Evaluación de los sistemas de drenaje urbano sostenible en la reducción del riesgo de inundación urbana

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PROYECTO DE GRADO EN INGENIERÍA CIVIL

EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LOS SISTEMAS DE DRENAJE

URBANO SOSTENIBLE EN LA REDUCCIÓN DEL RIESGO DE

INUNDACIÓN URBANA

Luisa Fernanda Bonilla Triana

Asesor: Juan G. Saldarriaga Valderrama

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

PREGRADO EN INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C.

2019

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AGRADECIMIENTOS

En  primer  lugar,  quiero  agradecer  a  Dios  por  brindarme  las  herramientas  y  oportunidades  para
estudiar en un país en el cual muchos no pueden hacerlo. En segundo lugar, agradezco a mi familia
por  su  confianza  y  cariño  durante  todo  este  proceso;  en  especial  a  mi  mamá,  quien  me  enseña
cada  día  que  es  necesario  un  gran  esfuerzo  para  alcanzar  lo  que  se  desea.  En  tercer  lugar,
agradezco  a  mi  asesor  de  tesis  Juan  Saldarriaga  que  durante  el  semestre  me  guió  e  incentivó  a
mejorar mi criterio como ingeniera y a perseverar hasta obtener los mejores resultados. También,
quiero  agradecer  al  profesor  Camilo  Salcedo,  quién  confió  en  mí  para  darme  la  oportunidad  de
aprender  más  allá  de  lo  que  se  enseña  en  clase;  además,  de  guiarme  al  inicio  del  presente
proyecto  de  grado.  Finalmente,  quiero  agradecer  a  la  universidad,  a  los  profesores  y  a  mis
compañeros por acompañarme y apoyarme a lo largo de este camino.

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Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA
Evaluación de los sistemas de drenaje urbano sostenible en la reducción
del riesgo de inundación urbana

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Luisa Fernanda Bonilla Triana

Proyecto de grado en Ingeniería civil

TABLA DE CONTENIDO

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

1.1

Objetivos ............................................................................................................................. 5

1.1.1

Objetivo General ......................................................................................................... 5

1.1.2

Objetivos Específicos ................................................................................................... 5

Marco teórico .............................................................................................................................. 6

1.1.

Hidrología e impacto de la urbanización ............................................................................. 6

1.2.

Inundación ........................................................................................................................... 7

1.2.1.

Inundación urbana ...................................................................................................... 7

1.2.2.

Riesgo de inundación .................................................................................................. 8

1.3.

Sistemas de drenaje urbano sostenible .............................................................................. 8

1.3.1.

Techos verdes .............................................................................................................. 9

1.3.2.

Techos azules ............................................................................................................ 10

1.4.

Storm Water Management Model (SWMM) .................................................................... 11

1.5.

Método de infiltración: Número de curva ........................................................................ 13

Metodología .............................................................................................................................. 15

3.1.

Caracterización caso de estudio: Cajicá ............................................................................ 15

3.2.

Modelación en EPA SWM .................................................................................................. 18

3.2.1.

Evento de lluvia ......................................................................................................... 18

3.2.2.

Modelación de las subcuencas .................................................................................. 20

3.2.3.

Modelación del método de infiltración ..................................................................... 25

3.2.4.

Características promedio de las cuencas de estudio ................................................ 26

3.3.

Análisis planteados ............................................................................................................ 30

3.3.1.

Análisis de sensibilidad parámetros impermeabilidad ............................................. 30

3.3.2.

Análisis de sensibilidad propiedades SUDS ............................................................... 31

3.3.3.

Análisis de riesgo de inundación ............................................................................... 33

RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................................ 34

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3.1.

Análisis de sensibilidad parámetros de impermeabilidad ................................................ 34

3.1.1.

Análisis número de curva .......................................................................................... 34

3.1.2.

Análisis profundidad de almacenamiento área impermeable .................................. 39

3.1.3.

Análisis porcentaje sin almacenamiento de la zona impermeable ........................... 40

4.2.

Análisis de sensibilidad propiedades SUDS ....................................................................... 41

4.3.

Análisis de riesgo de inundación ....................................................................................... 42

Conclusiones.............................................................................................................................. 45

Recomendaciones ..................................................................................................................... 47

Referencias ................................................................................................................................ 48

Anexos ....................................................................................................................................... 52

Anexo 1. Mapa de ocupación de Cajicá. ....................................................................................... 52

Anexo 2. Mapa ocupación del suelo urbano Cajicá. ..................................................................... 53

Anexo 3. Mapa información geológica de Cajicá. Tomado de ...................................................... 54

Anexo 1. Número de curva áreas urbanas. Tomado de ................................................................ 55

Anexo 2. Números de curva para tierras de cultivo ...................................................................... 56

Anexo 6. Hidrogramas de salida Cuenca 2 ...................................................................................... 1

Anexo 7. Hidrogramas de salida Cuenca 3 ...................................................................................... 3

Anexo 8. Hidrogramas de salida Cuenca 4AA ................................................................................. 6

Anexo 9. Hidrogramas de salida Cuenca 4AB ................................................................................. 8

Anexo 10. Hidrogramas de salida Cuenca 4B ................................................................................ 11

Anexo 11. Hidrogramas de salida Cuenca 5 .................................................................................. 13

Anexo 12. Hidrogramas de salida Cuenca 6 .................................................................................. 16

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iii

ÍNDICE DE FIGURAS

Ilustración 1. Componentes típicos del techo verde. Tomado de (Secretaría Distrital de Ambiente, 2014) ... 10

Ilustración 2. Tipos de techos azules. De izquierda a derecha con piedras, adoquines o estructuras con

vacíos. Tomado de (Hydrotech, s.f.) ........................................................................................................ 11

Ilustración 3. Idealización de las subcuencas. Tomada de (Macor, 2002) ........................................................ 12

Ilustración 4. Resumen de la metodología ....................................................................................................... 15

Ilustración 5. Ubicación del área de estudio en el municipio de Cajicá ........................................................... 16

Ilustración 6. Distribución urbana y rural en el área de estudio ...................................................................... 17

Ilustración 7. De izquierda a derecha: Elevación de Cajicá y Pendiente de Cajicá ........................................... 18

Ilustración 8. Curvas IDF. Tomado de (Empresa de Servicios Públicos de Cajicá S.A E.S.P e INGEQMA, 2018) 19

Ilustración 9. Hietograma lluvia de análisis ...................................................................................................... 20

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Implicaciones de la urbanización en procesos del ciclo de agua. Adaptada de (Ruby, s.f.). ................. 7

Tabla 2. Descripción de los grupos hidrológicos del suelo. Tomado de (United States Department of

Agriculture, 1986) .................................................................................................................................... 14

Tabla 3. Resultados procedimiento bloques alternos ...................................................................................... 20

Tabla 4. Propiedades de los componentes hidráulicos .................................................................................... 21

Tabla 5. Propiedades de la subcuenca ............................................................................................................. 22

Tabla 6. N de Manning superficies. Tomado de (McCuen R., Johnson P. y Ragan, R., 2002) ........................... 24

Tabla 7. Profundidad de almacenamiento en zonas impermeables y permeables. Adaptada de (ASCE, 1992)

................................................................................................................................................................. 25

Tabla 8. Números de curva asociados a los usos del suelo característicos del área de estudio ...................... 26

Tabla 9. Características Cuenca 2 ..................................................................................................................... 27

Tabla 10. Características Cuenca 3 ................................................................................................................... 27

Tabla 11. Características Cuenca 4AA .............................................................................................................. 28

Tabla 12. Características Cuenca 4AB ............................................................................................................... 28

Tabla 13. Características Cuenca 4B ................................................................................................................. 29

Tabla 14. Características Cuenca 5 ................................................................................................................... 29

Tabla 15. Características Cuenca 6 ................................................................................................................... 30

Tabla 16. Análisis número de curva .................................................................................................................. 31

Tabla 17. Propiedades modeladas de los techos verdes .................................................................................. 32

Tabla 18. Propiedades modeladas techos azules ............................................................................................. 32

Tabla 19. Resultados obtenidos en condiciones actuales ................................................................................ 34

Tabla 20. Análisis número de curva Cuenca 2 .................................................................................................. 35

Tabla 21. Análisis número de curva Cuenca 3 .................................................................................................. 36

Tabla 22. Análisis número de curva Cuenca 4AA ............................................................................................. 36

Tabla 23. Análisis número de curva Cuenca 4AB .............................................................................................. 37

Tabla 24. Análisis de curva Cuenca 4B .............................................................................................................. 38

Tabla 25. Análisis de curva Cuenca 5 ................................................................................................................ 38

Tabla 26. Análisis de curva Cuenca 6 ................................................................................................................ 39

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Tabla 27. Análisis profundidad almacenamiento área impermeable Cuenca 2, 3, 4AA y 4AB ......................... 40

Tabla 28.Análisis profundidad almacenamiento área impermeable Cuenca 4B, 5 y 6 .................................... 40

Tabla 29. Análisis porcentaje sin almacenamiento Cuenca 2, 3, 4AA y 4AB .................................................... 41

Tabla 30. Análisis porcentaje sin almacenamiento Cuenca 4B, 5 y 6 ............................................................... 41

Tabla 31. Análisis de sensibilidad propiedades SUDS Cuenca 2, 3, 4AA, 4AB, 4B, 5 y 6 ................................... 42

Tabla 32. Resultados volumen de inundación sensibilidad propiedades SUDS ............................................... 43

Tabla 33. Resultados volumen de inundación escenarios proyectados ........................................................... 43

Tabla 34. Análisis de riesgo de inundación escenarios proyectados ................................................................ 44

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ÍNDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1. Caudal de escorrentía EPA SWMM ............................................................................................... 13

Ecuación 2. Cálculo del número de curva ......................................................................................................... 13

Ecuación 3. Cálculo escorrentía número de curva ........................................................................................... 13

Ecuación 4. Cálculo de sensibilidad .................................................................................................................. 34

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1 INTRODUCCIÓN

Las ciudades crecen rápidamente como respuesta a la demanda de la población que decide migrar
de las zonas rurales a las urbanas. Hoy en día el 55% de la población mundial vive en las urbes y
para el 2050 se espera que sea el 68% (Naciones Unidas, 2018). Este proceso de migración, a su
vez,  se  encuentra  acompañado  por  el  reemplazo  de  elementos  naturales  por  estructuras
artificiales, caracterizadas por ser impermeables. Dicha impermeabilización convierte al territorio
natural en una cuenca urbana, la cual se caracteriza por la sustitución del drenaje compuesto por
fuentes  de  agua  que  drenan  en  el  mar  a  un  sistema  de  alcantarillado  y  saneamiento  (Real
Academia  de  Ingeniería,  s.f.).Este  proceso  produce  alteraciones  en  el  ciclo  hidrológico  que  trae
consigo  consecuencias  en  el  habitual  comportamiento  de  las  cuencas  al  modificar  las  rutas  del
flujo  de  agua  (Ruby,  s.f.).  De  este  hecho,  se  origina  la  necesidad  de  darle  sostenibilidad  a  las
ciudades, en términos ambientales, sociales y económicos. Por lo cual, se discutirá la importancia
de  evaluar las inundaciones por encharcamiento en zonas urbanas y la introducción de  sistemas
urbanos de drenaje sostenible como herramientas de manejo para el riesgo de inundación.

En primer lugar, se define que las inundaciones se dan cuando hay un exceso de agua en una zona
que  habitualmente  estaría  seca.  La  alteración  del  ciclo  hidrológico  sumado  al  cambio  climático
aumenta el riesgo de que se dé una inundación en la ciudad (IDIGER, 2019). Pues, las lluvias serán
cada  vez  más  frecuentes  e  intensas  (Oki,  T.  y  Kanae,  S.,  2006)  y  las  redes  de  alcantarillado
existentes  pueden  no  tener  la  capacidad  hidráulica  suficiente  para  evacuar  el  agua  o  incluso  el
agua pluvial puede ingresar en el sistema de drenaje y luego salir y almacenarse en otro lugar de la
ciudad. Este tipo de inundación puede durar desde horas hasta días de acuerdo a si fue originada
por  crecientes  de  ríos,  diques,  arroyos  u  otras  fuentes  hídricas.  Por  lo  cual,  puede  ocasionar
pérdidas  económicas  e  incluso  humanas  (Floodsite,  2008).  Un  ejemplo  extremo  de  este  tipo  de
inundaciones se encuentra en la ciudad de Barranquilla, la cual, en época de lluvias al no contar
con  un  sistema  de  drenaje  formal  se  forman  fuertes  corrientes  de  escorrentía  denominadas
arroyos que ocasionan pérdidas de vidas, daños en la infraestructura, daños ambientales y cese de
actividades laborales y educativas (Alcaldía de Barranquilla, 2019).

En  Colombia,  las  zonas  con  mayor  riesgo  de  inundación  son  los  Llanos  Orientales,  la  región  del
Caribe  y  las  regiones  con poblaciones  establecidas  cerca  a  fuentes  hídricas  o en  las  planicies  de
inundación de los ríos. Como se mencionó antes, este riesgo aumentará por el incremento en la
intensidad  y  frecuencia  de  las  precipitaciones,  en  especial  en  Colombia.  Pues,  según  la  ONU
Colombia es el país donde más llueve con precipitaciones promedio de 3240 milímetros al año. A
su vez, dentro de Colombia, el departamento con el mayor régimen de lluvia es Chocó, el cual se
ve afectado por inundaciones causadas por su cercanía al Océano Pacifico y a la cordillera de los
Andes, la cual impide el paso de las nubes hacia el interior del país (UNGRD, 2019). Por otro lado,

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es importante mencionar las consecuencias de épocas invernales como la que se dio entre 2010 y
2011, en la cual se registró que el 73% de la población nacional fue damnificada, 552.175 viviendas
fueron afectadas y el total de daños se valorizó en 11,2 billones de pesos. Además, durante esta
ola invernal la afectación del territorio fue mayor en las zonas urbanas que las rurales, 9.726
hectáreas de zonas urbanizadas se inundaron y la tasa de desempleo aumento en estas áreas (BID
& Cepal, 2012).

Por  lo  anterior,  se  evidencia  la  necesidad  de  mejorar  los  procesos  en  el  manejo  de  riesgo  de
inundaciones en las zonas urbanas, pues sus efectos van en contra de lo que es la sostenibilidad, al
trascender  en  el  ámbito  social  y  económico.  En  referencia  al  aspecto  social,  se  ve  afectada  la
calidad de vida de las personas, hay problemas en las redes de transporte, se da una alteración en
el  normal  funcionamiento  de  sus  actividades  e  incluso  se  puede  dar  una  pérdida  de  vidas
humanas.  Respecto  al  aspecto  financiero  existen  pérdidas  económicas  significantes,  al  haber
daños en la infraestructura y cese de las actividades económicas (APFM, 2013).

