UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTADO DEINGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
BOGOTÁ D.C.
2013
RETENCIÓN DE AGUAS LLUVIAS A NIVEL
PREDIAL PARA REDUCIR PICOS Y VOLÚMENES
DE ESCORRENTÍA
PROYECTO DE GRADO INGENIERÍA CIVIL
Juan Sebastián Lovado Cediel
Asesor: Juan G. Saldarriaga Valderrama
AGRADECIMIENTOS
Expreso mis agradecimientos a:
Mi familia Alberto, Leda y Andrés, por su extraordinario apoyo y
solidaridad, no solo en mi proceso educativo, sino a lo largo de mi
vida. Gracias por tanto.
Mi novia, Ana María, por acompañarme en este momento de mi vida y
por su ayuda incondicional.
Mi asesor, el Ingeniero Juan G. Saldarriaga, por su gran labor como
guía y ejemplo a lo largo de este proyecto de grado. He aprendido
mucho de usted.
Inés Elvira Wills, Frans Alferink y Francisco Mendoza por compartir
conmigo su vasto conocimiento y su interés en este proyecto de
investigación.
Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (ICYA 3102 – 201320)
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA
Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado ii
TABLA DE CONTENIDO
AGRADECIMIENTOS .................................................................................................................................. I
TABLA DE CONTENIDO ............................................................................................................................. II
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................................. IV
ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................................................. VII
1.
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ........................................................................................................... 1
1.1.
I
NTRODUCCIÓN
...................................................................................................................................... 1
1.2.
O
BJETIVOS
............................................................................................................................................. 3
1.2.1. Objetivos generales ....................................................................................................................... 3
1.2.2. Objetivos específicos ...................................................................................................................... 3
2.
CONTEXTUALIZACIÓN Y MARCO TEÓRICO ........................................................................................ 4
2.1.
C
RECIMIENTO DE LA
P
OBLACIÓN VS
.
I
NFRAESTRUCTURA DE
D
RENAJE
.............................................................. 4
2.2.
A
UMENTO DE
V
OLÚMENES DE
L
LUVIA
:
U
RBANIZACIÓN Y
C
AMBIO
C
LIMÁTICO
.................................................. 8
2.2.1. Urbanización .................................................................................................................................. 8
2.2.2. Cambio Climático ......................................................................................................................... 15
2.3.
A
UMENTO DE LAS
I
NUNDACIONES
........................................................................................................... 17
2.3.1. Caso Argentina ............................................................................................................................. 18
2.3.2. Caso México ................................................................................................................................. 19
2.3.3. Caso Colombia ............................................................................................................................. 20
2.4.
F
ILOSOFÍA
T
RADICIONAL DE
D
RENAJE VS
N
UEVAS
V
ISIONES
......................................................................... 25
2.4.1. Filosofía tradicional de drenaje urbano ....................................................................................... 25
2.4.2. Visión alternativa de drenaje urbano .......................................................................................... 27
2.4.3. Prácticas de manejo en la fuente (SMPs) .................................................................................... 30
3.
SISTEMAS DE RETENCIÓN DE AGUA LLUVIA A NIVEL PREDIAL .......................................................... 37
3.1.
D
ESCRIPCIÓN
G
ENERAL
.......................................................................................................................... 37
3.2.
C
OMPONENTES
.................................................................................................................................... 39
3.3.
C
ONSIDERACIONES DE
D
ISEÑO
................................................................................................................ 41
3.3.1. Condiciones del sitio..................................................................................................................... 41
3.3.2. Usos del agua lluvia ..................................................................................................................... 43
3.3.3. Objetivos de diseño y configuraciones ......................................................................................... 43
3.4.
C
RITERIOS DE
D
ISEÑO
............................................................................................................................ 47
3.4.1. Área de captación ........................................................................................................................ 47
3.4.2. Sistema de recolección y transporte ............................................................................................ 49
3.4.3. Sistema de almacenamiento........................................................................................................ 56
3.4.4. Sistema de entrega o distribución ............................................................................................... 59
4.
ALMACENAMIENTO PASIVO (BARRILES DE LLUVIA) ......................................................................... 60
4.1.
D
ESCRIPCIÓN
G
ENERAL
.......................................................................................................................... 60
4.1.1. Características, tipos y componentes .......................................................................................... 60
4.1.2. Ventajas ....................................................................................................................................... 63
4.1.3. Desventajas .................................................................................................................................. 64
4.2.
D
ESEMPEÑO Y
E
FICIENCIA
...................................................................................................................... 65
4.2.1. Desempeño en cuanto a la cantidad ........................................................................................... 65
Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (ICYA 3102 – 201320)
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA
Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado iii
4.2.2. Desempeño en cuanto a la calidad .............................................................................................. 70
5.
ALMACENAMIENTO ACTIVO (TANQUES Y CISTERNAS) ..................................................................... 73
5.1.
D
ESCRIPCIÓN
G
ENERAL
.......................................................................................................................... 73
5.1.1. Características, tipos y componentes .......................................................................................... 73
5.1.2. Ventajas ....................................................................................................................................... 78
5.1.3. Desventajas .................................................................................................................................. 78
5.2.
D
ESEMPEÑO Y
E
FICIENCIA
...................................................................................................................... 79
5.2.1. Desempeño en cuanto a la cantidad ........................................................................................... 79
5.2.2. Desempeño en cuanto a la calidad .............................................................................................. 86
6.
NUEVAS TECNOLOGÍAS RETENCIÓN/INFILTRACIÓN (AQUACELL) ..................................................... 91
6.1.
D
ESCRIPCIÓN
G
ENERAL
.......................................................................................................................... 91
6.1.1. Características, tipos y componentes .......................................................................................... 91
6.1.2. Ventajas ....................................................................................................................................... 98
6.1.3. Desventajas .................................................................................................................................. 99
6.2.
C
ONSIDERACIONES DE
D
ISEÑO
.............................................................................................................. 100
6.3.
D
ESEMPEÑO Y
E
FICIENCIA
.................................................................................................................... 105
7.
OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO .................................................................................................. 107
7.1.
