - 100 % y 31.5 - 81 % para cada uno de los tratamientos,

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respectivamente. Además de esto, se registró para el pavimento B un retraso en la generación de
escorrentía de 71 minutos respecto al techo control y reducción en los flujos al pico entre 35 y
100 %.

En la Gráfica 5 se presenta la retención de cada tratamiento según la profundidad del evento de
lluvia. Se aprecia que el tratamiento B tuvo el mejor desempeño bajo los 4 eventos y que aquel con
menor profundidad de lluvia (evento 1) tuvo las retenciones más altas. En adición, se observa que
para los eventos 2 y 4 el desempeño fue distinto aunque tuvieron la misma profundidad. Esto se
debe al periodo seco antecedente puesto que el evento 2 tuvo un periodo de precipitación
aproximadamente 31 días antes mientras que el evento 4 no registra precipitación durante los 6
meses anteriores. Con esto se resalta la importancia de las características de lluvia y tiempo seco
antecedente sobre la retención de las estructuras.

Gráfica 5. Retención de lluvia para cuatro tipos de pavimento en cuatro eventos de lluvia según la profundidad.

Fuente: Hou et al. (2008).

Lin, Ryu y Cho (2014) exponen la retención para bloques permeables, concreto y asfalto poroso a
partir de ensayos realizados en un laboratorio. Se encontró una reducción promedio del 22 %, 25 %
y 16 % respecto a la lluvia y 10 – 20 % comparado con el pavimento control (asfalto gradado denso).
La reducción en el tiempo de generación de escorrentía disminuyó con el aumento en la intensidad
de lluvia, pasó de 9 – 13 minutos hasta 3 – 4 con una intensidad de 200 mm/hr. En adición, se logró
un retraso entre 5 y 10 minutos en el tiempo al pico frente a pavimento control. Asimismo, Bean,
Hunt y Bidelspach (2007) reportan el desempeño de 3 estructuras de concreto con aberturas,
poroso y bloques permeables en diferentes composiciones. En la Gráfica 6 se presenta la retención
de dos de los pavimentos según la profundidad de lluvia. En la ciudad de Kinston se interceptaron

100

120

140

100

Pro

e llu

via

)

ten

ción

)

Retención de lluvia para varios pavimentos

Control

Profundidad

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totalmente 37 de los 48 eventos monitoreados entre 13 y 369 mm. Se aprecia que la retención tiene
una tendencia decreciente ante el aumento de la profundidad de lluvia, el evento de profundidad
máxima (369 mm) solo tuvo una retención del 2 %. Sin embargo, se debe tener en cuenta el tiempo
seco antecedente debido a que previo a esta precipitación se tuvo otro evento fuerte (123 mm) 10
días antes para el cual la retención fue de 68 %. Para la ciudad de Wilmington se tuvo una retención
entre 26 y 100 % con una retención total para 4 de los 19 eventos y un promedio de 87 %. También
es posible apreciar la tendencia decreciente en el porcentaje de retención. La última ciudad
monitoreada, Swansboro, retuvo totalmente el agua lluvia para la totalidad de los eventos donde
solo 5 de ellos tuvieron una profundidad de lluvia mayor a 50 mm.

Gráfica 6. Retención de lluvia para dos pavimentos según la profundidad. Fuente: Bean et al. (2007).

Gilbert  y  Clausen  (2006)  presentan  una  retención  del  72  %  para  un  pavimento  de  concreto  con
aberturas y 98 % para piedra triturada respecto al pavimento convencional de asfalto, sin variación
estacional.  Pagotto,  Legret  y  Le  Cloirec  (2000)  monitorearon  una  vía  en  Nantes  con  asfalto
convencional  para  luego  reemplazarlo  por  poroso.  Encontraron  que  el  tiempo  de  respuesta  se
duplicó para el tratamiento permeable respecto al pavimento convencional, disminución del flujo al
pico de 11.3 %, reducción del volumen de escorrentía de 25.4 % y un aumento en la duración total
de flujo para el periodo de monitoreo (1 año) de 1108 horas para el convencional a 1457 horas para
el poroso.

Pratt, Mantle y Schofield (1995) reportan una retención entre 34 y 47 % para pavimento de bloques
de concreto permeable con diferentes sub-bases de grava, escoria, granito y piedra caliza en la
ciudad de Nottingham. El evento registrado con mayor profundidad tuvo 22.6 mm para la cual se
obtuvo una retención entre 15 - 27 % y el menor evento con profundidad de 2.8 mm para el cual no

100

150

200

250

300

350

400

ten

ción

)

Profundidad de lluvia (mm)

Retención de dos pavimentos según profundidad de lluvia

Kinston

Wilmington

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se registra escorrentía. En la Tabla 11 se presentan eventos registrados en este estudio donde se
aprecia que  para la misma profundidad de  lluvia una mayor intensidad implica menor retención
para las estructuras. Para la mayor intensidad registrada (evento 1) las estructuras con sub-base de
escoria y caliza no tuvieron retención alguna y el granito tan solo retuvo 8 %, mientras que para el
evento 2  (12.6 mm/hr)  se  registraron  valores  entre  34  y 49  %.  Asimismo  para  el  evento  3  (21.2
mm/hr) el granito y la caliza tuvieron una retención del 48 % y 32 %, respectivamente, mientras que
para 4.2 mm/hr (evento 4) se registró entre 58 % y 86 %. Por último, se evidencia la importancia
general de las características de lluvia puesto que el desempeño de las estructuras fue mejor para
el evento 4 con menor profundidad e intensidad de lluvia comparado con el evento 2.