En  la  actualidad,  el  drenaje  de  las  ciudades  se  realiza  por  sistemas  de  drenaje  tradicionales  y  a
pesar de realizarles mantenimientos periódicos, las inundaciones o eventos catastróficos obligan a
las autoridades a efectuar intervenciones locales o a desarrollar planes de emergencia basados en
las  catástrofes  ocurridas.  Lo  cual,  implica  altas  inversiones  para  adaptar  las  estructuras  que  no
garantizan  la  reducción  del  riesgo  de  inundación.  A  partir  de  esto,  el  cambio  climático,  el
crecimiento  de  la  población  urbana  y  la  alteración  en  el  ciclo  hidrológico,  cobra  importancia  el
concepto de resiliencia y sostenibilidad en las ciudades. El primero hace referencia a la capacidad
de una entidad de recuperarse frente a perturbaciones o problemas para seguir funcionando en el
futuro,  en  este  caso  se  refiere  a  la  capacidad  de  un  sistema  de  drenaje  para  recuperarse  de
problemas  mecánicos  y  seguir  brindando  un  servicio  óptimo  en  la  evacuación  de  aguas  para
contribuir a disminuir las pérdidas por la inundación. El segundo término hace referencia a que el
desarrollo de las ciudades debe satisfacer las necesidades actuales sin comprometer los recursos
de  las  futuras  generaciones  en  términos  sociales,  ambientales  y  económicos  (ONU  tomado  de
Comisión Mundial sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo, s.f.).

En  continuación  a  los  términos  de  resiliencia y sostenibilidad  definidos con  anterioridad  se  hace
importante evaluar los sistemas de drenaje urbano sostenible (SUDS) como alternativa al manejo
del  riesgo  de  inundación  de  las  ciudades.  Los  sistemas  de  drenaje  urbano  sostenible  pretenden
que  el  comportamiento  hidrológico  de  la  cuenca  urbana  se  parezca  al  de  una  cuenca  sin
intervención  humana.  Por  lo  cual,  integran  elementos  naturales  que  permiten  la  infiltración  del
agua para la recarga de acuíferos, reducen el caudal de escorrentía y evitan el contacto del agua
con  superficies  contaminadas.  Logrando  así  que  se  reduzca  el  nivel  de  escorrentía  y  con  ello  el
riesgo de inundación (Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible, 2016).

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Adicionalmente,  los  sistemas  de  drenaje  urbano  sostenible  traen  beneficios  que  contribuyen  a
construir ciudades sostenibles. En el escenario ambiental, contribuyen a la captura de dióxido de
carbono, mejoran la  calidad de  aire,  generan espacios verdes para la biodiversidad de  animales,
reducen  el  efecto  de  la  isla  calor,  mejoran  la  disponibilidad  y  la  calidad  del  agua.  En  el  sector
económico,  sirven  para  regular  la  temperatura  en  los  edificios,  se  pueden  adaptar  a  la
infraestructura  existente  y  permiten  obtener  mejores  puntuaciones  para  obtener  las
certificaciones  LEED.  En  el  ámbito  social,  disminuyen  la  contaminación  auditiva,  crean  espacios
paisajísticos y mejoran la calidad de vida (Secretaría Distrital de Ambiente, 2014).

Por otro lado, es importante resaltar que con anterioridad se han llevado a cabo investigaciones
sobre los beneficios de la implementación de infraestructura verde en las ciudades. En el caso de
la Universidad de los Andes, se ha evaluado la retención de la escorrentía y los costos asociados a
la  implementación  de  diferentes  sistemas  urbanos  de  drenaje  sostenible  en  casos  de  estudio
ubicados  en  Bogotá.  Por  ejemplo,  en  Muñoz,  A.,  2016  se  desarrolla  una  metodología  de
optimización para maximizar el uso de SUDS en la universidad de los Andes. En Vega, L., 2016 se
realizan  análisis  de  sensibilidad  del  comportamiento  de  los  techos  verdes  y  los  tanques  de
almacenamiento.  Asimismo, en  Correa,  S.,  2013 se  hace  una valoración  de  beneficios  públicos y
sociales de la implementación de los sistemas de drenaje urbano sostenible.

Del mismo modo, en la comunidad internacional se han desarrollado investigaciones en torno a la
resiliencia y la sostenibilidad de las ciudades, al manejo de riesgo de inundaciones y al análisis de
los  beneficios  de  las  infraestructuras  verdes  como  los  sistemas  de  drenaje  urbano  sostenible.
Como referente para este proyecto, se tiene al artículo “Assessing the Co-Benefits of green-blue-
grey  infrastructure  for  sustainable  urban  flood  risk  management”,  en  el  cual  se  realiza  una
modelación de inundación en un caso de estudio y se cuantifica los costos de los daños para luego
compararlos  con  los  beneficios  y  los  costos  de  los  daños  en  un  escenario  con  infraestructura
verde-azul-gris.  De  este  artículo  se  evidenció  la  importancia  de  la  modelación  de  inundaciones.
Pues,  la  modelación  hidrológica  permite  prevenirlas  y  manejarlas  al  convertirse  en  una
herramienta  para  la  toma  de  decisiones,  el  desarrollo  de  planes  de  ordenamiento  territorial,  la
delimitación del índice de construcción alrededor de los ríos, la determinación de parámetros para
el  desarrollo  de  infraestructura  y  el  establecimiento  de  protocolos  de  procedimiento  para
situaciones de emergencia por temporadas de lluvias (IDEAM, s.f.).

A  diferencia  de  los  trabajos  mencionados  con  anterioridad  y  por  la  importancia  que  tiene  la
modelación  de  las  inundaciones  para  el  plan  de  emergencias  de  una  ciudad,  esta  investigación
quiere  cuantificar  y  expresar  los  efectos  de  la  captura  del  agua  de  escorrentía  e  infiltración  del
agua pluvial por los sistemas de drenaje urbano sostenible en términos de reducción del riesgo de
inundación  en  las  ciudades.  No  obstante,  a  pesar  de  que  las  inundaciones  urbanas  con  mayor
significancia  en  pérdidas  se  dan  por  desbordamientos  en  ríos,  quebradas  u  otras  corrientes  de

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agua; el alcance de esta tesis está limitado al análisis de inundaciones urbanas causadas por altas
precipitaciones.

Para  resumir,  se  evidencia  que  existe  una  problemática  respecto  al  riesgo  de  inundaciones  en
cuencas  urbanas,  las  cuales  son  causadas  por  lluvias intensas y  falta  de  capacidad  hidráulica  del
sistema  de  alcantarillado.  A  su  vez,  las  inundaciones  tienen  impactos  negativos  en  los  sectores
social,  económico  y  financiero.  A  partir  de  allí,  se  identifica  la  necesidad  de  implementar
estrategias para dirigir las ciudades hacia la sostenibilidad, por lo que se implementan los sistemas
de drenaje urbano sostenible en las redes de drenaje tradicionales. Por ende, como valor agregado
a las tesis hechas anteriormente sobre este tema, se quiere aplicar las funciones de los SUDS en
una  problemática  actual,  para  concluir  si  tiene  o  no  relevancia  la  implementación  de  sistemas
urbanos de drenaje sostenible en el manejo del riesgo de inundación urbana.

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1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo General

Evaluar el desempeño de los sistemas de drenaje urbano sostenible en la reducción del riesgo de
inundación urbana en Cajicá en el caso actual y en escenarios que podrían ocurrir por el
crecimiento urbano del municipio.

1.1.2 Objetivos Específicos



Determinar la sensibilidad de los parámetros que afectan la impermeabilidad en el
comportamiento hidrológico de las cuencas.



Identificar las propiedades del techo verde con mejor desempeño en la reducción de escorrentía y
caudales de salida.



Realizar un análisis comparativo entre techos verdes y techos azules en escenarios de alta
impermeabilidad.

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2 MARCO TEÓRICO

1.1. Hidrología e impacto de la urbanización

El agua es esencial para el correcto funcionamiento y sostenimiento de los procesos biológicos
en  el  planeta.  Aproximadamente  el  75%  de  la Tierra  está  cubierta  por  agua  o hielo,  de  este
porcentaje el 97% está almacenado en los océanos, 1.7% en los glaciares, 1.7% en los ríos, los
lagos  y  el  suelo  y  el  0.001%  pertenece  al  agua  en  forma  de  vapor  que  se  encuentra  en  la
atmósfera  (National  Geographic,  s.f.).  El  proceso  que  permite  el  constante  movimiento  y
transformación  del  agua  a  través  del  planeta  se  denomina  ciclo  hidrológico.  El  anterior
concepto se define como el continuo intercambio de masas de agua a través de la tierra y la
atmósfera mediante el paso del agua por sus tres estados (sólido, líquido y gaseoso)  (NOAA,
s.f.).

El ciclo del agua no es un proceso circular simple, está compuesto por diferentes procesos, los
cuales  son  posibles  por  la  energía  solar  y  la  gravedad.  El  agua  almacenada  en  la  Tierra
(océanos,  ríos  y  otras  fuentes  de  agua)  se  convierte  en  vapor  de  agua  mediante  la
evaporación. Este vapor de agua a través de la condensación forma las nubes y estas retornan
el agua a la superficie mediante la precipitación o la caída de nieve. Después, el agua puede
tomar varias rutas: desplazarse por la tierra (escorrentía), penetrar el suelo por medio de  la
infiltración  o  percolación  o  ser  absorbida  y  evapotranspirada  por  las  plantas.  Asimismo,
existen  otros  procesos  como  la conversión  del  hielo  a vapor  de  agua  (sublimación) o,  por  el
contrario, el vapor de agua pasa a su fase sólida (deposición). (NOAA, s.f.). Cada una de estas
rutas que toma el agua se consideran corrientes, que a su vez forman cuencas hidrográficas.

Las cuencas hidrográficas se caracterizan por drenar las aguas que caen en su superficie a un
único  punto  de  salida.  Estas  se  encuentran  delimitadas  por  líneas  imaginarias  denominadas
divisorias  de  aguas,  las  cuales  se  definen  sobre  las  elevaciones  del  terreno.  Debido  al
crecimiento de las ciudades las cuencas naturales han dejado de tener un sistema de drenaje
natural  y  se  han  convertido  en  cuencas  urbanas  con  sistemas  de  drenaje  creados  por  el
hombre.

Las  cuencas  urbanas  se  caracterizan  porque  existe  un  aumento  de  las  superficies
impermeables,  es  decir,  superficies  duras  que  no  permiten  la  penetración  del  agua.  El
aumento  de  estas  superficies  impermeables  cambia  las  rutas  que  toma  el  agua,  pues  se
disminuye la infiltración y se aumenta la escorrentía. Lo anterior se muestra en la Tabla 1, en
la cual se muestra los cambios en el porcentaje de agua transportada según el aumento de la
impermeabilización de la cuenca.

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Tabla 1. Implicaciones de la urbanización en procesos del ciclo de agua. Adaptada de (Ruby, s.f.).

Superficie

Infiltración

superficial

Infiltración

profunda

Evapotranspiración

Escorrentía

Natural

25%

40%

10%

Impermeable

(10-20%)

21%

38%

20%

Impermeable

(35%-50%)

20%

15%

35%

30%

Impermeable

(75%-100%)

10%

30%

55%

Otra consecuencia en la hidrología son los picos de descarga y los tiempos en que transcurre la
creciente. El aumento en los volúmenes de descarga y la reducción en el tiempo de transición
de la creciente pueden ocasionar inundaciones o daños ambientales en los cuerpos de agua.
Los  daños  en  el  ecosistema  son:  el  aumento  de  la  erosión  de  los  ríos,  el  aumento  de  los
sedimentos  transportados,  la  obstrucción  de  canales,  la  reducción  del  almacenamiento  de
agua  subterránea,  pérdida  de  la  vegetación,  baja  calidad  del  agua  y  degradación  del  hábitat
acuático.

Por otro  lado,  las  áreas  urbanas  tienen  incidencia  en  la  intensidad  y  variabilidad  de  la  lluvia
debido  al  alto  volumen  de  materiales  que  absorben  el  calor,  la  falta  de  vegetación  para  el
respectivo enfriamiento y el uso de aerosoles y contaminantes que favorecen el aumento de la
temperatura. En varias ciudades de Estados Unidos y Europa se han evidenciado aumentos o
reducciones de las precipitaciones desde el 8% a 28% (McGrane, 2016). Asimismo, se espera
que  bajo  las  políticas  actuales  del  manejo  del  agua  el  incremento  en  la  intensidad  e
intermitencia de las lluvias no será equivalente a agua para el consumo humano y aumentará
el riesgo de sequías e inundaciones (Oki, T. y Kanae, S., 2006).

1.2. Inundación

1.2.1. Inundación urbana

La inundación urbana, como su nombre lo indica son inundaciones que ocurren en áreas
urbanas debido a lluvias de alta intensidad o crecidas de los ríos adyacentes. Dichos aumentos
en los volúmenes de agua interceptados en la cuenca sobrepasan la capacidad del sistema de
alcantarillado. Esta problemática sumada al alto porcentaje de superficies impermeables que
aumentan la escorrentía, la alteración de las rutas de drenaje natural, el cambio climático y el
continuo aumento de la demanda han hecho que el riesgo de inundación sea mayor en las

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grandes  ciudades.  Razón  por  la  cual  los  gobiernos  deben  buscar  estrategias  de  mitigación,
pues  esta  inundación  produce  significativas  pérdidas económicas  e  impactos  negativos en  la
sociedad y el ambiente. A partir de la anterior preocupación nace el concepto de la resiliencia
de la inundación urbana para la planificación de las ciudades. Esta resiliencia hace referencia a
la  capacidad  del  sistema  de  drenaje  de  resistir  y  brindar  el  servicio  en  momentos  de
sobrecarga,  la  capacidad  de  la  ciudad  para  recuperarse  de  las  pérdidas  económicas  y  de
evacuar el agua de inundación. Como mecanismos para aumentar esta resiliencia se tiene los
planes de manejo de las inundaciones que deberían estar contenidos en los planes de gestión
del  riesgo  y  los  sistemas  urbanos  de  drenaje  sostenible  como  una  forma  ecoamigable  para
disminuir la sobrecarga en los sistemas de alcantarillado convencionales al interceptar el agua
en rutas similares a las del ciclo hidrológico.

1.2.2. Riesgo de inundación

Las inundaciones traen consigo consecuencias negativas en los ámbitos económico y social de
las ciudades y, por ende, representan un peligro para las comunidades. Para el debido manejo
de  este  riesgo  se  hace  necesario  la  cuantificación  del  mismo,  para  ello  existen  diversos
métodos empíricos o sintéticos que involucran la cuantificación de los daños económicos tales
como, las curvas de daño – profundidad, softwares especializados en la realización de mapas
de  inundaciones o el uso de  sistemas de información geográfica que  por medio de capas de
información económica o de profundidad de lluvia pueden calcular el riesgo. Para efectos del
presente  proyecto  de  grado  se  usará  como  método  para  cuantificar  el  riesgo  de  inundación
una aproximación que  se puede  obtener del software  EPA SWMM, la cual es el volumen de
inundación.  Dado  que,  si  estos  volúmenes  son  altos  indican  que  existe  la  probabilidad  de
ocurrencia de inundaciones en el área de estudio.