A
LMACENAMIENTO
P
ASIVO
.................................................................................................................. 107
7.2.
A
LMACENAMIENTO
A
CTIVO
.................................................................................................................. 108
7.3.
N
UEVAS
T
ECNOLOGÍAS
R
ETENCIÓN
/I
NFILTRACIÓN
(A
QUACELL
) ................................................................. 110
8.
CASOS Y EXPERIENCIAS REALES DE APLICACIÓN ............................................................................ 111
8.1.
A
LMACENAMIENTO
P
ASIVO
.................................................................................................................. 111
8.2.
A
LMACENAMIENTO
A
CTIVO
.................................................................................................................. 113
8.3.
N
UEVAS
T
ECNOLOGÍAS
R
ETENCIÓN
/I
NFILTRACIÓN
(A
QUACELL
) ................................................................. 116
9.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................................................... 120
9.1.
C
ONCLUSIONES
.................................................................................................................................. 120
9.2.
R
ECOMENDACIONES
............................................................................................................................ 123
10. REFERENCIAS ............................................................................................................................... 124
Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (ICYA 3102 – 201320)
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA
Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado iv
ÍNDICE DE FIGURAS
F
IGURA
2-1.
E
FECTO DE LA URBANIZACIÓN SOBRE EL DESTINO DEL AGUA LLUVIA
(F
UENTE
:
[11]) .......................................... 9
F
IGURA
2-2.
E
FECTO DE LA URBANIZACIÓN EN LA TASA DE ESCORRENTÍA GENERADA
(F
UENTE
:
[11]) ................................... 10
F
IGURA
2-3.
E
SCORRENTÍA MENSUAL MEDIDA PARA EL PERIODO DE ESTUDIO CON RESPECTO A LOS TRES ESCENARIOS DE
URBANIZACIÓN
(F
UENTE
:
[14]) ....................................................................................................................... 11
F
IGURA
2-4.
A
)
R
ELACIÓN ENTRE LA ESCORRENTÍA GENERADA Y EL GRADO DE URBANIZACIÓN DEPENDIENDO DE LA PROBABILIDAD
DE EXCEDENCIA DE LA LLUVIA
(F
UENTE
:
[13]),
B
)
E
FECTO DEL PORCENTAJE DE ÁREA IMPERMEABLE EN LOS COEFICIENTES
DE ESCORRENTÍA
(F
UENTE
:
[14]) ..................................................................................................................... 11
F
IGURA
2-5.
P
ÉRDIDAS POR EVAPORACIÓN MENSUALES PARA CONDICIONES DE PRE
-
DESARROLLO Y LOS TRES ESCENARIOS DE
URBANIZACIÓN
(F
UENTE
:
[12]) ....................................................................................................................... 12
F
IGURA
2-6.
A
NÁLISIS CUALITATIVO DEL BALANCE ENERGÉTICO SUPERFICIAL BAJO
2
ESCENARIOS
:
URBANIZADO Y NO
URBANIZADO
(F
UENTE
:
[9]) ............................................................................................................................ 13
F
IGURA
2-7.
E
XPLICACIÓN DEL AUMENTO DE LA PRECIPITACIÓN GLOBAL A CONSECUENCIA DEL CAMBIO CLIMÁTICO
(A
DAPTADA
DE
[25]) ...................................................................................................................................................... 16
F
IGURA
2-8.
A
)
C
OMPARACIÓN DE LOS VOLÚMENES TOTALES DE LOS SISTEMAS COMBINADOS DE DRENAJE PARA LA CIUDAD DE
H
ELSINGBORG
,
S
UECIA
(2001-2002)
PARA UN ESCENARIO COMBINADO FUTURO
(
CAMBIO CLIMÁTICO
+
URBANIZACIÓN
)
(F
UENTE
:
[27]),
B
)
C
OMPARACIÓN DE LA CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE LAS ESTRUCTURAS DE DRENAJE DE
L
ONDRES CON RESPECTO A LA LLUVIA DE
1980
Y UN ESCENARIO CLIMÁTICO FUTURO
(F
UENTE
:
[26]) ......................... 17
F
IGURA
2-9.
E
VOLUCIÓN DEL NÚMERO DE DESASTRES POR INUNDACIONES REPORTADAS EN EL MUNDO Y SU DISTRIBUCIÓN DESDE
1970
HASTA
2011
(A
DAPTADA DE
[29]) .......................................................................................................... 18
F
IGURA
2-10.
E
VOLUCIÓN DE LOS EVENTOS REPORTADOS DE INUNDACIÓN Y PERSONAS AFECTADAS EN
C
OLOMBIA A PARTIR DE
1970
(F
UENTE
[35];
DESINVENTAR
.
ORG
) ......................................................................................................... 21
F
IGURA
2-11.
E
SQUEMA DEL DRENAJE DE LA CIUDAD DE
B
ARRANQUILLA
2013
(F
UENTE
:
G
OOGLE
M
APS Y PROYECTO
A
RROYOS
DE
B
ARRANQUILLA
(
HTTP
://
WWW
.
ARROYOSDEBARRANQUILLA
.
CO
)) ..................................................................... 23
F
IGURA
2-12.
A
)
S
ISTEMA CONVENCIONAL COMBINADO DE DRENAJE URBANO
(F
UENTE
:
[42]),
B
)
SISTEMA CONVENCIONAL
SEPARADO DE DRENAJE URBANO
(F
UENTE
:
[42]) ................................................................................................ 26
F
IGURA
2-13.
A
)
S
ISTEMA ALTERNATIVO DE DRENAJE URBANO
–
MANEJO EN LA FUENTE
(F
UENTE
:
[42]),
B
)
SISTEMA
ALTERNATIVO DE DRENAJE URBANO
-
MANEJO EN LA FUENTE
,
COMBINADO CON SISTEMA CENTRALIZADO DE
ALMACENAMIENTO
(F
UENTE
:
[45]) .................................................................................................................. 29
F
IGURA
2-14.
E
JEMPLOS DE DISTINTOS TIPOS DE
SMP
S
.