Tabla 11. Retención de diferentes estructuras según las características de lluvia. Fuente: Pratt et al. (1995).

Evento Profundidad (mm)

Intensidad máxima

(mm/hr)*

Grava

(%)

Escoria

(%)

Granito

(%)

Caliza

(%)

10,4

33.1

10,1

12.6

6,9

21.1

6,9

4.2

*Intensidad máxima en un intervalo de 15 minutos

Dreelin,  Fowler  y  Carroll  (2006)  reportan  una  retención  entre  78.5  y  100  %  para  9  eventos
registrados  en  un  parqueadero  en  Atenas,  Georgia.  Aunque  este  suelo  es  rico  en  arcillas  su
intercepción fue total para eventos de 0.15 y 0.3 cm. Para el máximo evento reportado (1.85 mm)
se registró una retención del 93 % lo cual demuestra su gran desempeño. También se comparan los
resultados con un techo control donde la retención varió entre 5.9 y 66.7 %, mucho menor que para
la estructura estudiada.

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Tabla 12. Síntesis de la evidencia disponible sobre el desempeño de pavimento poroso.

Referencia

Ciudad

Monitoreo

Estructura

Retención

(%)

Hou et al.

(2008)

Beijing*

4  eventos  de  lluvia  con
profundidad  entre  56.36
y  118.72  mm  y  duración
entre 60 y 120 minutos.
Intensidad  máxima  de
59.36 mm/hr.

Sub-base de 20 cm

33.1 – 76.2

Sub-base de 10 cm
sobre 20 cm de grava

59.7 – 100

Sub-base de 5 cm sobre
20 cm de grava

31.5 - 81

Lin et al.

(2014)

Gimcheon*

Tres

intensidades

distintas

bajo

aspersor



100 mm/hr



150 mm/hr



200 mm/hr

Bloques

permeables

con espesor de 80 mm
sobre cama de arena de
30 mm

Concreto poroso de 100
mm

con

capa

filtración de 50 mm

Asfalto poroso de 100
mm

con

sub-base

granular permeable de
300 mm

Bean et al.

(2007)

Kinston

26 meses, 48 eventos con
profundidad entre 13 y
369 mm.

Red de concreto de 90
mm con aberturas sobre
cama de arena de 50
mm, geotextil y marga –
630 m

Wilmington

17 meses, 21 eventos con
profundidad  entre  2.5  y
97  mm  con  solo  dos  de
ellos  mayores  a  50  mm.
Intensidad  máxima:  89
mm/hr

Concreto poroso de 200
mm – 370 m

87.6

Swansboro

10  meses,  1070  mm  de
lluvia  con  5  eventos  con
profundidad  mayor  a  50
mm.        Profundidad
máxima: 88 mm

Bloques  de  adoquín  de
concreto  permeable  de
76 mm sobre 75 mm de
gravilla  y  200  mm  de
grava lavada - 740 m

100

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Proyecto de grado

Gilbert y

Clausen

(2006)

Connecticut

22 meses, 104 eventos
de los cuales el 90 % tuvo
intensidad menor a 29
mm/hr y 645 minutos

Red de concreto de 230
mm con aberturas sobre
5 cm de arena gruesa y
15 de grava procesada

72**

Piedra triturada de 1.2
cm

sobre

arena

compactada de 7.5 cm

98**

Pagotto et

al. (2000)

Nantes

50 eventos, 248 mm en 5
meses

Asfalto  poroso  de  30
mm  sobre  superficie
impermeable

25.4

Pratt et al.

(1995)

Nottingham

42 eventos de lluvia

Bloques de concreto
permeable sobre 10 mm
de grava - 184 m

56 eventos de lluvia

Bloques sobre 40 mm
de escorio de horno
grava - 184 m

59 eventos de lluvia

Bloques sobre 5-40 mm
de granito grava - 184
m

59 eventos de lluvia

Bloques sobre 5-40 mm
de piedra caliza grava -
184 m

Dreelin et

al. (2006)

Atenas

eventos,

con

profundidad entre 0.03 y
1.85 cm

Matriz

plástica

con

arena y césped en la
superficie con 25 cm de
base de grava - 187 m

90.5

*Ensayos en laboratorio
** 2 estructuras monitoreadas por cada uno, resultados respecto al pavimento de asfalto
convencional

Con base en la información presentada es posible concluir que la mayoría de los eventos de menor
profundidad son interceptados totalmente por un pavimento poroso. Por el contrario, para eventos
de gran profundidad como el reportado por Bean et al. (2007) con 369 mm, se tiene un muy bajo
desempeño. Se confirmó la importancia de las características de lluvia por lo que se puede concluir
que estas estructuras son adecuadas para tratar eventos de poca profundidad y baja intensidad.
También se debe tener en cuenta el periodo seco antecedente para analizar el comportamiento del
pavimento puesto que lluvias con alta frecuencia pueden no permitir al suelo la realización de los
procesos que reduzcan el contenido de humedad.

Las estructuras evaluadas tuvieron distintas composiciones y elementos por lo que no es posible
compararlos de manera directa. Sin embargo fue posible observar en el estudio realizado por Bean
et al. (2007) que el pavimento con mejor desempeño fue aquel con la mayor área implementada, lo

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Proyecto de grado

que implica una mayor capacidad de tratamiento. Se encontró una retención entre 16 y 100 % para
profundidades hasta 369 mm e intensidades de 200 mm/hr.

Gráfica 7. Retención porcentual reportada en la literatura con respecto a la lluvia (relleno) o al techo control (con

trama).