1.3. Sistemas de drenaje urbano sostenible

Las  inundaciones  por  lluvia  se  han  convertido  en  un  fenómeno  cada  vez  más  recurrente  en
ciudades  durante  la  temporada  de  lluvias  por  diferentes  razones  como:  la  falta  de
mantenimiento,  infraestructura  o  renovación  de  las  redes  de  alcantarillado,  aumento  de  la
demanda,  la  falta  de  planeación  del  crecimiento  de  las  ciudades,  aumento  de  la
impermeabilización,  reducción  de  la  vegetación  y  contaminación  en  los  canales.  Como
estrategias para la problemática mencionada anteriormente se han implementado sistemas de
drenaje  urbano  sostenible  también  conocidos  como  controles  LID  o  Best  Management
Practices  (BMPs),  los  cuales  tienen  el  objetivo  de  recuperar  los  procesos  de  transporte  que
recorrería el agua como la escorrentía o la evaporación, reducir la contaminación en el agua e
integrar  a  la  ciudad  con  el  entorno  natural.  Los  tipos  de  SUDS  a  implementar  son  muy
variados,  desde  los  que  integran  vegetación  como  las  celdas  de  biorretención  o  los  techos
verdes hasta los que se conforman por estructuras artificiales como el pavimento poroso o los

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tanques de almacenamiento. Para el presente proyecto de grado se decidió usar sistemas que
capturaran la lluvia y no la escorrentía, además de ser factibles de implementar en las
residencias, estos sistemas son los techos verdes y los techos azules, los cuales serán
explicados con mayor detalle a continuación.

1.3.1. Techos verdes

Los techos verdes son quizás el sistema de drenaje urbano sostenible más usado debido a los
múltiples beneficios que presenta en el ámbito social, económico y ambiental, tales como la
mejora  del  paisaje  urbano,  el  aumento  de  la  valorización  de  los  predios  y  la  mitigación  del
efecto de la isla de calor. Asimismo, tiene una serie de desventajas como los altos costos de
instalación  y el  frecuente  mantenimiento.  Los  techos  verdes  funcionan  bajo  los  procesos  de
retención,  infiltración  y  evaporación  del  agua  lluvia  captada.  Adicionalmente,  debe  cumplir
con una serie de requerimientos mínimos como la estanqueidad, es decir, impedir la filtración
del agua a la estructura que lo soporta; el drenaje, que se refiere a la evacuación y circulación
del agua a través del sistema dispuesto para tal fin como las bajantes y canaletas y la nutrición
para  mantener  a  las  plantas  en  buen  estado  para  brindar  una  estructura  armónica  con  el
entorno. (Secretaría Distrital de Ambiente, 2014)

En cuanto a la estructura está compuesta por tres componentes: activos, estables y auxiliares,
los cuales deben tener una correcta interacción entre ellos para el adecuado funcionamiento.
El  primer  componente  hace  referencia  a  la  cobertura  vegetal  y  al  medio  de  crecimiento,  es
decir, las plantas que se van a disponer en este y al suelo sobre el que se plantarán, los cuales
deben ser seleccionadas en base a los criterios de condiciones climáticas, la vegetación local y
el  propósito  de  implementación  del  mismo.  Por  otro  lado,  el  segundo  componente  hace
alusión  a  los  componentes  que  deben  garantizar  el  correcto  funcionamiento  de  los  techos
verdes  como  las  membranas  de  impermeabilización,  barreras  anti  raíces,  filtrantes,
componentes del drenaje, entre otros. Por último, los elementos auxiliares hacen referencia a
los  componentes  que  permiten  la  adaptación  del  techo  verde  como  el  confinamiento,  los
medios  de  protección,  la  iluminación,  entre  otros.  En  la  Ilustración  1  se  muestra  esta
estructura.

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Ilustración 1. Componentes típicos del techo verde. Tomado de (Secretaría Distrital de Ambiente, 2014)

1.3.2. Techos azules

Los  techos  azules  son  sistemas  urbanos  de  drenaje  sostenible  que  se  implementan  en  los
techos de las construcciones que sean planos. A pesar de que capturan el agua de la lluvia no
están diseñados para almacenarla, por el contrario, cuentan con un sistema de drenaje que se
encarga  de  evacuarla  de  forma  controlada  en  un  periodo  corto  de  tiempo  no  mayor  a  72
horas.  Son mayormente  aplicados  en  áreas  urbanas  con  pocas  superficies  permeables  y con
riesgo  de  inundación.  Los  techos  azules  cuentan  con  múltiples  beneficios  como  la
compatibilidad con otros tipos de techos como paneles solares, no requieren excavación, son
fáciles de instalar y no necesita condiciones adicionales al alcantarillado. No obstante, también
presenta  una  serie  de  desventajas  como  la  limitación  de  factibilidad  de  aplicación  a  techos
planos,  capacidad  de  almacenamiento  limitada,  no  mejora  la  estética  ni  reduce  la
contaminación  en  el  agua o mejora  la  calidad  de  la misma  (Philadelphia  Water  Department,
s.f.).

Los techos azules están compuestos por controles de entrada que les permiten recibir la lluvia
que cae y la escorrentía de techos adyacentes, tiene un área de almacenamiento soportada en
una  membrana  impermeable,  un  control  de  salida  que  restringe  la evacuación  del  agua y  lo
lleva  a  un  sistema  de  drenaje  y  finalmente,  tiene  un  componente  para  el  mantenimiento  y
acceso en el cual se adecuan sistemas de monitoreo o barandas. Para su instalación se debe
adecuar una salida del agua como una bajante, la cual debe ser revisada con regularidad para
evitar bloqueos, luego se instalan unas membranas impermeables para evitar escapes de agua
y  por  último  se  instala  el  sistema  del  techo  azul,  el  cual  se  conforma  por  estructuras  que
tengan  vacíos  para  el  paso  del  agua.  Además,  el  techo  azul  tiene  una  gran  versatilidad  y
permite la adecuación de techos verdes, pues estos permiten infiltrar el agua hacia su sistema,

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en la Ilustración 2 se pueden observar algunas de las composiciones típicas para la instalación
de un techo azul. Dada la anterior estructura y para el correcto funcionamiento del techo azul,
la salida del agua es diseñada para evacuar un caudal específico con el fin de evitar
inundaciones locales y para descargar un determinado volumen de agua, el cual puede ser de
hasta una precipitación de 120 mm (Bauder, s.f.).

Ilustración 2. Tipos de techos azules. De izquierda a derecha con piedras, adoquines o estructuras con vacíos. Tomado

de (Hydrotech, s.f.)

1.4. Storm Water Management Model (SWMM)

Storm Water Management Model (SWMM) es un software libre desarrollado por la Agencia de
Protección Ambiental de los Estados Unidos (US EPA) para modelaciones hidráulicas. Se creó
con el objetivo de hacer un buen manejo de las aguas pluviales y diseñar estrategias para el
manejo  de  la  escorrentía  y  descargas  de  las  cuencas  que  dañan  a  los  cuerpos  de  agua
receptores.  EPA  SWMMM  es  principalmente  usado  en  áreas  urbanas  para  proyectos
relacionados  con  sistemas  de  drenaje,  evaluación  de  contaminantes  en  la  calidad  del  agua,
delimitación  de  zonas  de  inundación  y  eventos  hidrológicos.  Para  el  cálculo,  este  software
cuenta con un motor explícito llamado SWMM, el cual ha sido usado eficazmente desde 1970
a nivel internacional y que se encuentra en continua mejora por su inestabilidad respecto a los
otros motores  hidráulicos (Abellán, 2016). En la actualidad, se  cuenta  con la versión SWMM
5.1, la cual ha sido desarrollada sobre versiones anteriores, cuenta con una interfaz amigable
con  el  usuario  y  con  múltiples  formatos  para  la  presentación  de  resultados  como  gráficos,
tablas,  diagramas  de  perfil  de  las  tuberías,  entre  otros. Para  la modelación,  SWMM  permite
simular eventos de lluvia en un periodo deseado y posee tres módulos: un nódulo hidráulico y
un módulo de hidrología.

El módulo hidráulico se encarga de distribuir el agua que se encuentra como escorrentía en la
superficie a la red de drenaje, canales, dispositivos de almacenamiento/tratamiento, bombas y

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elementos  reguladores.  Asimismo,  este  módulo  tiene  la  capacidad  de  diseñar  redes  de
drenaje, modelar elementos especiales como vertederos, analizar redes de tamaño ilimitado,
modelar  regímenes  de  flujo,  definir  la  ruta  que  tomará  el  flujo  por  onda  cinemática  o
dinámica, percolación del agua, interacción entre el agua subterránea y el sistema de drenaje
y, reducción de  la escorrentía por medio de controles  LID. Respecto a los controles LID, EPA
SWMM tiene la capacidad de modelar ocho tipos de estos sistemas: Celdas de bio-retención,
jardines de lluvia, techos verdes, zanjas de infiltración, pavimento permeable, barril de lluvia,
desconexión en el techo y canales vegetales (EPA, s.f.).

Por  otro  lado,  el  módulo  de  hidrología  define  el  área  de  estudio  como  una  cuenca  que  se
divide  en  subcuencas  homogéneas.  En  esta  ocurre  un  evento  de  lluvia  que  genera  la
escorrentía  que  ingresa  a  la  red  de  drenaje.  Este  módulo  tiene  diferentes  funciones,  tales
como  la  evaporación,  la  acumulación  y  derretimiento  de  la  nieve,  simulación  de  la
precipitación  variable  en  el  tiempo,  infiltración,  percolación  e  intercepción  de  lluvia.  Para  la
generación  de  la  escorrentía,  SWMM  usa  el  proceso  de  transformación  lluvia-escorrentía
denominado  bloque  RUNOFF  que  considera  a  las  cuencas  como  reservorios  no  lineales
espacialmente concentrados. Este bloque se ocupa de la generación de escorrentía superficial,
subsuperficial  y  los  hietogramas.  Para  realizar  este  proceso  hace  una  idealización  de  la
subcuenca  en  tres  zonas:  permeable,  impermeable  con  almacenamiento  y  sin
almacenamiento tal y como se muestra en la Ilustración 3.

Ilustración 3. Idealización de las subcuencas. Tomada de (Macor, 2002)

A partir de la idealización de la cuenca, el caudal de escorrentía en cada una de las subcuencas
es calculado con la siguiente ecuación, la cual desprecia la inercia y la presión.

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Ecuación 1. Caudal de escorrentía EPA SWMM

Siendo Q el caudal, W el ancho de la subcuenca, d la profundidad de agua del reservorio y de
la profundidad de las depresiones de almacenamiento y S la pendiente media de la subcuenca
(Macor, 2002).

1.5. Método de infiltración: Número de curva

El número de curva es un método de infiltración creado por el Soil Conservation Service (SCS)
de  Estados  Unidos.  Su  medición  se  encuentra  entre  0  y  100,  siendo  0  una  superficie
permeable  y  100  una  superficie  impermeable,  por  ende,  a  mayor  número  de  curva  mayor
potencial de generación de escorrentía. El cálculo de este número de curva (CN) se encuentra
relacionado  con  el  máximo  potencial  de  retención  después  de  que  inicia  la  escorrentía  (S)
(Ver Ecuación 2), que a su vez está relacionada con la clasificación de los grupos hidrológicos
del  suelo,  los  cuales  se  encuentran  explicados  en  la  Tabla  2.  Por  ende,  se  evidencia  que  el
número  de  curva  depende  del  tipo  de  suelo  hidrológico,  el  uso  del  suelo  y  las  condiciones
previas  de  humedad  (Natural  Resources  Conservation  Service,  2009).  Asimismo,  para  el
cálculo de la escorrentía (Q) el método del número de curva requiere de un evento de lluvia
(P) y el máximo potencial de retención después de que inicia la escorrentía (S). La ecuación
usada  para  su  estimación  es  mostrada  a  continuación  (Ver  Ecuación  3)  y  los  parámetros
deben ser ingresados en pulgadas.

Ecuación 2. Cálculo del número de curva

Ecuación 3. Cálculo escorrentía número de curva

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Tabla 2. Descripción de los grupos hidrológicos del suelo. Tomado de (United States Department of Agriculture, 1986)

Grupo

hidrológico

Potencial de

escorrentía

Transmisión del

agua en el suelo

Composición típica

Conductividad

hidráulica

saturada (in/h)

Bajo

Libre

Menos del 10% es arcilla.

Más del 90% es arena o

grava.

Mayor a 1.42

Moderadamente

bajo

No presenta

obstáculos

Entre el 10% y el 20% es

arcilla.

Entre el 50% y el 90% es

arena con magra.

Entre 0.57 y 1.42

Moderadamente

alto

Algo restringida

Entre el 20% y el 40% es

arcilla.

Menos del 50% es arena,

limo, magra o arcilla.

Entre 0.06 y 0.57

Alto

Restringida o

muy restringida

Mayor al 40% de arcilla.

Menor al 50% de arena

con texturas arcillosas

Menor a 0.06

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2. METODOLOGÍA

Con  el  objetivo  de  evaluar  la  reducción  en  el  riesgo  de  inundación  urbana  al  implementar
sistemas de drenaje urbano sostenible se tomará como caso de estudio el plan maestro de la
fase  II  del  sistema  de  alcantarillado  del  municipio  de  Cajicá.  Se  seleccionó  el  municipio  de
Cajicá debido a la accesibilidad de la información hidrológica y del sistema de alcantarillado y
por el interés en conocer las implicaciones hidrológicas del continuo crecimiento urbano en la
zona, que en su mayoría es rural. Asimismo, se hará uso del software EPA SWMM dado que,
permite  implementar  sistemas  de  control  LID  y  conocer  si  la  capacidad  del  sistema  es
suficiente para que no ocurran inundaciones. Los sistemas de control LID que se evaluarán son
los  techos  verdes  y  azules.  Para cumplir con  los objetivos  del  presente  proyecto  se  siguió  la
metodología  mostrada  en  la  Ilustración  4,  la  cual  es  explicada  con  mayor  detalle  en  los
siguientes apartados.