A
)
E
STANQUE DE RETENCIÓN
(
RETENTION POND
),
B
)
CUNETA VERDE
(
VEGETATED SWALE
),
C
)
SUPERFICIE PERMEABLE
(
POROUS
/
PERMEABLE PAVING
)
Y D
)
CUBIERTA VERDE
(
GREEN ROOF
) ... 34
F
IGURA
3-1.
E
SQUEMA TÍPICO DE UN SISTEMA DE ALMACENAMIENTO
/
DETENCIÓN CON CADA UNO DE LOS COMPONENTES
BÁSICOS
(A
DAPTADA DE
[53] .......................................................................................................................... 40
F
IGURA
3-2.
C
ONFIGURACIÓN SISTEMA
1:
C
ONSUMO COMPLETO INTERNO CON CONSUMO EXTERNO OPCIONAL
(F
UENTE
:
[56])
.................................................................................................................................................................. 44
F
IGURA
3-3.
A
)
C
ONFIGURACIÓN SISTEMA
2:
C
ONSUMO PARCIAL EXTERNO CON REDUCCIÓN Y CONTROL COMPLETO DE LA
ESCORRENTÍA
(F
UENTE
:
[56]),
B
)
C
ONFIGURACIÓN SISTEMA
3:
C
ONSUMO COMPLETO INTERNO
,
CONSUMO PARCIAL
EXTERNO CON REDUCCIÓN Y CONTROL PARCIAL DE LA ESCORRENTÍA
(F
UENTE
:
[56]) ................................................. 45
F
IGURA
3-4.
A
)
E
SQUEMA CONFIGURACIÓN TANQUE
1
(F
UENTE
:
[58]),
B
)
E
SQUEMA CONFIGURACIÓN TANQUE
2:
(F
UENTE
:
[58]) ........................................................................................................................................................... 46
F
IGURA
3-5.
E
SQUEMA CONFIGURACIÓN TANQUE
3
(F
UENTE
:
[56]) .............................................................................. 47
F
IGURA
3-6.
E
SQUEMA GENERAL DE UN ÁREA DE CAPTACIÓN TÍPICA
(
TECHO
)
CON SU ÁREA CONTRIBUYENTE RESPECTIVA
.
(A
DAPTADA DE
:
[54]) .................................................................................................................................... 48
F
IGURA
3-7.
A
)
E
JEMPLO TÍPICO DE UN SISTEMA DE RECOLECCIÓN Y TRANSPORTE
,
B
)
ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE
RECOLECCIÓN Y TRANSPORTE CONFORMADO POR CANALETAS Y BAJANTES
. .............................................................. 50
Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (ICYA 3102 – 201320)
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA
Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado v
F
IGURA
3-8.
A
)
E
SQUEMA DE UNA PANTALLA
/
FILTRO UBICADA ANTES DE UN ELEMENTO DE ALMACENAMIENTO
(F
UENTE
:
[54]),
B
)
EJEMPLO TÍPICO DE UNA PANTALLA
/
FILTRO DE HOJAS Y DESECHOS UBICADA EN UNA CANALETA Y C
)
EJEMPLO TÍPICO DE
UNA PANTALLA
/
FILTRO DE DESECHOS Y VECTORES UBICADA EN EL INTERIOR DE UN TANQUE DE RETENCIÓN
. ................. 51
F
IGURA
3-9.
A
)
E
SQUEMA GENERAL DE LA UBICACIÓN Y COMPONENTES DE UN DESVIADOR DE PRIMER LAVADO
(A
DAPTADA DE
:
[62]),
B
)
EJEMPLO TÍPICO DE UN DESVIADOR DE PRIMER LAVADO
(F
UENTE
:
[63]). ................................................... 52
F
IGURA
3-10.
A
)
D
ESVIADOR DE PRIMER LAVADO DE TUBO VERTICAL
(F
UENTE
:
[53]),
B
)
DESVIADOR DE PRIMER LAVADO DE
TUBO VERTICAL CON VÁLVULA DE BOLA
(F
UENTE
:
[53]),
C
)
ESQUEMA DEL FUNCIONAMIENTO DE UN DESVIADOR DE PRIMER
LAVADO DE TUBO VERTICAL CON VÁLVULA DE BOLA
(A
DAPTADA DE
:
[54]). ............................................................. 53
F
IGURA
3-11.
A
)
E
SQUEMA TÍPICO DE UN TANQUE SEDIMENTADOR COLOCADO ANTES DEL ELEMENTO DE ALMACENAMIENTO
(F
UENTE
:
[54]),
B
)
ESQUEMA TÍPICO DE OTRO TIPO DE TANQUE SEDIMENTADOR EMPLEADO
(
ROOF WASHER
)
QUE ADEMÁS
POSEE FILTRO
(F
UENTE
:
[53]).......................................................................................................................... 55
F
IGURA
3-12.
A
)
I
NSTALACIÓN TÍPICA DE UN FILTRO
/
SEDIMENTADOR DE VÓRTICE
(F
UENTE
:
[56]),
B
)
INTERIOR DE UN
FILTRO
/
SEDIMENTADOR DE VÓRTICE
(F
UENTE
:
[56]). .......................................................................................... 55
F
IGURA
3-13.
E
SQUEMA DE VOLÚMENES INCREMENTALES DE DISEÑO ASOCIADOS AL DIMENSIONAMIENTO DE LA ESTRUCTURA DE
ALMACENAMIENTO
(F
UENTE
:
[58]) .................................................................................................................. 57
F
IGURA
3-14.
D
ISTINTAS CONFIGURACIONES DEL MECANISMO DE DESBORDAMIENTO
:
A
)
CONFIGURACIÓN ESTÁNDAR
,
B
)
EXCLUSIÓN DE ENTRADA
,
C
)
SALIDA DE FONDO Y D
)
ACCIÓN TIPO SIFÓN CON LIMPIEZA SUPERFICIAL
(F
UENTE
:
[54]) ...... 59
F
IGURA
4-1.