3.1.7 Tanque de almacenamiento

Estas estructuras son diseñadas de manera individual para casas con el fin de reducir la cantidad de
escorrentía.  Necesitan  un  tratamiento  previo  y  existen  en  el  mercado  varias  opciones  para  su
implementación. Algunas de estas son los sistemas geocelulares que son unidades modulares con
alta porosidad, estructuras de plástico corrugado en forma de arco, tuberías de concreto o plástico
de gran tamaño, tuberías corrugadas de metal, tanques de vidrio reforzado, tanques híbridos, entre
otros.  Uno  de  los  factores  más  importantes  para  tener  en  cuenta  de  esta  estructura  es  el
mantenimiento  debido  a  que  pueden  ubicarse  de  forma  subterránea  y  algunas  de  las  opciones
mencionadas  tienen  dificultes  para  el  acceso.  El  agua  almacenada  puede  ser  usada  para  fines
potables o no potables como riego de jardines.

Son flexibles en tamaño y forma por lo que pueden ser adaptados según la necesidad. Tienen alta
capacidad de almacenamiento y pueden ser instalados bajo vías, parqueaderos u otras áreas en
espacios abiertos. Para esto se deben tener en cuenta factores como el tráfico y el costo. En la Figura

100

Lin et al. (2013)

Bean et al. (2007)

Gilbert y Clausen

(2006)

Pagotto et al. (2000)

Pratt et al. (1995)

Dreelin et al. (2006)

ión

)

Retención porcentual reportada en literatura

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Proyecto de grado

13 se presenta la estructura típica de los tanques con una compuerta de inspección, tubería de
entrada y salida, compuerta y pozo de inspección, tubo de ventilación y bombas.

Figura 13. Esquema de un tanque de almacenamiento. Fuente: CIRIA (2015).

Petrucci et al. (2012) utilizaron el modelo SWMM 5 para determinar el efecto de los tanques de
almacenamiento sobre la reducción de alivios del sistema de alcantarillado. Para esto
implementaron tanques al este de Paris y realizaron campañas de medición antes y después de su
adecuación con el fin de calibrar el modelo. El almacenamiento total de los tanques fue de 173 m

en un área total de 13601 m

por lo que la capacidad específica de las estructuras fue de 12.7 mm.

Sin embargo, tras correr el modelo bajo diferentes escenarios fue posible apreciar que los tanques
no son un tratamiento efectivo para este fin. Se encontró que un evento de 31.6 mm y 44.9 mm/hr
supera la capacidad del sistema por lo que el flujo al pico se retrasa tan solo unos pocos minutos sin
obtener reducción  alguna.  Esto  mismo  ocurre  para  aquellos  eventos  para  los  que  se  registraron
desbordamientos en el sistema de alcantarillado por lo que los tanques no previenen su ocurrencia.
En adición a esto se encontró que un aumento en el número de tanques no genera siempre una
mejoría  en  la  eficiencia  del  sistema.  Por  el  contrario,  el  aumento  en  el  tamaño  de  los  tanques
implementados tiene un mayor efecto sobre el desempeño.

A pesar de lo anterior, como afirman Gerolin, Kellagher y Faram (2010) el diseño de estas estructuras
está  orientada  a  la  demanda  de  los  usuarios,  por  lo  que  generalmente  se  alcanzan  volúmenes
pequeños que no tienen efecto sobre la escorrentía. Esto representa una limitación debido a que
con la urbanización la disponibilidad de  espacio se  reduce  y no es  posible  la implementación de
estructuras que requieran grandes áreas.

La demanda de los usuarios es un factor importante para estas estructuras y varios autores han
realizado aproximaciones para modelar esta variable. Sin embargo, es un proceso complejo debido
a que depende del número de personas que habitan en la zona, tipo de aplicaciones del agua
almacenada en los tanques, clima y factores ocupacionales personales como tiempo de duración de

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la ducha. Lo anterior permite estimar el tiempo en el que el tanque será vaciado para así realizar el
diseño de la estructura y evitar desbordamientos.

Gerolin et al. (2010) encontraron a partir de un modelo para 3 ciudades de Gran Bretaña que la
relación entre el suministro de escorrentía del techo y demanda del hogar tiene un impacto sobre
el desempeño de los tanques. Cuando la relación es menor a 1 se registra una buena reducción en
el volumen y flujo al pico. Por el contrario, para una relación mayor a 1 estos beneficios son muy
bajos. Incluso, a partir de una relación de 1.5 un aumento en el tamaño de los tanques es inefectivo
debido  a  que  el  sistema  es  controlado  por  la  entrada  de  agua  y  la  demanda  de  la  vivienda  es
demasiado pequeña para tener un efecto importante en la reducción. Otro factor significativo es el
tiempo de lluvia antecedente puesto que estas estructuras se drenan de forma lenta. En resumen
se  afirma  que  estas  estructuras  deben  ser  implementadas,  preferiblemente,  en  lugares  con  una
distribución  de  lluvia  uniforme  durante  el  año  o  pocas  variaciones  fuertes  en  la  profundidad
evitando así problemas con su uso en distintas estaciones.

De igual manera Campisano, Di Liberto, Modica y Reitano (2014) tuvieron en cuenta la demanda de
un baño. Encontraron que para una fracción de almacenamiento (relación entre volumen del tanque
y área por lluvia) con valor igual a 5, la reducción en el flujo al pico varía entre 30 – 65 % para el
50 % de los eventos monitoreados con diferente fracción de demanda (relación entre demanda y
área por lluvia).