Ilustración 4. Resumen de la metodología

3.1. Caracterización caso de estudio: Cajicá

Cajicá es un municipio ubicado en Cundinamarca con una extensión de 53 Km

y una elevación

de 2598 m.s.n.m. Hace parte de La Sabana de Bogotá y se encuentra al norte de la ciudad a
una distancia de 39 Km. Limita al norte con Zipaquirá, al oeste con Tabio, al Este con Sopó y al
Sur con Chía (Alcaldía Municipal de Cajicá, s.f.). En cuanto a la hidrografía, Cajicá hace parte de
la cuenca alta del río Bogotá y es atravesado por el río Frío y el río Bogotá. Para efectos de
analizar la inundación urbana en este municipio, se definió como zona de estudio el área
urbana y suburbana de Cajicá correspondiente a 5.55 Km

y perteneciente a la etapa II del plan

maestro de alcantarillado. Adicionalmente, sólo se estudiaron cinco de las seis cuencas del
plan maestro, dado que, la cuenca número uno está conformada en su totalidad por vallados y
se requería observar los niveles en cámaras de inspección y tuberías. En consecuencia, el área

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de estudio está formada por cinco cuencas, una de ellas subdividida en tres cuencas como se
muestra en la Ilustración 5.

Ilustración 5. Ubicación del área de estudio en el municipio de Cajicá

En  esta  etapa  de  caracterización  fue  necesario  determinar  la  información  necesaria  para  el
desarrollo  del  modelo  en  EPA  SWMM.  Esta  información  comprende  la  identificación  de  las
construcciones  (rural  y  urbana),  malla  vial,  parques,  zonas  verdes  y  equipamentos  para
determinar el porcentaje de impermeabilidad, el número de curva y otros datos requeridas de
forma  ponderada.  Por  otro  lado,  también  se  requirió  las  curvas  de  nivel  del  terreno  para
calcular  la  pendiente  del  mismo.  Para  encontrar  los  anteriores  parámetros  se  utilizó  el
software ArcMap con capas brindadas por la Consultoría Plan Maestro de Alcantarillado etapa
II  y  las  obtenidas  en  los  modelos  de  SEWER  GEMS  también  adquiridos  por  medio  de  la
consultoría. Asimismo, fue necesario obtener mapas geológicos para conocer el tipo de suelo
hidrológico para el cálculo del número de curva.

La identificación de las zonas impermeables y permeables se muestran en la Ilustración 6. En
esta, se puede observar que la zona mayormente urbanizada corresponde a las cuencas 4AA,
4B  y  5.  Por  otro  lado,  las  cuencas  2  y  3  se  encuentran  en  una  zona  rural  o  suburbana  y  las
cuencas  4AB  y  6  están  localizadas  se  clasificarían  entre  zonas  rurales  y  urbanas.  Del  mismo
modo,  en  esta  ilustración  se  puede  observar  que  los  parques  y  zonas  verdes  como  espacio

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público,  así  como  los  equipamentos  ocupan  un  reducido  porcentaje  del  total  del  área.  Así
mismo,  por  medio  de  imágenes  satelitales  y  mapas  del  municipio  (Ver  Anexo  1  y  Anexo  2))
brindados por la consultoría se identificó que la actividad residencial es el principal uso en la
zona  de  estudio,  seguido  en  menor  medida  por  las  actividades  dotacional  y  comercial.
Además,  se  observó  que  las  edificaciones  de  la  zona  residencial  son  en  su  mayoría  casas
campestres  de  techos  inclinados,  lo  cual  es  importante  para  la  evaluación  de  los  lugares
potenciales para el emplazamiento de los techos verdes y azules.

Ilustración 6. Distribución urbana y rural en el área de estudio

En  lo  que  concierne  al  relieve  de  Cajicá  se  determinó  que  en  el  área  de  estudio  la  elevación
permanece aproximadamente igual a lo largo del terreno. Por ende, para efectos del cálculo de la
pendiente fue necesario usar curvas de nivel cada 0.5 m para identificar pequeños cambios en la
altura  de  la  superficie  por  medio  del  software  ArcMap.  En  la  imagen  ubicada  a  la  izquierda
Ilustración 7  se muestra cómo cambia la elevación en el municipio de  Cajicá, la cual aumenta  al

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oeste  del municipio por la presencia de montañas. Asimismo, a la derecha de  la  Ilustración 7  se
muestra  la  pendiente  porcentual  de  Cajicá,  en  la  cual  se  destaca  que  en  la  zona  de  estudio  las
pendientes son muy bajas. Por último, el mapa geológico del ¡Error! No se encuentra el origen de l
a  referencia.  expone  que  la  geología  de  la  zona  de  análisis  son  depósitos  de  terraza  alta
conformados por gravas y arenas.

Ilustración 7. De izquierda a derecha: Elevación de Cajicá y Pendiente de Cajicá

3.2. Modelación en EPA SWM

La modelación en EPA SWMM se desarrolla en dos etapas: La definición del evento de lluvia y
la asignación de las características cuantificadas descritas anteriormente de cada una de las
subcuencas que conforman una cuenca. A continuación, se explicará el proceso que llevo a
cabo en cada una de estas etapas.

3.2.1. Evento de lluvia

El evento de lluvia bajo el cual se hizo la evaluación de la variación del riesgo de inundación
con la implementación de los sistemas de drenaje urbano sostenible se basó en las curvas IDF
presentadas en el Anexo 2.2 Estudio Hidrológico del plan maestro de alcantarillado (Empresa
de  Servicios  Públicos  de  Cajicá  S.A  E.S.P  e  INGEQMA,  2018).  Las  curvas  IDF  presentadas  son
para periodos de retorno de 2, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 50 y 100 años para una duración de la lluvia
de  setenta  minutos  en  los  escenarios  con y  sin  cambio  climático.  De  estas  curvas se  decidió
seleccionar el caso más crítico correspondiente un periodo de retorno de 100 años con cambio
climático  (Ver  Ilustración  8)  .  Dado  que  los  formatos  válidos  de  ingreso  de  la  lluvia  en  EPA
SWMM son intensidad (mm/h), volumen (mm) y acumulativo (mm) fue necesario el paso de
las curvas IDF a alguna de estas unidades. El formato seleccionado fue intensidad y se obtuvo

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mediante el método de bloques alternos descrito en el libro “Applied Hydrology” (Chow, V.,
Maidment, D. y Mays, L., 1988).

Ilustración 8. Curvas IDF. Tomado de (Empresa de Servicios Públicos de Cajicá S.A E.S.P e INGEQMA, 2018)

El procedimiento del método de bloque alternos consiste en tomar la intensidad dada por la
curva de intensidad, duración, frecuencia para el periodo de retorno deseado. Después, dicha
intensidad se pasa a una profundidad acumulada haciendo uso de la duración de la lluvia hasta
un minuto en específico. Posteriormente, se obtienen las diferencias entre las profundidades
acumuladas, con el objetivo de conocer el volumen de lluvia que se precipita en cada lapso de
cinco minutos. Luego, se ubica la mayor profundidad en el intervalo correspondiente a la
mitad de la lluvia y en orden descendente se organizan las restantes alternando entre derecha
e izquierda. Finalmente, es necesario convertir las profundidades en unidades de intensidad.
El hietograma de la lluvia de análisis es presentado en la Ilustración 9 y los resultados de cada
uno de los pasos se muestran en la Tabla 3.

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Ilustración 9. Hietograma lluvia de análisis

Tabla 3. Resultados procedimiento bloques alternos

Duración

lluvia (min)

Intensidad
Curvas IDF

(mm/hr)

Profundidad

acumulada

(mm)

Profundidad

incremental

(mm)

Precipitación

(mm)

Intensidad

(mm/h)

293.607

24.467

1.7

19.905

187.110

31.185

6.718

1.9

22.297

143.760

35.940

4.755

2.1

25.585

119.242

39.747

3.807

2.5

30.472

103.142

42.976

3.229

3.2

38.745

91.615

45.808

2.832

4.8

57.060

82.881

48.347

2.539

24.5

293.607

75.990

50.660

2.313

6.7

80.613

70.390

52.792

2.132

3.8

45.687

65.731

54.775

1.983

2.8

33.982

61.782

56.633

1.858

2.3

27.758

58.385

1.751

2.0

23.797

55.425

60.044

1.659

1.8

21.015

52.818

61.621

1.578

1.6

18.933

3.2.2. Modelación de las subcuencas

Este  paso  consiste  en  el  ingreso  de  la  información  hidráulica  y  física  de  cada  una  de  las
subcuencas  en  el  software  EPA  SWMM.  Para  ello,  se  hizo  uso  de  los  modelos  de  la  red  de
drenaje  brindados  por  la  consultoría  del  plan  maestro  de  alcantarillado  etapa  II  en
SewerGEMS. Dado que, este software permite exportar los modelos de las cuencas a la última
versión  de  SWMM.  No  obstante,  al  exportar  el  modelo  sólo  permanece  las  propiedades
hidráulicas de la red de drenaje, es decir, se pierde información sobre las características de las

100

150

200

250

300

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

(

mm/h

)

Tiempo (min)

Hietograma lluvia de análisis

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subcuencas,  tales  como  el  área  y  el  pozo  de  descarga.  Por  otra  parte,  el  formato  de  los
archivos empleados por EPA SWMM (.inp) son compatibles con el formato del bloc de notas
(.txt).  Lo  cual  permitió  hacer  más  breve  la  creación  de  los  documentos  para  correr  los
diferentes escenarios de interés para el análisis.

3.2.2.1.

Modelación hidráulica

Como  se  mencionó  con  anterioridad,  el  modelo  exportado  a  EPA  SWMM  contiene  la
información hidráulica de  las redes de  alcantarillado de  cada una de  las cuencas de  estudio.
Esta información se compone de las propiedades de las cámaras de inspección (pozos), salidas,
tuberías  y  canales.  De  igual  forma,  se  verificó  que  las  características  de  los  componentes
hidráulicos,  tales  como  cotas,  diámetros  y  longitudes  sean  iguales  al  modelo  original  de
SewerGEMS.  En  la  Tabla  4  se  muestra  las  propiedades  de  los  componentes  del  sistema
hidráulico definidos en EPA SWMM.

Tabla 4. Propiedades de los componentes hidráulicos

Componente

Propiedad

Nodos (Pozos o

cámaras de
inspección)



Nombre



Coordenadas (X y Y)



Caudal de entrada externo



Tratamiento



Elevación invertida (m)



Profundidad máxima (m)



Profundidad inicial (m)



Profundidad de sobrecarga (m)



Área ponderada (m

)

Salidas



Nombre



Coordenadas (X y Y)



Caudal de entrada externo



Tratamiento



Elevación invertida (m)



Compuerta de marea



Tipo (libre, normal, fijo, marea vs. Hora del día o series de tiempo)

Tuberías y

canales



Nombre



Nodo de entrada



Nodo de salida



Forma

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

Profundidad máxima (m)



Longitud (m)



Rugosidad



Elevación invertida de la tubería por encima de la elevación del
invertida del nodo de entrada y salida (m)



Caudal inicial (unidades de caudal)



Caudal máximo (unidades de caudal)



Coeficientes pérdida de energía de entrada, salida y promedio



Compuerta (si, no)

3.2.2.2.

Modelación física

La  modelación  física  se  fundamenta  en  los  datos  recolectados  en  la  sección  3.1.
Caracterización  caso  de  estudio:  Cajicá  con  ayuda  de  ArcMap  y  otras  características  de  las
subcuencas  obtenidas  de  SewerGEMS.  En  la  Tabla  5  se  presentan  las  propiedades  que  son
requeridas  por  EPA  SWMM,  las  características  que  fueron  calculadas  e  ingresadas  serán
explicadas en las siguientes secciones y las restantes se dejaron por defecto del programa.

Tabla 5. Propiedades de la subcuenca

Componente

Propiedad

Subcuenca



Nombre



Coordenadas (X y Y)



Pluviómetro o evento de lluvia



Nodo de descarga



Área (Ha)



Ancho (m)



Pendiente (%)



Área impermeable (%)



N Manning área impermeable



N Manning área permeable



Profundidad de almacenamiento área impermeable (m)



Profundidad de almacenamiento área permeable (m)



Área impermeable sin almacenamiento (%)



Ruta de la escorrentía (salida, impermeable y permeable)



Transporte de escorrentía entre subáreas (%)

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3.2.2.2.1.

Evento de lluvia

El evento de lluvia hace alusión a la precipitación que cae sobre la cuenca, la cual fue definida
en el aparte 183.2.1 Evento de lluvia y describe la intensidad de lluvia para un periodo de
retorno de 100 años más cambio climático.

3.2.2.2.2.

Nodo de descarga

El nodo de descarga corresponde al pozo que recibe la escorrentía generada en la subcuenca.
Este dato se obtuvo en la opción de “Flextables - Catchment” de SewerGEMS, en la cual se
encuentra información relacionada con la topología, identificación, geometría, caudales,
evento de lluvia, resultados y escorrentía de todas las subcuencas.

3.2.2.2.3.

Área

El área corresponde a la extensión superficial de cada una de las subcuencas. Esta cifra al igual
que el nodo de descarga se obtuvo de SewerGEMS en la opción “Flextables – Catchment”.

3.2.2.2.4.

Ancho

El  ancho  es  la  ruta  superficial  que  recorre  la  escorrentía.  Se  puede  estimar  partiendo  de  la
longitud máxima de flujo, la cual es el punto más alejado de la subcuenca hasta el lugar en que
se  canaliza  este  caudal.  Siendo  este  punto  un  pozo  dentro  de  la  misma  subcuenca  o  la
descarga  a  la  siguiente  subcuenca.  Una  vez  obtenido  esa  longitud,  se  usa  como  divisor  del
área. Por ende, para calcularlo se usaron las capas de la geometría, los nodos y las tuberías de
las cuencas exportadas de SewerGEMS. En estas fue posible medir la longitud máxima de que
puede  recorrer  la  escorrentía  superficial  midiendo  la  distancia  desde  los  extremos  de  la
subcuenca hasta el nodo de descarga, para luego dividir el área entre esa distancia.

3.2.2.2.5.

Pendiente

La pendiente hace referencia a la inclinación promedio de la superficie de las subcuencas. Para
estimar este valor, se generó un modelo digital de elevación (DEM) con la pendiente medida
en  porcentaje  de  Cajicá  en  el  software  ArcMap.  Los  modelos  de  elevación  son
representaciones  visuales  del  relieve  de  un  terreno,  están  conformados  por  celdas  que
representan  a  un  área  y  contienen  información  de  la  elevación  o  la  pendiente  en  este  caso
(ArcGIS,  s.f.).  Para  realizarlo,  el  primer  paso  a  seguir  es  el  paso  de  las  curvas  de  nivel  a  una
superficie  TIN  por  medio  de  la  herramienta  Create  TIN,  una  superficie  TIN  es  una  red  de
triángulos  que  han  sido  interpolados  por  el  método  Delaunay  con  el  fin  de  representar  la
morfología del terreno (ArcMap 10.3, s.f.). Posteriormente, la superficie TIN es convertida en
una  capa  ráster  que  corresponde  al  modelo  de  elevación  digital(DEM)  por  medio  de  la
herramienta TIN to Raster. Luego, por medio de la opción Slope la matriz de celdas del ráster
pasa  a  contener  información  de  la  pendiente  en  porcentaje  en  lugar  de  la  altura  del  suelo.
Finalmente, en la opción Zonal Statistics as Table se ingresa el modelo de elevación digital y la

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capa con la geometría de la cuenca para así obtener la pendiente promedio en cada una de las
subcuencas.