D
IFERENTES TIPOS Y CONFIGURACIONES DE SISTEMAS PASIVOS DE ALMACENAMIENTO DE AGUA LLUVIA
:
A
)
CONFIGURACIÓN TÍPICA DE UN BARRIL CILÍNDRICO DE AGUA LLUVIA
,
B
)
CONFIGURACIÓN DE UN SISTEMA DE BARRILES DE
AGUA LLUVIA PUESTOS EN SERIE Y C
)
CONFIGURACIÓN TÍPICA DE UN BARRIL NO CILÍNDRICO DE AGUA LLUVIA
. ............... 61
F
IGURA
4-2.
E
SQUEMA TÍPICO DE UN SISTEMA DE ALMACENAMIENTO PASIVO DE AGUA LLUVIA
(
BARRIL
)
CON SUS COMPONENTES
.
(A
DAPTADA DE
:
[70,
71,
72]) ........................................................................................................................ 63
F
IGURA
4-3.
R
ESULTADOS DEL ESTUDIO
[74]
A
)
COMPARACIÓN ESCENARIOS PARA UN EVENTO DE LLUVIA SUAVE B
)
COMPARACIÓN DE ESCENARIOS PARA UN EVENTO DE LLUVIA FUERTE
.
(F
UENTE
:
[74]) ............................................... 66
F
IGURA
4-4.
R
ESULTADOS DE ATENUACIÓN DE VOLÚMENES DE ESCORRENTÍA ESTUDIO
[75]
A
)
PROMEDIO DE VOLÚMENES DE
ESCORRENTÍA BAJO LOS
6
ESCENARIOS PROPUESTOS PARA LA CUENCA URBANA
1,
B
)
PROMEDIO DE VOLÚMENES DE
ESCORRENTÍA BAJO LOS
6
ESCENARIOS PROPUESTOS PARA LA CUENCA URBANA
2
(F
UENTE
:
[75]). .............................. 68
F
IGURA
4-5.
R
ESULTADOS ESTUDIO
[76].
R
EDUCCIONES DEL VOLUMEN MEDIO ANUAL DE AGUA LLUVIA PARA DISTINTAS
CIUDADES DE
E
STADOS
U
NIDOS
(A
DAPTADA DE
:
[76]). ....................................................................................... 69
F
IGURA
4-6.
R
ESULTADOS DE CALIDAD DEL AGUA ESTUDIO
[75]
A
)
PROMEDIO DE CARGAS ANUALES POR HECTÁREA DE
TP
Y
TN
BAJO LOS
6
ESCENARIOS PROPUESTOS PARA LA CUENCA URBANA
1,
B
)
PROMEDIO DE CARGAS ANUALES POR HECTÁREA DE
TP
Y
TN
BAJO LOS
6
ESCENARIOS PROPUESTOS PARA LA CUENCA URBANA
2
(F
UENTE
:
[75]). ..................................... 71
F
IGURA
5-1.
D
IFERENTES TIPOS Y CONFIGURACIONES DE SISTEMAS ACTIVOS DE ALMACENAMIENTO DE AGUA LLUVIA
:
A
)
SERIE DE
TANQUES SUB SUPERFICIALES HECHOS EN FIBRA DE VIDRIO
(F
UENTE
:
[56]),
B
)
DOS TANQUES SUBSUPERFICIALES DE
PLÁSTICO COLOCADOS EN PARALELO
(F
UENTE
:
[56]),
C
)
TANQUE SUPERFICIAL CONSTRUIDO EN ACERO GALVANIZADO DE
MENOR CAPACIDAD
(F
UENTE
:
[53])
Y D
)
TAQUE SUPERFICIAL CONSTRUIDO EN MADERA DE GRAN CAPACIDAD Y DE USO
RURAL
(F
UENTE
:
[53]). .................................................................................................................................. 76
F
IGURA
5-2.
E
SQUEMA TÍPICO DE UN SISTEMA DE ALMACENAMIENTO ACTIVO DE AGUA LLUVIA
(
CISTERNA O TANQUE
)
CON SUS
COMPONENTES BÁSICOS
(A
DAPTADA DE
:
[56]) .................................................................................................. 77
F
IGURA
5-3.
A
)
E
SQUEMA CONCEPTUAL DEL FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA ACTIVO DE ALMACENAMIENTO
(A
DAPTADA DE
:
[78]),
B
)
MODELO CONCEPTUAL DE RETENCIÓN SIMPLE
(A
DAPTADA DE
:
[78]) ........................................................ 80
F
IGURA
5-4.
R
ESULTADOS ESTUDIO
[78].
E
FECTO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO EN LLUVIAS FUERTES
.
(F
UENTE
:
[78]) .. 81
F
IGURA
5-5.
R
ESULTADOS DEL ESTUDIO
[74].
E
FECTO DE LA INSTALACIÓN DE TANQUES MÁS GRANDES SOBRE LA REDUCCIÓN DE
PICOS DE CAUDAL PARA EVENTOS FUERTES DE LLUVIA
.
(F
UENTE
:
[74]) ................................................................... 82
F
IGURA
5-6.
R
ESULTADOS ESTUDIO
[76].
R
EDUCCIONES DEL VOLUMEN MEDIO ANUAL DE AGUA LLUVIA PARA DISTINTAS
CIUDADES DE
E
STADOS
U
NIDOS
(A
DAPTADA DE
:
[76]). ....................................................................................... 84
Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (ICYA 3102 – 201320)
Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA
Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado vi
F
IGURA
5-7.
R
ESULTADOS ESTUDIO
[79].
A
)
E
FICIENCIA DE LOS SISTEMAS ACTIVOS DE ALMACENAMIENTO CON RESPECTO A
DISTINTOS PERIODOS DE RETORNO
(F
UENTE
:
[79])
Y B
)
DURACIÓN DE LOS DESBORDAMIENTOS EN LOS SISTEMAS ACTIVOS
DE ALMACENAMIENTO CON RESPECTO VARIOS PERIODOS DE RETORNO
(F
UENTE
:
[79]) ............................................. 85
F
IGURA
5-8.
R
ESULTADOS ESTUDIO
[80].