Burns  et  al.  (2014)  monitorearon  12  tanques  en  residencias  de  Australia.  Registraron
desbordamientos  constantes  debido  a  que  no  se  vaciaban  en  el  tiempo  requerido.  No  hubo
variación  estacional  para  una  profundidad  media  anual  de  1312  mm/año.  De  esta  manera
encontraron  que  9  de  las  estructuras  no  tuvieron  un  impacto  sobre  la  reducción  de  escorrentía
debido a una demanda limitada, el tamaño de los tanques no era apropiado comparado con el área
del  techo  o  su  operación  era  interrumpida.  Aseguran  que  conectar  estas  estructuras  al  drenaje
podría evitar los desbordamientos o utilizar el agua almacenada para más usos alternativos.

Con base en todo lo anterior es posible concluir que los tanques de almacenamiento son estructuras
que drenan de forma lenta por lo que dependen directamente del tiempo antecedente de lluvia
para estimar su tiempo de vaciado, así como de la demanda de los usuarios. En los estudios
consultados se evidencia el bajo desempeño de estas estructuras en la reducción de escorrentía
debido a que la cantidad de lluvia supera la capacidad disponible. Sin embargo, algunas reducciones
a partir de modelos exhiben una reducción del flujo al pico para ciertas características de demanda
y lluvia. El aumento en el tamaño de los tanques resultó ser una solución adecuada para algunos de
los autores aunque otros afirmaron que un gran aumento puede ser ineficiente ante intensidades
altas de lluvia y baja demanda.

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Las estimaciones sobre la efectividad de los tanques de almacenamiento son complejas debido a
que se deben tener en cuenta factores muy variables como la demanda de los usuarios. Por esta
razón las investigaciones aquí presentadas utilizaron distintos parámetros y características que
consideraron necesarias aunque no son generales. Los resultados obtenidos se concluyen para las
características de cada uno de los estudios y pueden variar según los modelos y variables utilizadas.

3.1.8 Cuenca seca de drenaje

Estos sistemas son depresiones normalmente secas que almacenan la escorrentía durante eventos
de lluvia y la liberan de manera controlada. Por esto permite controlar el flujo, al ser integrado en
espacios verdes proporciona mejoras estéticas y recreacionales, puede ser usado en casi cualquier
tipo de suelo y puede generar micro hábitats. Sin embargo, tiene limitada capacidad de remoción
de  contaminantes  y esto  está  directamente  relacionado  con el  tiempo  de  retención.  En  adición,
necesita  grandes  áreas  para  su  implementación  y  tiene  altos  costos  de  mantenimiento  por
colmatación.

Las cuencas secas de drenaje son estructuras de control en el sitio que pueden, o no, ser vegetadas
y permitir la intercepción de agua por parte de la vegetación. En caso de que no exista un pre-
tratamiento es necesaria la existencia de una piscina artificial para acumular los sedimentos que
podrían afectar la estructura y su estética (CIRIA, 2015).

Metzger, Harbison y Hu (2011) monitorearon mensualmente durante un año 15 cuencas secas de
drenaje en el condado de San Diego, California. Así, se encontraron mosquitos en 14 de las cuencas
cada mes durante el periodo de monitoreo y su presencia fue observada en el 70 % de las cuencas
que contenían agua estancada. Las 4 especies de mosquitos encontradas tienen efectos en la salud
pública e incluso una de ellas (Anopheles hermsi) ha sido implicada en casos de malaria.

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Figura 14. Esquema de una cuenca seca de drenaje. Fuente: CIRIA (2015).

Se  presenta  en  la  Tabla  13  la  reducción  relativa  y  características  de  varias  cuencas  de  drenaje
obtenidas a partir de un monitoreo realizado en Estados Unidos. Estas retenciones varían entre 0.4
y 57.8 % para eventos con profundidad media de lluvia entre 0.94 y 5.12 cm. Los valores reportados
demuestran  una  reducción  muy  baja  en  el  volumen  de  escorrentía  y  un  rango  muy  limitado  en
comparación  con  las  otras  estructuras.  Esto  se  comprueba  en  la  Tabla  7  donde  se  presentan
reducciones entre 10 y 85 % para cuentas verdes y en la Tabla 9 entre 35 % y 94 % para zonas de
bioretención. Lo anterior implica que, aunque no se conocen características importantes como la
intensidad de lluvia y dimensiones de la estructura, la retención de las cuencas de drenaje no tuvo
un  desempeño  alto  para  los  lugares  evaluados.  Se  aprecia  también  que  la  mayor  reducción  se
encontró para el lugar con menor profundidad media de lluvia (0.94 cm) y el resto de estructuras
con profundidades mayores evidenciaron un menor desempeño.

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Tabla 13. Desempeño de varias cuencas de drenaje. Fuente: International Stormwater BMP Database (2010).