3.2.2.2.6.

Área impermeable

El  área  impermeable  es  la  extensión  de  superficie  que  ha  sido  urbanizada,  es  decir,  se  ha
reemplazado  la  cobertura  vegetal  con  superficies  impermeables  como  el  pavimento  y  el
concreto. Por ende, para su estimación fue necesario cuantificar el área correspondiente a las
zonas impermeables por subcuenca mediante el ingreso en la función Intersect de ArcMap de
las capas de la geometría de la cuenca y los sectores impermeables previamente identificados
en  la  sección  3.1  Caracterización  caso  de  estudio:  Cajicá:  construcción  urbana,  construcción
rural,  equipamentos,  vías  urbanas  y  vías  rurales  (asumiendo  un  ancho  de  las  vías  de  7  m
acorde con lo evidenciado en imágenes satelitales de la zona). Una vez se obtiene la cifra del
área impermeable se divide entre el área total de cada una de las subcuencas para así calcular
el porcentaje.

3.2.2.2.7.

N Manning área impermeable y permeable

El  n  de  Manning  es  un  coeficiente  de  rugosidad  que  explica  la  resistencia  que  opone  el
material  de  una  superficie  a  la  circulación  del  flujo  (Fernández,  2018).  Para  el  área
impermeable se eligió un valor que no correspondiera a una superficie lisa y tuviera relación
con el área de estudio constituida en su mayoría por construcciones de mampostería, siendo
esta  cifra  0.014  correspondiente  al  ladrillo  con  mortero  de  cemento.  Asimismo,  el  n  de
Manning  seleccionado  para  el  área  permeable  es  el  promedio  de  los  coeficientes
correspondientes  a  pradera  de  césped  corto  (0.15)  y  césped  denso  (0.24),  los  cuales  son
característicos del área de estudio según lo observado en las imágenes satelitales. Los valores
que se usaron como referencia para el n de Manning se encuentran en la Tabla 6.

Tabla 6. N de Manning superficies. Tomado de (McCuen R., Johnson P. y Ragan, R., 2002)

Superficie

0.011  Asfalto liso
0.012  Concreto liso
0.013  Recubrimiento de concreto
0.014  Buena madera
0.014  Ladrillo con mortero de cemento
0.015  Arcilla vitrificada
0.015  Hierro fundido
0.024  Tubos de metal corrugado
0.024  Escombros de cemento
0.050  Terreno barbecho (sin residuos)

Suelos cultivados

0.060 Cubierta de residuos ≤20%
0.170 Cubierta de residuos >20%

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0.130 Rango (natural)

Césped

0.150  Pradera con césped corto
0.240  Césped denso
0.410  Césped bermuda

Bosque

0.400 Maleza ligera
0.800 Maleza densa

3.2.2.2.8.

Profundidad de almacenamiento área impermeable y permeable

Esta variable describe la profundidad de agua que puede ser acumulada en las depresiones de
las  zonas  impermeables  y  permeables  de  las  subcuencas.  En  primer  lugar,  para  la  zona
impermeable se usó el promedio de las profundidades de almacenamiento correspondiente a
impermeable  en  la  Tabla  7.  Del  mismo  modo,  la  profundidad  en  las  zonas  permeables  se
determinó  con  el  promedio  ponderado  entre  la  profundidad  asignada  a  parques  y  zonas
verdes  (2.54mm)  y  la  asignada  a  las  zonas  que  no  han  sido  intervenidas  (3.81,  el  cual  es  el
promedio entre las profundidades asociadas a césped de la Tabla 7).

Tabla 7. Profundidad de almacenamiento en zonas impermeables y permeables. Adaptada de (ASCE, 1992)

Superficie

Profundidad de

almacenamiento (mm)

Impermeable

1.27 - 2.54

Césped

2.54 - 5.08

Pasto

5.08

Reserva forestal

7.62

3.2.2.2.9.

Área impermeable sin almacenamiento

Este parámetro alude al porcentaje de área que no tiene depresiones para el almacenamiento
de  lluvia. Para su determinación se empleó el supuesto de  que  las construcciones  urbanas y
rurales  conformadas  en  su  mayoría  por  residencias  no  pueden  almacenar  agua  por  la
comodidad y seguridad que deben brindar a las personas. Por consiguiente, se asumió que las
vías  y  equipamentos  tienen  depresiones  debido  a  las  deficiencias  en  la  malla  vial  rural  y
variabilidad en la geometría y materiales usados en los equipamentos, tales como, escenarios
deportivos, escuelas, estación del tren, entre otros.

3.2.3. Modelación del método de infiltración

Se seleccionó como método de infiltración el Número de Curva desarrollado por el Servicio de
Conservación  de  Suelos  (SCS)  de  Estados  Unidos  debido  a  que  considera el  tipo  de  suelo, el
uso  de  suelo  y  las  condiciones  previas  de  humedad.  En  EPA  SWMM  se  requiere  ingresar  el
número de curva, la conductividad que es un factor que se desprecia en el cálculo y el tiempo
de secado.

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En primer lugar, para obtener el número de curva se considera el grupo hidrológico del suelo y
el  uso  del  mismo.  En  cuanto  al  grupo  hidrológico  se  definió  que  el  suelo  es  tipo  B  según  lo
descrito  en  el  numeral  1.5Método  de  infiltración:  Número  de  curva,  dado  que,  está
conformado  por  depósitos  de  terraza  alta,  los  cuales  están  compuestos  por  suelos  finos,
arenas  y  gravas.  Una  vez  definido  el  tipo  de  suelo,  se  definió  el  número  de  curva  para  las
superficies impermeables usando como referencia los valores presentados en el Anexo 4 y en
las  zonas  que  no  han  sido  intervenidas el  valor  correspondiente  a  prados  en el  Anexo 5.  En
segundo lugar, el tiempo de secado corresponde a los días en que tarda en secarse un suelo
completamente saturado, típicamente este valor oscila entre 2 y 14 días  (Rosman, 2015). Para
el análisis se decidió usar el valor de secado mínimo de 2 días. Finalmente, el número de curva
por subcuenca se calculó como el promedio ponderado del número de curva de todos los usos
de suelo.

Tabla 8. Números de curva asociados a los usos del suelo característicos del área de estudio

Uso del suelo

Número de curva

Zonas no construidas (prados)

Parques y zonas verdes

Construcción urbana y rural

Malla vial urbana y rural

Equipamentos

3.2.4. Características promedio de las cuencas de estudio

En  esta  sección  de  la  Tabla  9  a  la  Tabla  15  se  mostrarán  algunas  de  las  características
promedio modeladas en las cuencas de estudio, con el fin de mostrar el grado de desarrollo
urbano en cada una de ellas. En cuanto a las redes de drenaje se evidencio que existen tres
cuencas  con  presencia  de  canales  de  sección  trapezoidal,  a  diferencia  del  resto  una  de  ellas
tiene  dos  puntos  de  salida.  Del  mismo  modo,  se  observó  que  la  red  con  mayor  número  de
tuberías se encuentra en la cuenca con mayor extensión, es decir, la cuenca 3. Por otro lado, la
cuenca con menor área es la cuenca 4B, que a su vez es la que posee el mayor porcentaje de
impermeabilización,  elevado  porcentaje  de  superficie  impermeable  sin  almacenamiento  y  el
mayor  número  de  curva  correspondiente  a  este  tipo  de  suelo  a  una  cobertura  residencial o
con una condición regular de  prados. Asimismo, la cuenca 2 es  la que  presenta un reducido
porcentaje  de  impermeabilidad  y  el  menor  número  de  curva  correspondiente  a  amplias
praderas. En cuanto a las demás características se encontró que la pendiente esta entre 5.6% y
6.8%,  el  almacenamiento  permeable  entre  3.71  a  3.81  mm  y  el  área  impermeable  sin
almacenamiento oscila entre 62.3% y 73.5%, lo cual indica que la mayor parte de la superficie
impermeable pertenece a residencias según como se definió esta variable.

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Tabla 9. Características Cuenca 2

Cuenca 2

RED HIDRÁULICA



Pozos: 12



Nodos Canales: 9



Salida: 1



Tuberías: 12



Canales: 9

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS



Área (Ha): 52.53



No. Subcuencas: 16



Pendiente promedio (%): 6.60



Área impermeable promedio (%): 10.91



Área impermeable sin almacenamiento
(%): 62.53



Almacenamiento permeable (mm): 3.81

INFILTRACIÓN:



Número de curva promedio: 60.68

Tabla 10. Características Cuenca 3

Cuenca 3

RED HIDRÁULICA



Pozos: 83



Salida: 1



Tuberías: 83

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS



Área (Ha): 144.90



No. Subcuencas: 57



Pendiente promedio (%): 5.82



Área impermeable promedio (%): 15.68



Área impermeable sin almacenamiento
(%): 68.20



Almacenamiento permeable (mm): 3.80

INFILTRACIÓN:



Número de curva promedio: 61.80

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Tabla 11. Características Cuenca 4AA

Cuenca 4AA

RED HIDRÁULICA



Pozos: 36



Salida: 1



Tuberías: 36

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS



Área (Ha): 48.06



No. Subcuencas: 27



Pendiente promedio (%): 6.79



Área impermeable promedio (%): 35.65



Área impermeable sin almacenamiento (%):
62.35



Almacenamiento permeable (mm): 3.71

INFILTRACIÓN:



Número de curva promedio: 67.13

Tabla 12. Características Cuenca 4AB

Cuenca 4AB

RED HIDRÁULICA



Pozos: 62



Nodos Canales: 4



Salida: 1



Tuberías: 62



Canales: 4

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS



Área (Ha): 121.51



No. Subcuencas: 61



Pendiente promedio (%): 6.73



Área impermeable promedio (%): 31.45



Área impermeable sin almacenamiento (%):
66.45



Almacenamiento permeable (mm): 3.78

INFILTRACIÓN:



Número de curva promedio: 65.80

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Proyecto de grado en Ingeniería civil

Tabla 13. Características Cuenca 4B

Cuenca 4B

RED HIDRÁULICA



Pozos: 21



Salida: 1



Tuberías: 21

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS



Área (Ha): 17.97



No. Subcuencas: 14



Pendiente promedio (%): 6.53



Área impermeable promedio (%): 40.42



Área impermeable sin almacenamiento (%):
73.44



Almacenamiento permeable (mm): 3.71

INFILTRACIÓN:



Número de curva promedio: 68.15

Tabla 14. Características Cuenca 5

Cuenca 5

RED HIDRÁULICA



Pozos: 31



Salida: 1



Tuberías: 31

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS



Área (Ha): 59.88



No. Subcuencas: 28



Pendiente promedio (%): 5.80



Área impermeable promedio (%): 37.93



Área impermeable sin almacenamiento (%):
69.08



Almacenamiento permeable (mm): 3.77

INFILTRACIÓN:



Número de curva promedio: 67.47

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Tabla 15. Características Cuenca 6

Cuenca 6

RED HIDRÁULICA



Pozos: 52



Nodos Canales: 3



Salida: 2



Tuberías: 52



Canales: 3

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS



Área (Ha): 110.33



No. Subcuencas: 51



Pendiente promedio (%): 5.63



Área impermeable promedio (%): 25.23



Área impermeable sin almacenamiento
(%): 66.11



Almacenamiento permeable (mm): 3.81

INFILTRACIÓN:



Número de curva promedio: 64.18

3.3. Análisis planteados

Para  el  cumplimiento  de  los  objetivos  del  presente  proyecto  se  definió  que  era  necesario
realizar tres tipos de análisis. El primero está relacionado con el cambio en el comportamiento
hidrológico  de  las  cuencas  cuando  se  afecta  la  impermeabilidad  de  la  misma.  El  segundo  se
encuentra  ligado  con  la  determinación  de  las  propiedades  de  las  alternativas  SUDS  a
implementar. El último responde a la pregunta de ¿la incorporación de techos verdes y azules
permite reducir el riesgo de inundación urbana?.

3.3.1. Análisis de sensibilidad parámetros impermeabilidad

Con la finalidad de evaluar la influencia del cambio en la impermeabilidad de las cuencas se
definieron estudiar los siguientes parámetros: Número de curva en función del porcentaje de
área impermeable, la profundidad de almacenamiento en el área impermeable y el porcentaje
sin almacenamiento de la zona impermeable.

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3.3.1.1.

Análisis número de curva

Para este análisis se decidió variar el área impermeable en el rango de 50% a 100% con
incrementos de 10% para números de curva en cuatro escenarios. Cada uno de estos
escenarios refleja el cambio del uso de suelo en Cajicá: escenario 1 (pavimentos), escenario 2
(zona comercial y de negocios), escenario 3 (zona industrial) y escenario 4 (zona residencial).
En la Tabla 16 se muestra los números de curva usados en cada escenario por cada porcentaje
de impermeabilidad, para obtener esos números se usó un promedio ponderado entre el área
impermeable con los números de curva correspondientes al 100% y el área permeable con el
número de curva de 61 que hace referencia a zonas con hierba.

Tabla 16. Análisis número de curva

%Área

impermeable

Escenario 1:

Pavimentos

Escenario 2: Zona

comercial y de

negocios

Escenario 3:

Zona industrial

Escenario 4:

Zona

residencial

79.5

76.5

74.5

83.2

79.6

77.2

75.4

86.9

82.7

79.9

77.8

90.6

85.8

82.6

80.2

94.3

88.9

85.3

82.6

100

3.3.1.2.

Profundidad de almacenamiento en el área impermeable

Se decidió variar este parámetro en el rango de valores típicos (0mm a 2.5mm) con
incrementos de 5mm con el fin de conocer si tiene una influencia significativa en el caudal de
salida de cada una de las cuencas.

3.3.1.3.

Porcentaje sin almacenamiento de la zona impermeable

Debido a que el porcentaje sin almacenamiento en la zona impermeable promedio de las
cuencas se encuentra entre 62.3 y 73.5 se determinó que esta variable se debía variar entre
70% y 100% con incremento de 10% para conocer cómo afecta el aumento de este porcentaje.

3.3.2. Análisis de sensibilidad propiedades SUDS

Las alternativas de sistemas urbanos de drenaje sostenible a evaluar son los techos verdes y
los techos azules. Este análisis de sensibilidad se efectúo en el escenario actual, es decir, bajo
los usos de suelo y construcciones existentes hasta el momento. Debido a la alta presencia de
techos con pendientes aproximadas al 30% se definió que los techos azules sólo se podían usar
en la mitad de las construcciones urbanas y los techos verdes en la totalidad de construcciones
rurales y la otra mitad de las construcciones urbanas.