A
)
R
ESULTADOS ESCENARIO
2:
SENSIBILIDAD AL TAMAÑO DEL TANQUE
(F
UENTE
:
[80]),
B
)
R
ESULTADOS ESCENARIO
3:
SENSIBILIDAD A VARIACIONES EN EL ÁREA DE CAPTACIÓN
(F
UENTE
:
[80]) ..................... 88
F
IGURA
5-9.
R
ESULTADOS ESTUDIO
[79].
A
)
E
FICIENCIA DE LOS SISTEMAS ACTIVOS DE ALMACENAMIENTO EN CUANTO A LA
CONCENTRACIÓN DE
TSS
PARA DISTINTOS PERIODOS DE RETORNO
(F
UENTE
:
[79]) .................................................. 89
F
IGURA
6-1.
D
IFERENTES TIPOS Y CONFIGURACIONES DE SISTEMAS MODULARES DE ALMACENAMIENTO
/
INFILTRACIÓN DE AGUA
LLUVIA
:
A
)
SISTEMA TÍPICO DE
A
QUACELL
-W
AVIN
(F
UENTE
:
[86]),
B
)
SISTEMA TÍPICO DE
C
HAMBER
M
AXX
-C
ONTECH
... 92
F
IGURA
6-2.
E
SQUEMA TÍPICO DE UN SISTEMA MODULAR DE ALMACENAMIENTO
/
INFILTRACIÓN DE AGUA LLUVIA
(A
QUACELL
-
W
AVIN
)
CON SUS COMPONENTES BÁSICOS
(F
UENTE
:
[44,
86]) ............................................................................ 93
F
IGURA
6-3.
D
OS TIPOS DE SEPARADORES DE SEDIMENTOS
.
A
-1)
SEPARADOR PEQUEÑO DE SEDIMENTOS
(S
ILT
T
RAP
6LB600
W
AVIN
)
(F
UENTE
:
[84]),
A
-2)
FUNCIONAMIENTO DEL SEPARADOR PEQUEÑO DE SEDIMENTOS
(A
DAPTADA DE
:
[44])
Y B
)
SEPARADOR HIDRODINÁMICO COMBINADO DE SEDIMENTOS
(W
AVIN
)
(F
UENTE
:
[44]) .............................................. 95
F
IGURA
6-4.
S
EPARADORES DE HOJAS
/
SEDIMENTOS TIPO
“
GULLY
”.
A
)
G
ULLY CONVENCIONAL PUESTO EN CAMPO
(F
UENTE
:
[88]),
B
)
VISTA EXTERIOR E INTERIOR DEL COLECTOR Y DOS TIPOS DE CUBRIMIENTOS DE UN SEPARADOR DE
HOJAS
/
SEDIMENTOS TIPO
“
GULLY
”
(F
UENTE
:
[88]) ............................................................................................. 96
F
IGURA
6-5.
A
)
U
NIDAD BÁSICA DEL SISTEMA
A
QUACELL
(W
AVIN
)
CON SUS DIMENSIONES
(F
UENTE
:
[85]),
B
)
EJEMPLO DE
INSTALACIÓN DEL SISTEMA MODULAR
A
QUACELL
(W
AVIN
)
(F
UENTE
:
[86]),
C
)
COMPONENTES BÁSICOS DE UN SISTEMA
ENSAMBLADO POR UNIDADES
A
QUACELL
(W
AVIN
)
(F
UENTE
:
[85]) ....................................................................... 97
F
IGURA
6-6.
D
ISTINTOS ELEMENTOS QUE COMPONEN EL SISTEMA DE ENTREGA EN UN SISTEMA MODULAR DE
ALMACENAMIENTO
/
INFILTRACIÓN
.
A
)
C
ÁMARA DE INSPECCIÓN TRADICIONAL CONSTRUIDA EN CONCRETO Y CON UN
MECANISMO DE CONTROL
(F
UENTE
:
[85]),
B
)
CÁMARA DE INSPECCIÓN
N
OVACAM
-1000
(W
AVIN
)
(F
UENTE
:
[89]). .... 98
F
IGURA
6-7.
A
)
SISTEMA TRADICIONAL DE RECOLECCIÓN Y TRANSPORTE VS B
)
SISTEMA DE FLUJO RÁPIDO
(
QUICKSTREAM SYSTEM
)
(F
UENTE
:
[90]) ........................................................................................................................................... 101
F
IGURA
6-8.
E
SQUEMA BÁSICO DE DISEÑO
/
UBICACIÓN DE ESTRUCTURAS DE QUIEBRE Y SEPARACIÓN EN UN SISTEMA MODULAR
DE RETENCIÓN
/
INFILTRACIÓN
(A
DAPTADA DE
:
[91]) ......................................................................................... 102
F
IGURA
6-9.
T
REN DE SELECCIÓN DEL TIPO DE UNIDAD MODULAR A EMPLEAR DEPENDIENDO DE LAS CONSIDERACIONES DE
DISEÑO DEL SITIO
(F
UENTE
:
[84]) .................................................................................................................. 103
F
IGURA
6-10.
E
SQUEMA TÍPICO DE UNA CONFIGURACIÓN DE COLECTOR
“
ON
-
LINE
”
DESARROLLADA POR
W
AVIN
O
VERSEAS
(F
UENTE
:
[85]) ........................................................................................................................................... 104
F
IGURA
8-1.
A
)
S
ISTEMA DE ALMACENAMIENTO ACTIVO DEL
L
ADY
B
IRD
J
OHNSON
W
ILDFLOWER
C
ENTER
–
A
USTIN
,
T
EXAS
(F
UENTE
:
[53]),
B
)
SISTEMA DE ALMACENAMIENTO ACTIVO DEL
C
LAUDE
M
OORE
E
DUCATIONAL
C
OMPLEX
–
R
OANOKE
,
V
IRGINIA
(F
UENTE
:
[95])
Y C
) ....................................................................................................................... 115
F
IGURA
8-2.
A
)
S
ISTEMA MODULAR DE ALMACENAMIENTO
/
RETENCIÓN DE AGUA LLUVIA
-
ESTADIO DE
F
RANKFURT
(F
UENTE
:
[86]),
B
)
SISTEMA MODULAR DE ALMACENAMIENTO
/
RETENCIÓN DE AGUA LLUVIA
-
ESTADIO
O
LÍMPICO DE
B
ERLÍN
(F
UENTE
:
[86]) ........................................................................................................................................... 117
F
IGURA
8-3.