Nombre del lugar

No. de

eventos

Profundidad

media de

lluvia (cm)

Área de la

cuenca (ha)

Entrada (L)

Salida (L)

Reducción*

(%)

I-15/SR-78 EDB

2.01

5.42

6026929

5010383

16.87

I-5 / SR-56

2.28

2.14

4109681

2643576

35.67

El Dorado Detention

Basin B504-03-00

1.88

48.97

49996703

37927058

24.14

Brooke Detention

Basin and Wetland

1.72

4.86

1738960

889630

48.84

Carver County dry

detention pond

3.51

18.21

12762828

6684616

47.62

Greenville Pond

5.12

81.00

83858923

51341130

38.78

Lexington Hills -
Detention Pond

0.94

10.75

4812533

2030997

57.80

I-5/Manchester (east)

2.25

1.94

2778421

1857104

33.16

Massie Road

Detention Pond C

1,64

3.19

1.905211

1280094

32.81

Mountain Park

1,13

10.68

1302928

934795

28.25

Whispering Heights

Residential Site

30.76

37515854

37366062

0.40

*Reducción relativa

3.1.9 Pondajes húmedos y humedales artificiales

Los  pondajes  húmedos  son  cuerpos  de  agua  permanentes  que  permiten  la  sedimentación  y
tratamiento biológico. Estos sistemas son controles regionales que pueden ser implementados en
zonas  residenciales  e  industriales.  Son  adecuados  para  la  remoción  de  contaminantes  sólidos  y
solubles, proveen control de inundaciones, crean hábitat para diversas especies, aumentan el valor
de las propiedades aledañas, y constituyen una oportunidad de educación para los habitantes del
sector. Sin embargo, tienen un importante requerimiento de espacio por lo que no son aptos para
todos  los  centros  urbanos,  pueden  generar  problemas  de  seguridad,  tienen  altos  costos  de
construcción pero sus requerimientos de mantenimiento son bajos.

El tiempo de detención en esta estructura debe ser entre 14 y 21 días para permitir el desarrollo de
procesos de sedimentación y tratamiento biológico. Su vida útil es aproximadamente 20 años y su
estructura típica se presenta en la Figura 15.

Los humedales artificiales son similares a los pondajes aunque cuentan con mayor vegetación
acuática y un menor volumen de agua. Son altamente efectivos en la remoción de contaminantes,
mejoran la estética y recreación de la zona, aumentan el valor de las propiedades aledañas y pueden

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ser usados casi en todos los tipos de suelo. Todo lo anterior es posible a partir del correcto manejo
de la estructura. Dentro de sus limitaciones están los grandes requerimientos de espacio, altos
costos de construcción y la variación de su eficiencia con las condiciones climáticas.

Kwasny, Wolder e Isola (2004) afirman que existen cuatro tipos de mosquitos que pueden habitar
en  los  humedales  estudiados  de  California.  Los  más  comunes  (Ochlerotatus  melanimon)  son
aquellos que emergen ante inundaciones y son muy molestos e incluso pueden ser vectores puente.
Las  especies  restantes  Culex  tarsalis,  Culex  erythrothorax  y  Anopheles  freeborni  son  comunes
durante el verano. Las primeras dos especies son vectores puente del West Nile virus (WNV) en el
oeste de Estados Unidos el cual puede causar fiebre, debilidad, fatiga, vómito, dolor de cabeza, entre
otros  síntomas  hasta  enfermedades  neurológicas.  Sin  embargo,  la  mayoría  de  la  población  se
recupera totalmente. La última especie es conocida por ser un vector de malaria que en conjunto
con el parásito (Plasmodium falciparum) resulta en la transmisión de la enfermedad. Los autores
sugieren  alternativas  para  minimizar  la  presencia  de  mosquitos  en  humedales.  La  quema
controlada, pastoreo, henificación y segado son algunas de estas además de garantizar el correcto
funcionamiento de todas las estructuras a partir de un mantenimiento continuo.

Figura 15. Estructura típica de un pondaje húmedo. Fuente: CIRIA (2015).

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Lenhart  y  Hunt  III  (2011)  monitorearon  el  comportamiento  de  un  humedal  artificial  de  0.14
hectáreas durante 24 eventos de lluvia con profundidad entre 0.0011 y 0.22 cm. Ubicado en suelo
arenoso, registró una reducción promedio del 54 % del volumen de escorrentía y 80 % del flujo al
pico. En la Gráfica 8 se presenta la reducción del volumen de escorrentía para cada evento de lluvia
según su profundidad y en la Gráfica 9 la reducción del flujo al pico según el pico de entrada. Algunos
de  los eventos  con  menor  profundidad  tuvieron  una  retención  del 100  %  pero  a  partir  de  estos
valores las reducciones fueron menores. Lo anterior puede deberse al tiempo seco antecedente y a
la  intensidad  de  lluvia  que  no  se  presenta.  Sin  embargo,  no  se  evidencia  un  patrón  claro  de
disminución en la retención debido al aumento de la profundidad de lluvia. Para la reducción del
flujo al pico se evidencia que los flujos con menor profundidad fueron totalmente capturados.

Gráfica 8. Reducción del volumen de escorrentía en un humedal artificial. Fuente: Lenhart y Hunt III (2011).

100

cci

)

Profundidad del evento de lluvia (cm)

Reducción del volumen en un humedal artificial

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Gráfica 9. Reducción del flujo al pico en un humedal artificial. Fuente: Lenhart y Hunt III (2011).

Liew, Selamat, Ab. Ghani y Zakaria (2012) desarrollaron un modelo unidimensional con el software
InfoWorks Collection System (CS) y aplicaciones de GIS para modelar un pondaje seco de 6.55
hectáreas en Malasia. A partir de esto encontraron que para un evento con periodo de retorno de
50 años, el pondaje reduce el flujo en 40 m

/s y aumenta el tiempo al flujo 40 minutos. Para un

evento con periodo de retorno de 100 años el flujo se atenúa a 42 m

/s y el tiempo al pico aumenta

45 minutos. Encontraron que la estructura es adecuada para tratar un evento con periodo de
retorno de 100 años sin ocasionar desbordamiento.