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Luisa Fernanda Bonilla Triana

Proyecto de grado en Ingeniería civil

La  modelación  de  los  techos  verdes  comprende  la  definición  de  las  propiedades  de  los  tres
estratos que  los conforman (Superficie, suelo y drenaje),  para estos se  plantearon tres tipos
(TV 1, TV 2, TV 3) a partir de la variación de los parámetros y las diferentes clases de suelo. El
primer techo verde usa marga arenosa, el segundo usa marga y el último utiliza marga limosa,
los cuales son composiciones de tierra apta para vegetación. Para la definición de los valores
de  los  diferentes  tipos  de  techos  verdes  planteados  se  usó  la  información  brindada  en  el
manual  de  EPA  SWMM  versión  5.1  (Rosman,  2015)  y  en  la  Tabla  17  se  presentan  dichos
valores.

Tabla 17. Propiedades modeladas de los techos verdes

Estrato

Propiedad

TV1

TV 2

TV 3

Superficie

Altura berma (mm)

Vegetación (fracción volumen)

0.1

0.15

0.2

Superficie

0.15

0.41

Pendiente (%)

Suelo

Espesor (mm)

76.2

114.3

152.4

Porosidad (fracción volumen)

0.453

0.463

0.501

Capacidad (fracción volumen)

0.19

0.232

0.284

Punto de marchitez (fracción

volumen)

0.085

0.116

0.135

Conductividad (mm/h)

10.92

3.302

6.604

Conductividad pendiente

Cabeza de succión (mm)

109.98

88.9

169.926

Drenaje

Espesor (mm)

25.4

38.1

50.8

Fracción de vacíos

0.5

0.6

Rugosidad

0.1

0.4

Por otro lado, la modelación de los techos azules consiste en el ingreso de las propiedades de
la superficie mostradas en la Tabla 18. Estas propiedades se definieron en base a lo consultado
en el marco teórico y dado que, EPA SWMM no tiene predefinido el control LID techo azul se
usó “Rooftop Disconnection” bajo el supuesto que el techo no puede almacenar el agua por
periodos prolongados de tiempo y, por el contrario, constantemente esta drenando el agua
por medios mecánicos o no mecánicos.

Tabla 18. Propiedades modeladas techos azules

Superficie

Valor

Profundidad de almacenamiento (mm)

Rugosidad

0.015

Pendiente (%)

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Proyecto de grado en Ingeniería civil

3.3.3. Análisis de riesgo de inundación

El análisis de riesgo de inundación se hará con la sumatoria de los volúmenes de inundación
obtenidos  en  la  opción  “Node  Flooding”  de  EPA  SWMM.  Se  realizará  dos  análisis  de  la
reducción del riesgo de inundación al implementar sistemas de drenaje urbano sostenible. El
primero  corresponde  a  la  evaluación  en  el  escenario  actual  con  las  tres  combinaciones  de
techos verdes y azules. Por otra parte, el segundo quiere determinar si la implementación de
SUDS tiene una influencia significativa en el caso de que Cajicá continúe con un alto proceso
de urbanización. Adicionalmente, este análisis evalúa individualmente los techos verdes y los
techos azules en el 90% del área de las subcuencas en el caso del 90% de área impermeable de
cada  uno  de  los  escenarios  del  número  de  curva.  Se  seleccionó  este  porcentaje  porque  al
observar imágenes satelitales de las ciudades más urbanizadas del mundo como Tokio (Japón)
y  Cantón  (China)  el  área  permeable  era  cercana  al  10%  y  pertenecía  a  fuentes  hídricas  o
parques.   Del mismo modo, se decidió usar el mejor tipo de techo verde (TV 3) evaluado por
la reducción del riesgo de inundación y caudal de salida.

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3. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

El análisis de sensibilidad de los parámetros que dan cuenta del nivel de impermeabilización
de  la  cuenca  y  las  propiedades  de  los  sistemas  urbanos  de  drenaje  sostenible se  realizaron
con  respecto  a  los  resultados  obtenidos  en  las  condiciones  actuales.  Este  análisis  se  realizó
para el caudal pico de salida,los volúmenes de inundación y el coeficiente de escorrentía, el
cual  muestra  el  porcentaje  de  la  lluvia  que  se  convierte  en  escorrentía.  Estos resultados  se
muestran  en  la  Tabla  19.  Del  mismo  modo,  los  porcentajes  calculados  para  determinar  la
sensibilidad se obtuvieron con la Ecuación 4 y se encuentran resaltados en color gris.

Tabla 19. Resultados obtenidos en condiciones actuales

Cuenca

Caudal

pico (LPS)

Coef.

Escorrentía

Volumen de

inundación

(10^6)L

Cuenca 2

742.43

0.201

2.429

Cuenca 3

1665.36

0.247

10.609

Cuenca 4AA

995

0.474

10.437

Cuenca 4AB

1686.63

0.419

17.88

Cuenca 4B

284.11

0.517

3.709

Cuenca 5

580.57

0.486

12.513

Cuenca 6

2746.99

0.390

8.037

Ecuación 4. Cálculo de sensibilidad

3.1. Análisis de sensibilidad parámetros de impermeabilidad

3.1.1. Análisis número de curva

En  el  análisis  de  número  de  curva  se  encontró  que  la  variación  de  los  números  de  curva  entre
escenarios  no  tiene  efectos  significativos  en  el  hidrograma  de  salida  y  caudal  pico,  pues  estas
gráficas  son  muy  similares.  Según  los  hidrogramas  mostrados  en  anexos  para  cada  una  de  las
cuencas,  los  hidrogramas  correspondientes  al  mismo  porcentaje  de  área  impermeable  en  cada
uno  de  los  escenarios  seguía  el  mismo  comportamiento,  es  decir,  al  mismo  tiempo  iniciaba  el
tránsito de la creciente y subía o bajaba el caudal. Asimismo, se determinó que la al número de
curva  depende  del modelo,  pues este  nivel  de  influencia  cambió en  cada  una  de  las  cuencas  en

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tres  rangos  definidos:  Baja:  0%-33%,  Media:34%  -  67%  y  Alta:68%-100%.  A  partir  de  la  anterior
afirmación,  se  evidenció  que  en  algunas  cuencas  el  cambio  en  el  porcentaje  en  el  área
impermeable  y  el  número  de  curva  no  tenía  efecto  en  el  caudal  pico  de  salida  debido  a  la
presurización existente en las tuberías de las cuencas.

En cuanto a la cuenca 2 se estableció que el número de curva tiene una sensibilidad media a alta
en el modelo. Debido a que, tuvo un efecto en el incremento del caudal pico mayor al 50% y en el
coeficiente de escorrentía superior al 70% (VerTabla 20). Asimismo, tuvo una influencia notable en
los tiempos y volúmenes de descarga de la cuenca, pues en la condición actual el caudal
permanecía aproximadamente constante durante media hora al llegar a su caudal pico de 742 LPS,
en los escenarios de impermeabilidad no presenta caudales constantes y en el minuto 45 llega a
un pico superior al doble del obtenido en el caso actual (Ver Anexo 6).

Tabla 20. Análisis número de curva Cuenca 2

*En gris se encuentra resaltada la sensibilidad calculada

En  lo  que  respecta  a  la  cuenca  3,  el  número  de  curva  presenta  una  sensibilidad  baja  en  el
incremento de caudal pico de salida y una sensibilidad media alta en el coeficiente de escorrentía
(Ver Tabla 21). Por otro lado, el hidrograma de salida presenta una forma peculiar al no tener un
único  pico,  por  el  contrario,  aumenta  rápidamente  al  inicio,  luego  permanece  constante  por  la
condición de presurización de la tubería que al exceder la capacidad del sistema permite la salida
del agua y finalmente disminuye el caudal en un tiempo prolongado. De modo que, los efectos del
número de curva se evidencian en los tiempos en que inicia el tránsito de la creciente, dado que,
al haber mayor porcentaje de impermeabilidad el agua fluye más rápido y por ende empieza a salir
antes  del  sistema,  dando  lugar  a  diferencias  de  tiempo  de  15  minutos  entre  el  escenario  más
crítico de impermeabilidad 100% y las condiciones actuales (Ver anexo 7).

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

1614.41

0.67

1605.92

0.65

1600.53

0.64

1597.44

0.63

54.01%

70.18%

53.77%

69.11%

53.61%

68.43%

53.52%

67.95%

1659.29

0.77

1656.18

0.74

1654

0.73

1652.31

0.72

55.26%

73.98%

55.17%

73.07%

55.11%

72.51%

55.07%

72.11%

1669.69

0.86

1669.18

0.83

1668.87

0.82

1668.62

0.81

55.53%

76.60%

55.52%

75.85%

55.51%

75.41%

55.51%

75.10%

1673.81

0.93

1673.40

0.90

1673.25

0.89

1673.17

0.88

55.64%

78.39%

55.63%

77.83%

55.63%

77.51%

55.63%

77.29%

1676.98

0.98

1676.54

0.96

1676.4

0.96

1676.35

0.95

55.73%

79.51%

55.72%

79.19%

55.71%

79.02%

55.71%

78.91%

1678.72

1.01

1678.72

1.01

1678.72

1.01

1678.72

1.01

55.77%

80.05%

55.77%

80.05%

55.77%

80.05%

55.77%

80.05%

Escenario 4: Zona

residencial

Escenario 3: Zona

industrial

Escenario 2: Zona

comercial y de negocios

Escenario 1: Pavimentos

%Área

impermeable

100

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Tabla 21. Análisis número de curva Cuenca 3

*En gris se encuentra resaltada la sensibilidad calculada

El  número  de  curva  en  la cuenca  4AA  presenta  una sensibilidad  baja  en  la  reducción  del  caudal
pico de entre el 3% y 5% y una sensibilidad baja media en el aumento de la escorrentía superficial
de entre el 25% al 53% (Ver Tabla 22). En cuanto a la descarga al aumentar el número de curva y el
porcentaje  de área impermeable se evidencia  un incremento en el caudal que  sale de  la cuenca
durante  los  primeros  cuarenta  minutos  debido  al  aumento  de  la  superficie  impermeable  que
provoca que el agua fluya con mayor rapidez (Ver anexo 8).

Tabla 22. Análisis número de curva Cuenca 4AA

*En gris se encuentra resaltada la sensibilidad calculada

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

1679.38

0.67

1679.38

0.65

1679.38

0.63

1679.41

0.62

0.83%

63.16%

0.83%

61.83%

0.83%

60.99%

0.84%

60.39%

1679.44

0.77

1679.40

0.74

1679.39

0.73

1679.39

0.72

0.84%

67.89%

0.84%

66.76%

0.84%

66.07%

0.84%

65.58%

1679.42

0.86

1679.42

0.83

1679.42

0.82

1679.59

0.81

0.84%

71.16%

0.84%

70.23%

0.84%

69.68%

0.85%

69.30%

1679.42

0.93

1679.43

0.91

1679.42

0.89

1679.43

0.88

0.84%

73.38%

0.84%

72.69%

0.84%

72.29%

0.84%

72.03%

1679.42

0.98

1679.42

0.97

1679.43

0.96

1679.48

0.95

0.84%

74.78%

0.84%

74.38%

0.84%

74.17%

0.84%

74.03%

1679.42

1.01

1679.42

1.01

1679.42

1.01

1679.42

1.01

0.84%

75.44%

0.84%

75.44%

0.84%

75.44%

0.84%

75.44%

100

%Área

impermeable

Escenario 1: Pavimentos

Escenario 2: Zona

comercial y de negocios

Escenario 3: Zona

industrial

Escenario 4: Zona

residencial

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

1031.97

0.68

1030.64

0.66

1029.86

0.65

1029.33

0.64

3.58%

30.62%

3.46%

28.17%

3.38%

26.61%

3.34%

25.48%

1039.31

0.78

1038.00

0.75

1037.23

0.74

1036.71

0.73

4.26%

39.03%

4.14%

36.95%

4.07%

35.66%

4.02%

34.75%

1044.27

0.86

1042.88

0.84

1042.18

0.82

1041.72

0.81

4.72%

44.92%

4.59%

43.21%

4.53%

42.17%

4.48%

41.46%

1050.01

0.93

1048.18

0.91

1047.2

0.89

1046.57

0.89

5.24%

48.97%

5.07%

47.71%

4.98%

46.97%

4.93%

46.47%

1054.18

0.98

1053.02

0.96

1052.37

0.96

1051.89

0.95

5.61%

51.53%

5.51%

50.79%

5.45%

50.39%

5.41%

50.13%

1054.84

1.00

1054.84

1.00

1054.84

1.00

1054.84

1.00

5.67%

52.79%

5.67%

52.79%

5.67%

52.79%

5.67%

52.79%

100

Escenario 1: Pavimentos

Escenario 2: Zona

comercial y de negocios

Escenario 3: Zona

industrial

Escenario 4: Zona

residencial

%Área

impermeable

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Proyecto de grado en Ingeniería civil

La cuenca 4AB al igual que las últimas dos cuencas muestra que el efecto del número de curva es
más  significativo  en  el  incremento  de  escorrentía  superficial  que  en  el  caudal  pico  de  salida.
Debido a que, en el caudal pico presenta una sensibilidad baja de entre 5% y 6% y en el coeficiente
de  escorrentía una sensibilidad media de  entre  33% y 59%  aproximadamente  (Ver  Tabla 23).  En
cuanto  a  la  descarga  se  evidencia  un  comportamiento  diferente  entre  los  escenarios  de
impermeabilidad y el actual. Dado que, en los escenarios de impermeabilidad el caudal pico tiene
una tendencia constante durante aproximadamente una hora, mientras que en la condición actual
este se presenta en el minuto 75. Lo anterior se debe al aumento en la sobrecarga del sistema, por
lo cual este mantiene el mismo caudal durante un tiempo prolongado mientras el exceso se sale
de las cámaras de inspección (Ver anexo 9).

Tabla 23. Análisis número de curva Cuenca 4AB

*En gris se encuentra resaltada la sensibilidad calculada

La cuenca 4B y la cuenca 5  expone  la misma sensibilidad ante el número de  curva. En el  caudal
pico  este  no  tiene  influencia  alguna  y  en el  coeficiente  de  escorrentía  presenta  una  sensibilidad
baja  a  media  (Ver  la  Tabla  13  y  la  Tabla  14).  Las  dos  cuencas  presentan  la  misma  forma  en  el
hidrograma de salida, siendo la diferencia el volumen de agua transitado, el cual es más grande en
la cuenca 5 al tener mayor área bajo la curva. Asimismo, en las dos cuencas se evidencia que las
curvas  de  los  escenarios  impermeables  son  muy  cercanas  al  caso  actual  en  lo  que  respecta  al
tiempo  de  tránsito  de  los  volúmenes  y  al  agua  entregada  a  la  siguiente  cuenca  (Ver  anexo  10 y
anexo 11).