E
SQUEMA GENERAL DE DISEÑO EN PERFIL SOBRE LA IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA MODULAR DE
ALMACENAMIENTO EN UNA BODEGA DE LA COMPAÑÍA
P
AVCO
–
M
EXICHEM DE
C
OLOMBIA
(F
UENTE
:
[91]). ............. 118
F
IGURA
8-4.
A
)
I
NSTALACIÓN DEL SISTEMA
A
QUACELL EN EL EDIFICIO RESIDENCIAL
A
RBOREDA
-
C
HÍA
,
C
UNDINAMARCA Y B
)
PROYECTO CULMINADO
.
(F
UENTE
:
[87]) ......................................................................................................... 119
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Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado vii
ÍNDICE DE TABLAS
T
ABLA
2-1.
A
MÉRICA
L
ATINA
:
POBLACIÓN TOTAL SEGÚN CENSOS
(1950-2010)
(E
N MILES
)
(A
DAPTADA DE
:
[1,
2]) ............... 4
T
ABLA
2-2.
T
ASA MEDIA ANUAL DE CRECIMIENTO DE LA POBLACIÓN TOTAL DE ALGUNOS PAÍSES LATINOAMERICANOS
(1950-
2010)
(
POR
100
HABITANTES
)
(A
DAPTADA DE
:
[1,
2]) ......................................................................................... 4
T
ABLA
2-3.
P
ORCENTAJE DE LA POBLACIÓN URBANA DE ALGUNOS PAÍSES DE
A
MÉRICA
L
ATINA
(1950-2010)
(A
DAPTADA DE
:
[1,
2]) ................................................................................................................................................................ 5
T
ABLA
2-4.
T
ASA ANUAL DE CRECIMIENTO POBLACIONAL URBANO Y TASA MEDIA DE URBANIZACIÓN
(1950-2010)
(A
DAPTADA
DE
:
[1,
2]) ..................................................................................................................................................... 5
T
ABLA
2-5.
E
VOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE ALCANTARILLADO EN
C
OLOMBIA
:
COMPARACIÓN CON EL CRECIMIENTO
POBLACIONAL
(A
DAPTADA DE
:
[5,
6,
7] .............................................................................................................. 6
T
ABLA
2-6.
P
RINCIPALES VENTAJAS
,
DESVENTAJAS
,
SIMILITUDES Y DIFERENCIAS ENTRE LOS SISTEMAS CONVENCIONALES Y LOS
SISTEMAS ALTERNATIVOS DE DRENAJE URBANO
(A
DAPTADA DE
:
[41]) .................................................................... 30
T
ABLA
2-7.
R
ESUMEN DE LAS CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LAS TECNOLOGÍAS
SMP
EN CUANTO A CONTROL DE CAUDAL
PICO
,
REDUCCIÓN DE VOLÚMENES
,
CONTROL DE CONTAMINANTES Y CONSERVACIÓN DE LA ESCORRENTÍA
(A
DAPTADA DE
:
[47,
51]) ..................................................................................................................................................... 35
T
ABLA
3-1.
A
LGUNOS COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA SEGÚN DISTINTOS MATERIALES Y ÁREAS DE CAPTACIÓN
(A
DAPTADA DE
:
[54]) ........................................................................................................................................................... 49
T
ABLA
3-2.
G
UÍA PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE CANALETAS Y BAJANTES DEPENDIENDO DEL ÁREA DE CAPTACIÓN
(A
DAPTADA
DE
:
[62]) ..................................................................................................................................................... 50
T
ABLA
5-1.
V
ENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO ACTIVO SUPERFICIALES VS
.
SUB SUPERFICIALES
(A
DAPTADA DE
:
[54,
62]) .............................................................................................................................. 74
T
ABLA
5-2.
R
ESULTADOS ESTUDIO
[40].
E
VALUACIÓN DE ESCENARIOS PROPUESTOS EN LA REDUCCIÓN DE VOLUMEN DE
ESCORRENTÍA
(A
DAPTADA DE
:
[40]) ................................................................................................................. 83
T
ABLA
7-1.
R
ESUMEN DE LA OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO PARA SISTEMAS ACTIVOS DE ALMACENAMIENTO
(A
DAPTADA DE
:
[57,
93]) ................................................................................................................................................... 109
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Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 1
1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
1.1. Introducción
El aumento de la precipitación global a causa del Cambio Climático y la urbanización, junto con el
déficit de infraestructura de drenaje con respecto al crecimiento poblacional y económico, han hecho
que las ciudades en expansión de los países en desarrollo experimenten mayores y más frecuentes
inundaciones con relación a periodos pasados. Es por esto, que se necesita abordar el problema del
drenaje urbano desde otra perspectiva en la cual se maneje el agua lluvia tan pronto como caiga
mediante las prácticas de manejo en la fuente (SMPs). Este estudio pretende establecer el estado del
arte de las prácticas que comprenden el almacenamiento, retención y/o detención del agua lluvia a
nivel predial para reducir picos y volúmenes de escorrentía, una de los tantos mecanismos de control
en la fuente que existen.
Actualmente, las ciudades de los países emergentes (como por ejemplo en América Latina) están
experimentando una etapa de crecimiento acelerado. Aun así, y debido a diversos factores tanto
culturales como económicos, dicho crecimiento no es siempre homogéneo. Los sistemas de
alcantarillado y drenaje son una muestra clara de lo anterior, pues a pesar del desarrollo urbano, gran
parte de estas ciudades no cuentan con este recurso que le permita drenar adecuadamente las aguas
tanto lluvias como residuales. Por otra parte, los cambios en el uso del suelo (impermeabilización), el
aumento de la temperatura global que conlleva a los fenómenos de la isla de calor y cambio
climático, han demostrado ser factores determinantes para el aumento de la precipitación y
generación de escorrentía. Actualmente, en las ciudades tropicales se está presentando éste fenómeno
el cual trae como consecuencia el colapso de los sistemas de drenaje existentes lo cual genera serios
problemas de inundaciones. Diversos estudios han demostrado que cambios en el uso del suelo
producto de la urbanización, generan mayores volúmenes de escorrentía y reducciones en las tasas
tanto de infiltración como de evapotranspiración.