Los pondajes y humedales pueden usarse de manera conjunta y formar así un sistema que funciona
como una planta de tratamiento. Al-rubaei, Engström, Viklander y Blecken (2014) monitorearon un
pondaje de 1.8 hectáreas, seguido por un humedal de 5 hectáreas tras 19 años de funcionamiento.
Encontraron una reducción del  72 % y 79 % del flujo al pico para el humedal artificial y el pondaje,
respectivamente  a  partir  de  10  eventos  de  lluvia  con  un  total  de  126.8  mm  y  una  intensidad
promedio de 2 mm/hr. En la Gráfica 10 se presenta la reducción del volumen de escorrentía para
cada uno de los 10 eventos monitoreados según las características de lluvia. Se aprecia que para el
evento más intenso (24.2 mm y 3.8 mm/hr) se tuvo un desempeño relativamente bajo para las dos
estructuras comparado con los demás. Los eventos menos intensos tuvieron una mejor retención.
Estas estructuras fueron caracterizadas en 1997 y se encontró una reducción del flujo al pico de 87%
un valor más alto al reportado en el estudio.

100

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

ión

)

Flujo al pico (cm)

Reducción del flujo al pico en un humedal artificial

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Gráfica 10. Reducción del volumen de escorrentía en un humedal artificial para 10 eventos. Fuente: Al-rubaei et al.

(2014).

Desafortunadamente  la  mayoría  de  las  investigaciones  realizadas  sobre  estas  estructuras  están
enfocadas  en  la  calidad  del  agua  y  no  en  la  reducción  de  volúmenes.  Aun  así,  a  partir  de  la
información  presentada  se  puede  concluir  que  de  manera  individual  los  humedales  artificiales
reducen el volumen de escorrentía y el flujo al pico para profundidades de lluvia entre 0.0011 y 0.22
cm.  Los pondajes también retrasan el flujo al pico según la investigación consultada y son capaces
de tratar eventos de gran magnitud, hasta con periodo de retorno de 100 años. Sin embargo, es
importante aclarar que  el pondaje estudiado representa el 1.5 % del área total de la cuenca y tiene
un tamaño importante (6.55 hectáreas) por lo que tiene gran capacidad. Por otro lado, en conjunto
estas estructuras permiten la reducción del volumen y el flujo al pico en 72 % y 79 % según el estudio
realizado  por  Al-rubaei  et  al.  (2014).  A  partir  de  los  datos  obtenidos  en  esta  investigación  se
encontró  la influencia de la profundidad e intensidad de lluvia sobre las estructuras por lo que bajo
otras condiciones su desempeño será distinto.

3.1.10 Tren de tratamiento

Con  el  fin  de  combinar  tratamientos  y obtener más beneficios,  es  posible  la  implementación de
varias  de  las  estructuras  mencionadas  previamente  conectadas  entre  ellas.  Brown,  Line  y  Hunt
(2012)  monitorearon  dos  prácticas  en  serie:  concreto  poroso  y  zona  de  bioretención  en  un
parqueadero en Carolina de Norte. El primero tiene un espesor de 0.2 m sobre una sub-base de
piedra con diámetro aproximado de 13 mm. A través de una tubería de PVC perforada, el flujo en

0.5

1.5

2.5

3.5

100

5.8

10.6

12.6

14.8

17.8

24.2

ten

sid

(mm

terce

ción

)

Profundidad del evento (cm)

Reducción por evento según la intensidad

Pondaje

Humedal artificial

Intensidad

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exceso  pasa  hacia  la  celda  de  bioretención  drenada  con  un  espesor  de  suelo  de  0.5  m  y  área
superficial de 0.05 hectáreas. La mezcla de suelo está compuesta por arcilla, limo, compost y arena.
Las dos estructuras se diseñaron para retener la escorrentía total de un evento de precipitación de
25 mm y fueron monitoreadas durante 17 meses. Se registraron 80 eventos con profundidad entre
2.5 y 111.3 mm de los que 33 ocasionaron desbordamiento en la celda de bioretención.  Para un
evento  con  intensidad  de  138 mm/hr  durante  2 minutos se  registró  un  flujo  al  pico  entrando  al
parqueadero  de  360  L/s  ·ha  mientras  el  flujo  al  pico  de  salida  fue  de  0.19  L/s  ·ha.  Lo  anterior
representa  una  reducción  del  99.94  %.  Con  el  fin  de  evaluar  el  desempeño  del  sistema,  se
monitorearon durante 12 meses tres celdas de bioretención en paralelo con profundidades de 0.6
y 0.9 m. Se encontró que mientras la reducción del sistema pavimento-celda fue de 69 %, las zonas
por separado redujeron 45 % y 35 %  (para cada profundidad) y la cantidad de escorrentía no tratada
por estas fue de 12 % y 11 % mientras que para el sistema fue 1 %. Estos resultados se muestran en
la Tabla 14 donde se evidencia la mejora obtenida a partir del uso combinado de las estructuras. El
autor también reporta disminución en los flujos al pico; sin embargo, afirma que el sistema costó
aproximadamente 5 veces más que las celdas individuales de bioretención.

Tabla 14. Desempeño anual de tres estructuras diferentes ubicadas en Nashville. Fuente: Brown et al. (2012).