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

1782.54

0.68

1782.54

0.66

1782.54

0.64

1782.55

0.63

5.38%

38.21%

5.38%

36.00%

5.38%

34.61%

5.38%

33.61%

1782.27

0.77

1782.26

0.75

1782.26

0.73

1782.26

0.72

5.37%

45.89%

5.37%

44.02%

5.37%

42.86%

5.37%

42.04%

1797.45

0.86

1798.71

0.83

1797.71

0.82

1797.71

0.81

6.17%

51.25%

6.23%

49.71%

6.18%

48.80%

6.18%

48.16%

1787.82

0.93

1787.28

0.91

1786.68

0.89

1786.79

0.89

5.66%

54.90%

5.63%

53.75%

5.60%

53.09%

5.61%

52.64%

1783.88

0.98

1783.94

0.96

1783.95

0.96

1783.99

0.95

5.45%

57.21%

5.45%

56.56%

5.46%

56.19%

5.46%

55.96%

1782.95

1.01

1782.95

1.01

1782.95

1.01

1782.95

1.01

5.40%

58.33%

5.40%

58.33%

5.40%

58.33%

5.40%

58.33%

100

Escenario 2: Zona

comercial y de negocios

Escenario 3: Zona

industrial

Escenario 4: Zona

residencial

%Área

impermeable

Escenario 1: Pavimentos

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Proyecto de grado en Ingeniería civil

Tabla 24. Análisis de curva Cuenca 4B

*En gris se encuentra resaltada la sensibilidad calculada

Tabla 25. Análisis de curva Cuenca 5

*En gris se encuentra resaltada la sensibilidad calculada

Por último, en la cuenca 6 se pudo establecer que el número de curva tiene una baja afectación en
el incremento del caudal pico y una sensibilidad media en el coeficiente de escorrentía (Ver Tabla
15). Por otra parte, el hidrograma de salida muestra la misma tendencia en el caso actual que en
los escenarios de impermeabilidad, es decir, el minuto en el que se alcanza el caudal pico y el
inicio del tránsito de la creciente. En estos hidrogramas se evidencia como el caudal descargado es
mayor y muy cercano entre los casos de impermeabilidad propuestos (Ver anexo 6).

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

284.11

0.68

284.11

0.66

284.11

0.65

284.11

0.64

0.00%

24.41%

0.00%

21.75%

0.00%

20.05%

0.00%

18.85%

284.11

0.78

284.11

0.75

284.11

0.74

284.11

0.73

0.00%

33.62%

0.00%

31.35%

0.00%

29.95%

0.00%

28.95%

284.11

0.86

284.11

0.84

284.11

0.82

284.11

0.81

0.00%

40.07%

0.00%

38.18%

0.00%

37.07%

0.00%

36.29%

284.11

0.93

284.11

0.91

284.11

0.90

284.11

0.89

0.00%

44.49%

0.00%

43.08%

0.00%

42.28%

0.00%

41.74%

284.11

0.98

284.11

0.97

284.11

0.96

284.11

0.95

0.00%

47.29%

0.00%

46.48%

0.00%

46.04%

0.00%

45.75%

284.11

1.01

284.11

1.01

284.11

1.01

284.11

1.01

0.00%

48.66%

0.00%

48.66%

0.00%

48.66%

0.00%

48.66%

100

Escenario 3: Zona

industrial

Escenario 4: Zona

residencial

%Área

impermeable

Escenario 1: Pavimentos

Escenario 2: Zona

comercial y de negocios

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

580.57

0.68

580.57

0.65

580.57

0.64

580.57

0.63

0.00%

28.35%

0.00%

25.78%

0.00%

24.16%

0.00%

22.98%

580.57

0.78

580.57

0.75

580.57

0.73

580.57

0.72

0.00%

37.34%

0.00%

35.17%

0.00%

33.83%

0.00%

32.88%

580.57

0.86

580.57

0.83

580.57

0.82

580.57

0.81

0.00%

43.53%

0.00%

41.74%

0.00%

40.68%

0.00%

39.94%

580.57

0.93

580.57

0.91

580.57

0.89

580.57

0.89

0.00%

47.79%

0.00%

46.46%

0.00%

45.68%

0.00%

45.17%

580.57

0.98

580.57

0.97

580.57

0.96

580.57

0.95

0.00%

50.48%

0.00%

49.72%

0.00%

49.30%

0.00%

49.02%

580.57

1.01

580.57

1.01

580.57

1.01

580.57

1.01

0.00%

51.68%

0.00%

51.77%

0.00%

51.77%

0.00%

51.77%

100

Escenario 4: Zona

residencial

%Área

impermeable

Escenario 1: Pavimentos

Escenario 2: Zona

comercial y de negocios

Escenario 3: Zona

industrial

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Luisa Fernanda Bonilla Triana

Proyecto de grado en Ingeniería civil

Tabla 26. Análisis de curva Cuenca 6

*En gris se encuentra resaltada la sensibilidad calculada

En resumen, la sensibilidad del número de curva es baja en el incremento del caudal pico y baja
media o media alta en el aumento de la generación de escorrentía. La excepción a la anterior
afirmación es la cuenca 2 que al tener un porcentaje de área impermeable cercano al 11% y al ser
este aumentado desde el 50% hasta el 100% presenta una sensibilidad media en el caudal pico y
media alta en el coeficiente de escorrentía.

3.1.2. Análisis profundidad de almacenamiento área impermeable

A  partir  de  los  resultados  mostrados  en  la  Tabla  27  y  en  la  Tabla  28  se  puede  concluir  que  la
profundidad  de  almacenamiento  en  el  área  impermeable  no  tiene  un  efecto  significativo  en  el
comportamiento  hidrológico  de  la  cuenca.  Dado  que,  en  todos  los  casos  se  obtuvo  una
sensibilidad  baja  cercana  a  cero.  Lo  anterior  también  se  puede  evidenciar  en  los  hidrogramas
ubicados en anexos, los cuales se encuentran muy cercanos entre sí con pequeñas diferencias en
el volumen descargado en el tiempo antes de alcanzar el caudal pico. No obstante, a pesar de no
mostrar notables diferencias es posible observar que esta variable puede producir un aumento o
disminución  del  caudal  pico  y  el  coeficiente  de  escorrentía.  Asimismo,  no  se  encontró  que  este
cambio tuviera una relación consistente  entre las diferentes condiciones de impermeabilidad, es
decir,  se  esperaba  que  en  las  profundidades  de  almacenamiento  menores  a  2mm  el  caudal  y el
coeficiente  aumentarán  en  todos  los  casos,  en  la  profundidad  de  almacenamiento  de  2mm  los
resultados  fueran  cercanos  a  cero  debido  a  que  el  almacenamiento  usado  en  el  caso  actual  es
1.91mm y en la profundidad de 2.5mm se obtuvieran reducciones en las dos variables de estudio.
Por  el  contrario,  en  las  cuencas  3  hubo  una  reducción  del  caudal  en  todas  las  profundidades
evaluadas, en la cuenca 6 hubo una reducción del coeficiente de escorrentía en todos los casos, en

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

3297.01

0.68

3295.58

0.65

3291.48

0.64

3294.04

0.63

16.68%

42.37%

16.65%

40.31%

16.54%

39.01%

16.61%

38.08%

3315.95

0.77

3313.58

0.75

3312.24

0.73

3312.78

0.72

17.16%

49.60%

17.10%

47.85%

17.07%

46.77%

17.08%

46.00%

3330.62

0.86

3324.21

0.83

3323

0.82

3324.14

0.81

17.52%

54.61%

17.36%

53.18%

17.33%

52.32%

17.36%

51.72%

3340.39

0.93

3337.70

0.91

3333.2

0.89

3331.63

0.88

17.76%

58.04%

17.70%

56.97%

17.59%

56.35%

17.55%

55.93%

3342.93

0.98

3341.33

0.96

3339.13

0.96

3339.61

0.95

17.83%

60.21%

17.79%

59.59%

17.73%

59.25%

17.75%

59.03%

3343.76

1.00

3343.76

1.01

3343.76

1.01

3343.76

1.01

17.85%

61.19%

17.85%

61.25%

17.85%

61.25%

17.85%

61.25%

100

%Área

impermeable

Escenario 1: Pavimentos

Escenario 2: Zona

comercial y de negocios

Escenario 3: Zona

industrial

Escenario 4: Zona

residencial

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Proyecto de grado en Ingeniería civil

la cuenca 4AB se generó más escorrentía en todos los casos, en las cuencas 4B y 5B no hubo efecto
alguno en el caudal pico de salida y en el resto de cuencas en cada una de las variables evaluadas
se presentaron disminuciones e incrementos simultáneamente.

Tabla 27. Análisis profundidad almacenamiento área impermeable Cuenca 2, 3, 4AA y 4AB

*En gris se encuentra resaltada la sensibilidad calculada

Tabla 28.Análisis profundidad almacenamiento área impermeable Cuenca 4B, 5 y 6

*En gris se encuentra resaltada la sensibilidad calculada

3.1.3. Análisis porcentaje sin almacenamiento de la zona impermeable

El porcentaje sin almacenamiento de la zona impermeable afecta muy poco a los resultados del
modelo, ya que tiene una sensibilidad baja cercana al 0% (Ver Tabla 29 y Tabla 30). Del mismo
modo, los hidrogramas ubicados en anexos muestran que el cambio en el hidrograma de salida es

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

742.530

0.201

1661.410

0.249

994.950

0.478

1687.300

0.424

0.013%

0.435%

-0.238%

0.515%

-0.005%

0.752%

0.040%

1.252%

742.520

0.201

1661.840

0.248

994.980

0.477

1687.140

0.424

0.012%

0.404%

-0.212%

0.424%

-0.002%

0.582%

0.030%

1.126%

742.490

0.201

1664.870

0.248

994.880

0.476

1686.950

0.423

0.008%

0.249%

-0.029%

0.255%

-0.012%

0.366%

0.019%

0.915%

742.450

0.201

1668.040

0.248

995.020

0.475

1686.740

0.422

0.003%

0.093%

0.161%

0.099%

0.002%

0.133%

0.007%

0.680%

742.430

0.200

1661.340

0.247

994.950

0.474

1686.520

0.421

0.000%

-0.031%

-0.242%

-0.007%

-0.005%

-0.016%

-0.007%

0.545%

742.410

0.200

1660.870

0.247

995.000

0.473

1686.520

0.421

-0.003%

-0.094%

-0.270%

-0.128%

0.000%

-0.196%

-0.007%

0.390%

Almacenamiento

(mm)

2.5

1.5

0.5

Cuenca 2

Cuenca 4AB

Cuenca 4AA

Cuenca 3

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

284.110

0.520

580.570

0.490

2742.330

0.360

0.000%

0.645%

0.000%

0.773%

-0.170%

-8.329%

284.110

0.520

580.570

0.489

2745.650

0.359

0.000%

0.495%

0.000%

0.570%

-0.049%

-8.435%

284.110

0.518

580.570

0.487

2750.310

0.359

0.000%

0.262%

0.000%

0.352%

0.121%

-8.678%

284.110

0.517

580.570

0.486

2749.340

0.358

0.000%

0.083%

0.000%

0.147%

0.085%

-8.928%

284.110

0.517

580.570

0.486

2742.380

0.357

0.000%

-0.055%

0.000%

-0.029%

-0.168%

-9.096%

284.110

0.516

580.570

0.485

2748.340

0.357

0.000%

-0.208%

0.000%

-0.221%

0.049%

-9.288%

2.5

Cuenca 4B

Cuenca 5

Cuenca 6

Almacenamiento

(mm)

0.5

1.5

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Luisa Fernanda Bonilla Triana

Proyecto de grado en Ingeniería civil

mínimo  y  se  presenta  en  el  tiempo  de  inicio  antes  de  llegar  al  caudal  pico.  Al  igual  que  en  el
parámetro  de  la  profundidad  de  almacenamiento  en  el  área  impermeable  los  resultados  no  son
consistentes  con  el  aumento  de  las  condiciones  de  impermeabilidad,  pues  a  mayor
impermeabilidad  mayor  generación  de  escorrentía  y,  por  ende,  caudal  de  salida.  Lo  anterior  se
evidencia  dado  que  esta  variable  en  promedio  se  encuentra  cercana  al  70%,  es  decir,  para  el
porcentaje de almacenamiento del 70% debe haber aumentos o incrementos cercanos a cero y en
el resto de porcentajes un aumento en todos los casos. Por el contrario, se encontró reducciones
en todos los porcentajes de almacenamiento como en la cuenca 6 o aumentos y disminuciones de
una profundidad a otra como en el caudal pico de la cuenca 3.

Tabla 29. Análisis porcentaje sin almacenamiento Cuenca 2, 3, 4AA y 4AB

*En gris se encuentra resaltada la sensibilidad calculada

Tabla 30. Análisis porcentaje sin almacenamiento Cuenca 4B, 5 y 6

*En gris se encuentra resaltada la sensibilidad calculada

4.2. Análisis de sensibilidad propiedades SUDS

El  objetivo  de  este  análisis  es  determinar  el  techo  verde  con  las  mejores  propiedades
basadas  en  el  desempeño  de  la  reducción  de  escorrentía  e  inundaciones  para
implementarlos  en  los  escenarios  propuestos  de  impermeabilidad  de  Cajicá  ante  la

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

742.440

0.201

1661.000

0.247

994.720

0.475

1686.480

0.422

0.001%

0.031%

-0.262%

-0.085%

-0.028%

0.070%

-0.009%

0.611%

742.470

0.201

1664.650

0.248

994.940

0.476

1686.920

0.423

0.005%

0.125%

-0.043%

0.156%

-0.006%

0.304%

0.017%

0.823%

742.500

0.201

1667.030

0.248

994.980

0.477

1687.150

0.424

0.009%

0.311%

0.100%

0.311%

-0.002%

0.521%

0.031%

1.053%

742.530

0.201

1662.090

0.249

994.950

0.478

1687.300

0.424

0.013%

0.435%

-0.197%

0.515%

-0.005%

0.752%

0.040%

1.252%

Cuenca 3

Cuenca 4AA

Cuenca 4AB

Almacenamiento

(%)

Cuenca 2

100

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

284.110

0.517

580.570

0.486

2745.380

0.358

0.000%

-0.041%

0.000%

0.081%

-0.059%

-8.964%

284.110

0.518

580.570

0.487

2741.430

0.358

0.000%

0.166%

0.000%

0.293%

-0.203%

-8.779%

284.110

0.519

580.570

0.488

2746.150

0.359

0.000%

0.413%

0.000%

0.512%

-0.031%

-8.548%

284.110

0.520

580.570

0.490

2742.330

0.360

0.000%

0.645%

0.000%

0.773%

-0.170%

-8.329%

100

Cuenca 4B

Cuenca 5

Cuenca 6

Almacenamiento

(%)

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Luisa Fernanda Bonilla Triana

Proyecto de grado en Ingeniería civil

creciente urbanización. Según lo mostrado en la Tabla 31 el techo denominado TV 3 más los
techos azules, es aquel que cumple con dicho criterio pues en todas las cuencas a excepción
de la cuenca 2 presenta reducciones en el volumen de inundación y disminución en el
coeficiente de escorrentía. Asimismo, esto se puede evidenciar en los hidrogramas de salida
presentados en anexos, pues a excepción de la cuenca 2 en estos se evidencia un menor
volumen descargado correspondiente al área bajo la curva.