La necesidad de afrontar la gestión de las aguas pluviales desde una perspectiva diferente a la
convencional, que combine aspectos hidrológicos, medioambientales y sociales, está llevando a un
rápido aumento a nivel mundial del uso de prácticas de manejo en la fuente (SMPs por Source
Management Practices). El empleo de este tipo de prácticas para el control de la lluvia, pretende
reducir la escorrentía y los contaminantes de exceso que ingresan dentro de los sistemas de drenaje
convencionales. Las prácticas de manejo sostenible en la fuente (SMPs) corresponden a los sistemas
alternativos de drenaje urbano. Dentro de estos existen un gran número de tecnologías direccionadas
a
intentar
reestablecer
las
condiciones
hidrológicas
pre
urbanización
mediante
la
detención/almacenamiento temporal y/o infiltración de la escorrentía. Los SMPs se pueden dividir en
dos grandes grupos: 1) los denominados SUDs (Sustainable Urban Drainage Systems) o BMP (Best
Management Practices), y 2) los denominados LIDs (Low Impact Developments).
El almacenamiento, retención o detención del agua lluvia es una de las diversas alternativas para
reducir los volúmenes de escorrentía, mejorar la calidad del agua e incluso emplearla para consumo
humano o reutilización. Corresponde a una práctica sostenible y descentralizada, la cual puede evitar
una gran cantidad de problemas ambientales generados por los excesos de agua lluvia, además de
traer beneficios socioeconómicos a los países en vías de desarrollo.
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Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 2
En primer lugar, mediante una contextualización o marco teórico se pretende abordar la problemática
anteriormente mencionada. Se demuestra que los sistemas de drenaje han crecido a una tasa mucho
menor que la población y la economía de los países emergentes. Igualmente, y mediante una
exhaustiva recopilación bibliográfica, se profundiza en los distintos fenómenos que han demostrado
ser una causa importante para el aumento de inundaciones y volúmenes de escorrentía: urbanización
y cambio climático. Por otra parte se analiza el contexto Latinoamericano con el fin de evaluar el
aumento de las inundaciones haciendo énfasis en el caso colombiano, específicamente el de la ciudad
de Barranquilla. Finalmente, se profundiza en cómo ha sido el cambio de la filosofía de drenaje
urbano tradicional hacia una visión mucho más sostenible y ambientalmente amigable, y se describen
las prácticas de manejo sostenible en la fuente (SMPs).
Habiendo comprendido la necesidad de realizar esta investigación, y habiendo preparado el marco
estipulado para esta, se procede a la profundización. Inicialmente, se van a describir de una forma
muy general los sistemas de almacenamiento/retención de agua lluvia a nivel predial. Se profundiza
en los distintos tipos y componentes que los conforman, al igual que las consideraciones y criterios
básicos para su diseño.
Posteriormente, se divide la investigación de acuerdo con los distintos tipos de sistemas de retención
del agua lluvia a nivel predial: almacenamiento pasivo (barriles de lluvia), activo (tanques y
cisternas) y modular (unidades modulares ensambladas). Para cada uno de los anteriores se describen
sus componentes, tipos y criterios de diseño, se establecen sus ventajas y desventajas frente a los
demás, y se evalúa su desempeño y eficiencia en cuanto a los impactos que se generan tanto en la
cantidad de la escorrentía aliviada como de la calidad de la misma.
Seguidamente, se profundiza en los aspectos concernientes a la instalación, operación y
mantenimiento de cada uno de los sistemas de retención/almacenamiento de la escorrentía a nivel
predial. Se describen las prácticas que se deben tener en cuenta y seguir muy cuidadosamente para
realizar una adecuada operación y mantenimiento con el fin de asegurar la eficiencia esperada del
sistema instalado. Adicionalmente, se describen algunos casos y experiencias reales alrededor del
mundo en cuanto a la implementación de estas tecnologías. Se establecen muchos de los criterios de
diseño empleados, y la forma mediante la cual se logró que los usuarios implementaran en sus
predios estos sistemas (incentivos económicos).
Finalmente, se registran las conclusiones más importantes a las cuales se llegaron en el desarrollo de
este proyecto de investigación, y se mencionan algunas recomendaciones u observaciones que
pretenden mejorar futuras investigaciones y/o implementaciones de los sistemas de
almacenamiento/retención del agua lluvia a nivel predial.
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Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 3
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivos generales
Como objetivos generales se plantean 2:
Realizar una consulta bibliográfica extensa mediante la cual se comprendan las principales
estructuras de almacenamiento temporal a nivel predial para reducir los picos de caudal en
eventos de lluvia.
Consultar y establecer la forma mediante la cual se ha logrado que los usuarios empleen este
tipo de estructuras en sus predios, y profundizar en aspectos concernientes a la operación y
mantenimiento de los mismos.
1.2.2. Objetivos específicos
Con el fin de alcanzar los objetivos generales propuestos en este proyecto de grado, a continuación
se numeran los objetivos específicos planteados:
Establecer el contexto y problemática de la infraestructura de alcantarillado y drenaje urbano
en América Latina (en especial de Colombia).
Analizar el efecto de la urbanización y cambio climático sobre el aumento de la precipitación
global y los posibles impactos.
Contrastar la filosofía de drenaje urbano tradicional frente a las nuevas visiones: manejo
centralizado vs manejo en la fuente.
Entender el funcionamiento de las estructuras de almacenamiento temporal a nivel predial
que permiten reducir los picos de caudal y volúmenes de escorrentía en eventos de lluvia.
Analizar las características generales de estas tecnologías, sus tipos, desempeño/eficiencia,
sus variables de diseño y su operación y mantenimiento, entre otras cosas.
Consultar y analizar distintas experiencias reales y casos de aplicación en cuanto a la
implementación de estructuras de almacenamiento a nivel predial.