Estructura

Reducción

volumen (%)

Escorrentía no

tratada (%)

Máxima tasa de

salida (L/s* ha)

Sistema pavimento- celda

12,5

Celda de bioretención ( 0.6 m)

115

Celda de bioretención ( 0.9 m)

115

Bastien, Arthur, Wallis y Scholz (2010) utilizaron el modelo MUSIC (Model for Urban Stormwater
Improvement Conceptualisation) para evaluar las diferentes alternativas de trenes en una cuenca
en  Glasgow.  Reportan  que  los  beneficios  en  términos  de  calidad  del  agua  son  altos  respecto  a
estructuras individuales aunque los requerimientos de  terreno pueden llegar a ser muy altos. Se
afirma  que  el  uso  de  cunetas  verdes  y  humedales  no  presenta  reducciones  importantes  en  la
cantidad  de  agua  para  eventos  con  altos  periodos  de  retorno.  Asimismo,  los  techos  verdes  son
adecuados para el almacenamiento de escorrentía solo para un volumen reducido. Por lo anterior
se considera que los pondajes son la solución más efectiva para tratar eventos fuertes y se destaca
la importancia del periodo de retorno de diseño para escoger las estructuras más apropiadas.

Lashford, Charlesworth, Warwick y Blackett (2014) utilizaron la herramienta de simulación WinDes
para evaluar los beneficios a partir de distintas combinaciones de SUDS en la ciudad de Coventry.
Las  estructuras  modeladas  fueron  techos  verdes  para  cada  casa  y  pavimento  permeable  como
control  en  la  fuente  además  de  pondajes  secos  como  control  en  el  sitio  bajo  tres  eventos  con
duración  de  3,  360  y  720  minutos  e  intensidad  de  73.13  mm/hr,  11.92  mm/hr  y  7.187  mm/hr,

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respectivamente.  Las  reducciones  del  flujo  al  pico  respecto  al  sistema  convencional  (también
modelado) se presentan en la Gráfica 11 para techos verdes (GR), pavimento poroso (PPS), pondaje
(P)  y  cuneta  verde  (C).  Se  aprecia  que  el  tren  con  todas  las  estructuras  tuvo  siempre  el  mejor
desempeño  y  que  todos  los  sistemas  que  incluyen  un  pondaje  tienen  mayor  desempeño  que
aquellos  que  no  lo  hacen. De  igual manera  incluir  un  pavimento  poroso  con  cuneta  implica  una
reducción de 48.3 % mientras que techos verdes con cuneta 36.4 % lo que equivale a una diferencia
de 11.9 %. Esta diferencia aumentó a 39.5 % y 40.9 % para los eventos 2 y 3, respectivamente. Se
nota también la disminución en la retención para todos los trenes con el aumento en la duración y
descenso en la intensidad.

Gráfica 11. Reducción del flujo al pico con respecto al drenaje convencional para distintas combinaciones de SUDS.

Fuente: Lashford et al. (2014).

En adición a esto, se encontraron retrasos en el tiempo al pico para cada uno de los trenes. Esto se
muestra en la Gráfica 12 donde se aprecia que se alcanzan valores hasta de 72 minutos de retraso
respecto al sistema convencional. Aquellos trenes que incluían pondajes tuvieron un mayor retraso
del tiempo al pico a medida que la intensidad del evento disminuía y la duración aumentaba. Lo
anterior se atribuye a una mayor cantidad de escorrentía.

100

Evento 1

Evento 2

Evento 3

cci

)

Reducción del flujo al pico para diferentes estructuras

GR y C

PPS y C

GR, PPS y C

C y P

GR, C y P

PPS, C y P

GR, PPS, C y P

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Gráfica 12. Retraso del tiempo al pico con respecto al drenaje convencional para distintas combinaciones de SUDS.

Fuente: Lashford et al. (2014).

Evento 1

Evento 2

Evento 3

tra

)

Retraso del tiempo al pico para diferentes estructuras

GR y C

PPS y C

GR, PPS y C

C y P

GR, C y P

PPS, C y P

GR, PPS, C y P

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4 CONCLUSIONES

Los impactos de la urbanización y el cambio climático generan alteraciones en el ciclo natural del
agua  en  centros  urbanos.  Estos  cambios  conllevan  a  efectos  adversos  sobre  el  ambiente  y  la
población como lo son olas de calor, contaminación de agua superficial y subterránea, inundaciones,
escasez,  entre  otras.  Debido  a  lo  anterior,  se  han  desarrollado  medidas  estructurales  y  no
estructurales con el fin de mitigar los impactos sobre el medio ambiente y el ciclo hidrológico. Estas
herramientas varían en diseño y composición según las necesidades de la zona de implementación
y  permiten  tratar  la  cantidad  y  calidad  de  escorrentía  a  partir  de  distintos  procesos  como
evapotranspiración, infiltración y sedimentación. Sin embargo, los beneficios teóricos asociados con
cada estructura deben ser revisados bajo diferentes características para evaluar la factibilidad de su
uso. En esta investigación se revisaron fuentes bibliográficas cuyo principal objetivo era caracterizar
el  comportamiento  de  los  SUDS  y  cuantificar  su  desempeño  para  el  tratamiento  de  calidad  y
cantidad de agua. Algunas de las estructuras demostraron tener un impacto sobre el volumen de
escorrentía, flujo al pico o tiempo al pico mientras otras demostraron no ser efectivas.