En lo que respecta al aumento en el caudal pico de salida, la generación de escorrentía y el
volumen de inundación como en la cuenca 2, esto no concuerda con las ventajas de los
sistemas urbanos de drenaje sostenible. Lo anterior se debe a que en la modelación en el
software EPA SWMM no se definió el porcentaje de área impermeable que iba a ser tratada
con los techos verdes o azules según lo indicado en el manual del programa (Rosman, 2015).
Dado que, estos son sistemas que sólo tratan la lluvia y no la escorrentía como las celdas de
biorretención. Lo que ocasiona que en cuencas poco impermeables como la 2 o la 3 (10,91%
y 15,68%, respectivamente) los techos verdes y azules puedan tratar áreas permeables y,
por ende, hacer decaer la natural respuesta hidrológica de la cuenca.

Tabla 31. Análisis de sensibilidad propiedades SUDS Cuenca 2, 3, 4AA, 4AB, 4B, 5 y 6

*En gris se encuentra resaltada la sensibilidad calculada

4.3. Análisis de riesgo de inundación

El  análisis  de  riesgo  de  inundación  se  compone  del  análisis  de  los  volúmenes  obtenidos  en  las
propiedades de  los SUDS y en los escenarios de impermeabilidad propuestos en el municipio de
Cajicá. En cuanto al primer análisis, según lo mostrado en la Tabla 32 en la cuenca 2 se aumenta el
volumen  de  inundación  por  la  forma  en  que  se  debe  modelar  los  techos  verdes  y  la  baja
impermeabilidad  de  la  cuenca.  La  reducción  en  los  volúmenes  de  inundación  de  las  cuencas  se

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Volumen de

inundación

(10^6)L

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Volumen de

inundación

(10^6)L

Caudal pico

(LPS)

Coef.

Escorrentía

Volumen de

inundación

(10^6)L

793.240

0.237

3.186

835.040

0.237

3.518

788.990

0.219

3.030

6.405%

15.557%

23.760%

11.090%

15.401%

30.955%

5.901%

8.317%

19.835%

1665.710

0.278

4.283

1665.160

0.277

4.657

1660.840

0.255

4.056

0.021%

10.866%

-147.700%

-0.012%

10.584%

-127.808%

-0.272%

2.788%

-161.563%

993.910

0.421

8.287

993.760

0.420

8.915

993.740

0.390

8.012

-0.110%

-12.591%

-25.944%

-0.125%

-12.899%

-17.072%

-0.127%

-21.455%

-30.267%

1705.690

0.403

15.995

1708.350

0.402

17.395

1700.960

0.370

15.345

1.117%

-4.086%

-11.785%

1.271%

-4.311%

-2.788%

0.842%

-13.221%

-16.520%

284.110

0.452

3.131

284.110

0.451

3.371

284.110

0.416

3.030

0.000%

-14.435%

-18.461%

0.000%

-14.598%

-10.027%

0.000%

-24.386%

-22.409%

580.570

0.424

6.229

580.570

0.423

6.588

580.570

0.392

5.982

0.000%

-14.623%

-100.883%

0.000%

-14.860%

-89.936%

0.000%

-23.926%

-109.178%

2950.270

0.379

3.959

3081.790

0.379

4.296

2972.280

0.354

3.798

6.890%

-2.870%

-103.006%

10.864%

-2.972%

-87.081%

7.580%

-10.099%

-111.611%

Cuenca 2

Cuenca 5

Cuenca 6

Cuenca 4B

Cuenca 4AB

Cuenca 4AA

Cuenca 3

TV 3 + TA

TV 2 + TA

TV 1 + TA

Cuenca

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encuentra entre 11% y más del 100% para las cuencas 3, 5 y 6, las cuales corresponden a las
cuencas más urbanizadas del municipio. Pero en el resto de cuencas si existió una reducción en el
volumen de inundación, el cual fue menor para el tipo de techo TV 2 y mayor en el techo TV 3. Las
reducciones más significativas se encuentran en la cuenca 3 y la cuenca 5 al ser mayores a 6000m

Tabla 32. Resultados volumen de inundación sensibilidad propiedades SUDS

*En gris se encuentran resaltados los volúmenes reducidos

Por otro lado, para evaluar la reducción del riesgo de inundación en los escenarios propuestos
(Zona comercial y de negocios, zona industrial y zona residencial) con área impermeable del 90%
primero fue necesario encontrar los volúmenes de inundación en dichos casos. Estos volúmenes
se muestran en la Tabla 33.

Tabla 33. Resultados volumen de inundación escenarios proyectados

TV 1 + TA

TV 2 + TA

TV 3 + TA

3.186

3.518

3.030

-0.757

-1.089

-0.601

4.283

4.657

4.056

6.326

5.952

6.553

8.287

8.915

8.012

2.150

1.522

2.425

15.995

17.395

15.345

1.885

0.485

2.535

3.131

3.371

3.030

0.578

0.338

0.679

6.229

6.588

5.982

1.009

5.925

6.531

3.959

4.296

3.798

1.030

3.741

4.239

Volumen de inundación (10^6)L

Cuenca 2

Cuenca 5

Cuenca 6

Cuenca 4B

Cuenca 4AB

Cuenca 4AA

Cuenca 3

Cuenca

Escenario 2 I=90% Escenario 3 I=90% Escenario 4 I=90%

Cuenca 2

25.348

25.098

24.947

Cuenca 3

75.064

74.369

73.924

Cuenca 4AA

23.87

23.646

23.502

Cuenca 4AB

60.952

60.379

60.008

Cuenca 4B

9.155

9.07

9.016

Cuenca 5

32.082

31.795

31.608

Cuenca 6

52.004

51.498

51.16

Volumen de inundación (10^6)L

Cuenca

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En la Tabla 34 se muestra los volúmenes reducidos para cada sistema de drenaje urbano en cada
escenario.  En  esta  se  puede  observar  que  los volúmenes  de  inundación  reducido  por  los  techos
verdes  representan  alrededor  del  80%  del  volumen  original  de  inundación.  Por  otro  lado,  se
muestra  que  los  techos  azules  presentaron  un  mayor  desempeño  en  la  reducción  del  riesgo  de
inundación, pues lograron reducirlo en todos los casos a volúmenes aproximados de 3000 m

. Esto

se debe a la suposición que se realizó para la modelación de los techos azules a través de la opción
“Rooftop  Disconnection”,  pues  en  esta  se  asume  que  el  agua  no  es  almacenada  en  los  techos
debido  a  que  drena  constantemente  el  agua  a  una  zona  permeable  y,  por  ende,  da  una
aproximación  mayor  a  dos  de  las  rutas  que  recorrería  el  agua  normalmente:  La  infiltración  y  la
percolación.

Tabla 34. Análisis de riesgo de inundación escenarios proyectados

*En gris se encuentran resaltados los volúmenes reducidos

Techos verdes Techos azules Techos verdes Techos azules Techos verdes Techos azules

Volumen de

inundación

(10^6)L

Volumen de

inundación

(10^6)L

Volumen de

inundación

(10^6)L

Volumen de

inundación

(10^6)L

Volumen de

inundación

(10^6)L

Volumen de

inundación

(10^6)L

13.747

1.012

13.727

0.994

13.712

0.983

11.601

24.336

11.371

24.104

11.235

23.964

40.051

3.028

39.998

2.972

39.954

2.934

35.013

72.036

34.371

71.397

33.970

70.990

12.906

0.923

12.883

0.906

12.872

0.896

10.964

22.947

10.763

22.740

10.630

22.606

23.582

1.838

23.526

1.806

23.497

1.786

37.370

59.114

36.853

58.573

36.511

58.222

3.936

0.346

3.926

0.338

3.921

0.331

5.219

8.809

5.144

8.732

5.095

8.685

13.322

1.603

13.299

1.575

13.277

1.559

18.760

30.479

18.496

30.220

18.331

30.049

19.843

2.164

19.798

2.127

19.770

2.103

32.161

49.840

31.700

49.371

31.390

49.057

Cuenca 6

Cuenca 2

Cuenca 3

Cuenca 4AA

Cuenca 4AB

Cuenca 4B

Cuenca 5

Cuenca

Escenario 2 I=90%

Escenario 3 I=90%

Escenario 4 I=90%

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5. CONCLUSIONES

A través del presente proyecto de grado se evidenció que el desarrollo de las ciudades y, por ende,
el  aumento  de  la  impermeabilización  ha  tenido  serias  consecuencias  en  el  ciclo  hidrológico  y  la
capacidad de respuesta de las cuencas. Debido a que, el agua debe tomar nuevas rutas y al ser las
superficies  poco  penetrables  esta  empieza  a  fluir  con  mayor  rapidez  y  a  acumularse  pues  no  se
puede infiltrar o percolar. En orden de disminuir estas afectaciones se han creado e implementado
sistemas de drenaje urbano sostenible, los cuales tienen el objetivo de disminuir la escorrentía y
mitigar el riesgo de inundación, además de poseer otras ventajas como en el caso ambiental con la
reducción del dióxido de carbono.

Al evaluar los sistemas de drenaje urbano sostenible de techos verdes y techos azules se encontró
que  a  medida  que  aumenta  el  porcentaje  de  impermeabilidad  en  las  ciudades  incrementa  la
reducción  de  los  volúmenes  de  inundación  efectuados  por  estos  sistemas.  Debido  a  que,  se
manejó el supuesto de que los techos azules están presentes en el 50% del área impermeable y
como  se  mostró  en  la  sección  de  análisis  de  resultados  los  techos  azules  tienen  un  mejor
desempeño  que  los  techos  verdes  porque  drenan  el  agua  a  una  superficie  permeable.  Esto
permite que el agua siga una ruta similar a la del ciclo natural antes de la intervención en el paisaje
por el hombre.

Por otro lado, en la evaluación de las propiedades de los techos verdes se determinó respecto al
escenario actual que estos presentan reducciones en los volúmenes de inundación desde el 11%
en  la  cuenca  menos  urbanizada  a  más  del  100%.  Asimismo,  se  estableció  que  el  techo  verde
correspondiente a magra limosa (TV3) sumado con los techos azules fue el que produjo mayores
reducciones  en  los  volúmenes  de  inundación.  En  cuanto  a  los  escenarios  de  impermeabilidad
propuestos se encontró que los techos verdes representan una disminución de aproximadamente
el  80%  del  volumen  de  inundación  original.  A  pesar  de  este  excelente  desempeño,  los  techos
azules lograron reducir en mayor medida los volúmenes  de  inundación gracias a que  evacuan el
agua en superficies naturales como los prados. A partir de lo anterior, se concluyó que los sistemas
de drenaje urbano sostenible evaluados juegan un papel importante en la reducción del riesgo de
inundación en las ciudades, en especial, los techos azules que al depositar el agua en superficies
permeables  como  los  prados  ayuda  a  que  esta  siga  sus  rutas  naturales  y  presenta  una  solución
más efectiva pues la intensidad de las lluvias en la zona es muy alta y no es práctico almacenar el
agua.

Adicionalmente,  se  determinó  que  el  número  de  curva  es  el  que  ejerce  mayor  influencia  en  el
comportamiento hidrológico de la cuenca, pues afecta en gran medida los tiempos de transición

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de la creciente y los volúmenes de descarga. En cambio, el porcentaje de almacenamiento en el
área impermeable y la profundidad de almacenamiento en la misma presentaron una sensibilidad
nula o muy baja en todos los casos.

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6. RECOMENDACIONES

Las  inundaciones  urbanas  tienen  un  mayor  impacto  económico  y  social  cuando  son  provocadas
por  crecientes  de  afluentes  como  ríos  o  quebradas  durante  las  temporadas  de  lluvia.  Debido  a
que, estas pueden durar hasta días y no sólo horas como la inundación provocada por lluvia. Por
ende,  un  análisis  de  la  reducción  del  riesgo  de  inundación  urbana con  la  implementación  de  los
sistemas de drenaje urbano sostenible sería más significativa si el alcance de la investigación fuera
más allá del evento de lluvia y evaluará la inundación provocada por las fuentes fluviales. Por otro
lado,  sería  conveniente  realizar  los  análisis  de  las  ciudades  al  futuro  en  base  a  estadísticas  de
crecimiento poblacional, de industrias o comercio para no asignar las mismas propiedades a todas
las subcuencas y así tener un resultado más cercano a la realidad. Del mismo modo, también se
considera  conveniente  hacer  más  análisis  sobre  los  parámetros  que  afectan  la  impermeabilidad
para  tener  un mayor  control sobre estos.  Por otro  lado,  para  tener  un  análisis  más cercano  a  la
realidad se podría hacer uso de otros softwares como de optimización, los cuales permiten elegir
la ubicación y tamaño de los SUDS para así conocer el lugar más factible y con mejores resultados
de reducción de volúmenes de inundación y escorrentía para la implementación de estos sistemas.
Por último, debido a los altos porcentajes obtenidos en la reducción del riesgo de inundación para
los  techos  azules  y  la  suposición  que  se  realizó  para  su  modelación,  se  considera  favorable
modelar  el  control  LID  “Rooftop  Disconnection”  con  diferentes  propiedades  para  estudiar  cómo
afecta  la  reducción  del  riesgo  de  inundación.  Asimismo,  sería  adecuado comparar  los  resultados
obtenidos  con  otro  software  como  SewerGEMS  para  obtener  así  resultados  más  confiables  e
identificar errores en la modelación.

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8. ANEXOS

Anexo 1. Mapa de ocupación de Cajicá.

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Anexo 2. Mapa ocupación del suelo urbano Cajicá.

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Anexo 3. Mapa información geológica de Cajicá. Tomado de

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Anexo 1. Número de curva áreas urbanas. Tomado de

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Anexo 2. Números de curva para tierras de cultivo

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Luisa Fernanda Bonilla Triana

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Anexo 6. Hidrogramas de salida Cuenca 2

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Anexo 7. Hidrogramas de salida Cuenca 3

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Anexo 8. Hidrogramas de salida Cuenca 4AA

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Anexo 9. Hidrogramas de salida Cuenca 4AB

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Anexo 10. Hidrogramas de salida Cuenca 4B

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Anexo 11. Hidrogramas de salida Cuenca 5

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Anexo 12. Hidrogramas de salida Cuenca 6

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Evaluación de los sistemas de drenaje urbano sostenible en la reducción del riesgo de inundación urbana

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