Los  techos  verdes  son  una  de  las  estructuras  más  estudiadas  internacionalmente;  países  como
Alemania los han implementado desde hace varias décadas. Existen distintas configuraciones y su
desempeño depende significativamente de factores como las características de lluvia, pendiente y
periodo seco antecedente. Se reportaron las reducciones de distintas estructuras evaluadas en la
literatura de acuerdo con la hidrología de la zona y se evidenció la variación en el desempeño aún
para  techos  implementados  en  la  misma  ciudad.  La  profundidad  de  lluvia  se  concluyó  como  un
factor decisivo en la retención y reducción del flujo al pico. Los eventos pequeños son en su mayoría
interceptados  de  forma  total  por  el  sistema  mientras  que  los  de  mayor  intensidad  generan
desbordamiento. Lo anterior ratifica la efectividad de estos sistemas para tratar eventos de lluvia
pequeños y una capacidad reducida para grandes intensidades.

Las  estructuras  de  infiltración  también  demostraron ser  poco  efectivas  para eventos  intensos. A
partir de los eventos consultados se registraron desbordamientos para los eventos más cortos y una
disminución importante en el desempeño debido a la colmatación. Los modelos computacionales
reportaron reducciones entre 18 y 80 % en el volumen de escorrentía para profundidades de lluvia
medias  anuales  hasta  de  2500  mm.  La  reducción  del  flujo  al  pico  fue  baja  según  el  estudio
consultado. Para las cunetas verdes y Buffer se reportó alta efectividad para eventos pequeños e
intercepción total para profundidades pequeñas (5 mm). También se evidenció la disminución en la
tasa de retención con el aumento de la profundidad de lluvia destacando así la importancia de las
características de lluvia sobre el desempeño.

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De igual manera, las zonas de bioretención evidenciaron un buen desempeño para profundidades
bajas de lluvia y desbordamientos ante eventos más intensos. Se reportó una reducción importante
del  flujo  al  pico  en  varios  estudios  y  la  importancia  de  la  profundidad  de  la  estructura  sobre  su
desempeño. Los árboles han sido ampliamente estudiados en términos de intercepción por especie
dentro de bosques y zonas muy vegetadas. Sin embargo, para zonas urbanas los estudios ha sido
muy pocos y se reporta que son más efectivos ante eventos pequeños. Para un alcorque inundable
se  registró  una  reducción  importante  de  la  escorrentía,  aun  cuando  su  porcentaje  de  área  era
pequeño respecto al total de la cuenca.

Otra  de  las  estructuras  más  importantes  son  los  pavimentos  porosos. Para  estos  se  evidenció la
importancia  de  la  profundidad  e  intensidad  de  lluvia  sobre  el  desempeño.  Al  igual  que  para  las
estructuras anteriores se reportaron retenciones totales para los eventos pequeños y disminución
de la efectividad con el aumento del evento. Se encontraron en la literatura reducciones entre 16 y
20 % para profundidades hasta de 369 mm e intensidades de 200 mm/hr. Las cuencas de drenaje
demostraron un bajo desempeño para eventos de precipitación entre 0.94 y 5.12 cm. Su reducción
no supera el 58 % mientras que otras estructuras como las zonas de bioretención alcanzan el 94 %.
Los humedales y pondajes reducen de manera individual los volúmenes de escorrentía y flujo al pico
además  de  retrasar  el  tiempo  al  pico.  En  conjunto,  alcanzan  reducciones  de  hasta  el  72  %  para
eventos  entre  3  -24  mm  y  entre  24.2  y  3.8  mm/hr.  Por  último,  los  estudios  consultados  sobre
tanques  de  almacenamiento  reportaron  desbordamientos  y  dificultades  en  su  implementación
debido  la  variación  en  la  demanda  y  características  de  lluvia.  Uno  de  los  estudios  consultados
reporta  el  bajo  impacto  de  las  estructuras  sobre  la  reducción  de  escorrentía  a  partir  de  la
implementación de un modelo.

Los trenes de tratamiento demostraron un mejor desempeño que las estructuras implementadas
de manera individual. A partir de monitoreo en campo y modelos computacionales se encontró que
algunas alternativas alcanzan el 88.7 % de reducción para un evento de 30 minutos y 73.13 mm/hr
además  de  una  reducción  del  tiempo  al  pico.  El  aumento  en  la  duración  del  evento  cuando
disminuye  la  intensidad  genera  un  desempeño  más  bajo  destacando  así  la  importancia  de  las
características de lluvia. Sin embargo, sus costos son elevados y los requerimientos de espacio son
muy grandes.

En resumen se puede afirmar que la mayoría de las estructuras son  adecuadas para el tratamiento
de  eventos  de  lluvia  de  baja  profundidad  e  intensidad.  Eventos  más  fuertes  pueden  ocasionar
desbordamientos en los sistemas y actuar solo como mecanismos de transporte teniendo así poco
impacto sobre el hidrograma de salida.

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Juliana Robles Rivera

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5 RECOMENDACIONES

Es  importante  resaltar  que  muchas  de  las  investigaciones  consultadas  no  tenían  como  enfoque
principal la cuantificación de las reducciones en volúmenes y flujo al pico sino calidad del agua. Esto
puede representar una fuente de error. De igual manera el número de estudios encontrados para
ciertas estructuras fue muy reducido puesto que la mayoría se enfoca únicamente en aspectos de
reducción  en  la  concentración  de  contaminantes.  Sería  útil  desarrollar  investigaciones  para  esas
estructuras a partir de lo encontrado en este documento y de esta forma verificar su desempeño
bajo características de lluvia más fuertes que no hayan sido previamente evaluadas.

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Juliana Robles Rivera

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6 AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mi familia por su amor y apoyo, son mi razón de ser.

Gracias al profesor Juan Saldarriaga quien me guió y apoyó siempre para lograr culminar este
proyecto.

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Efecto real de las diferentes estructuras SUDS sobre los hidrogramas de salida

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