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Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 4
2. CONTEXTUALIZACIÓN Y MARCO TEÓRICO
2.1. Crecimiento de la Población vs. Infraestructura de Drenaje
Actualmente, las ciudades de América Latina están experimentando una etapa de crecimiento
acelerado. Aun así, y debido a diversos factores tanto culturales como económicos, dicho
crecimiento no es siempre homogéneo. Los sistemas de alcantarillado y drenaje son una muestra
clara de lo anterior, pues a pesar del desarrollo urbano, gran parte de estas ciudades no cuentan con
este recurso que le permita drenar adecuadamente las aguas tanto lluvias como residuales. En
primera instancia se va a analizar dicho crecimiento demográfico y se va a comparar con aquel que
experimenta la urbanización y la infraestructura de drenaje.
A continuación en la Tabla 2-1 y Tabla 2-2 se puede apreciar la evolución de la población de algunos
de los países más representativos de América Latina y sus tasas de crecimiento entre periodos
intercensales respectivamente.
Tabla 2-1. América Latina: población total según censos (1950-2010) (En miles) (Adaptada de: [1, 2])
País/Country
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2005
2010
Argentina
15 894
20 014
23 364
27 950
32 616
36 260
38 747
40 738
Brasil
51 494
72 768
93 138
119 001
147 386
169 799
186 110
195 498
Chile
5 933
7 374
8 885
11 330
13 348
15 116
16 294
17 133
Colombia
11 933
17 444
22 948
27 838
33 110
41 468
43 046
46 299
México
25 779
34 923
48 225
66 847
81 250
97 483
105 001
110 675
Venezuela
5 035
7 524
10 722
14 517
18 105
23 054
26 724
29 499
Tabla 2-2. Tasa media anual de crecimiento de la población total de algunos países latinoamericanos (1950-2010) (por 100
habitantes) (Adaptada de: [1, 2])
País/Country
1950-1960
1960-1970
1970-1980
1980-1990
1990-2000
2000-2005
2005-2010
Argentina
1.7
1.5
1.8
1.5
1.0
1.2
1.0
Brasil
3.4
2.5
2.5
1.9
1.6
1.7
1.0
Chile
2.5
2.0
2.0
1.6
1.2
1.4
1.0
Colombia
2.9
2.9
1.6
1.4
1.9
0.7
1.5
México
3.0
3.2
3.3
2.0
1.8
1.5
1.1
Venezuela
3.9
3.3
3.0
2.5
2.4
2.2
1.7
Nótese que prácticamente todo los países presentaron un crecimiento demográfico bastante acelerado
para los periodos comprendidos entre 1950 y 1980 con tasas de crecimiento promedio de 2.6% anual.
A partir de allí, la tendencia ha sido una disminución de las tasas de crecimiento poblacional hasta el
periodo 2010 con un valor promedio de 1.5% anual. Aun así, estudios globales han demostrado que
la tasa de crecimiento poblacional de Latinoamérica y el caribe fue de 2.64% anual (1950-1975) y de
1.73% anual (1975-2009). Por el contrario, la tasa de crecimiento poblacional promedio global fue
de 1.89% anual (1950-1975) y de 1.53% anual (1975-2009) [3]. Lo anterior indica que el crecimiento
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Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 5
poblacional de América Latina siempre ha estado bastante por encima del promedio mundial lo cual
debe ser un aspecto importante a tener en cuenta.
Si bien el crecimiento poblacional de América Latina ha sido bastante acelerado a partir de la
segunda mitad del siglo XX, es importante analizar el grado de urbanización que ha presentado esta
región del mundo. En la Tabla 2-3 se puede apreciar el porcentaje de urbanización, es decir el
porcentaje de la población urbana con respecto a la población total. En la Tabla 2-4 se encuentran las
tasas medias anuales de crecimiento poblacional urbano y la tasa de urbanización (diferencia entre la
tasa de crecimiento de la población urbana con respecto a la total) para el periodo comprendido entre
1950 y 2005. La tasa de urbanización indica la cantidad relativa de población que se agrega al área
urbana producto del crecimiento.
Tabla 2-3. Porcentaje de la población urbana de algunos países de América Latina (1950-2010) (Adaptada de: [1, 2])
País/Country
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2005
2010
Argentina
62.5
73.8
79.0
83.0
87.2
90.5
91.8
93.1
Brasil
36.5
43.0
55.9
67.6
75.3
81.2
83.4
85.0
Chile
60.7
68.2
75.1
82.2
83.5
86.6
86.6
87.5
Colombia
42.7
52.1
59.1
67.2
71.0
76.0
76.6
78.5
México
42.6
50.7
58.7
66.3
71.3
74.7
76.5
78.0
Venezuela
47.9
62.5
73.1
80.0
84.4
90.5
92.8
93.6
Tabla 2-4. Tasa anual de crecimiento poblacional urbano y tasa media de urbanización (1950-2010) (Adaptada de: [1, 2])
País/Country
Tasa Anual Crecimiento Poblacional Urbano
Tasa Media
Crecimiento
(1950-2005)
Tasa
Urbanización
(1950-2005)
1950-1960
1960-1970
1970-1980
1980-1990
1990-2000
2000-2005
Argentina
3.0
2.2
2.3
1.9
1.4
1.5
2.2
0.7
Brazil
5.0
5.1
4.3
2.9
2.4
1.8
4.0
1.6
Chile
3.9
3.0
2.8
1.8
1.6
1.5
2.6
0.7
Colombia
4.4
4.3
2.7
1.9
2.4
2.2
3.3
1.0
México
4.8
4.7
4.5
2.7
2.3
1.7
3.8
1.1
Venezuela
6.5
4.8
3.9
3.1
3.0
2.1
4.3
1.3
En el primer cuarto del siglo XX, la urbanización de América Latina se ubicaba entre los niveles de
las regiones más y menos desarrolladas del mundo con un 25%. Durante el medio siglo siguiente
(1925-1975) el nivel de urbanización de América Latina se aceleró de manera tan notable (casi del
doble) que se aproximó mucho al de las regiones más desarrolladas con un valor cercano al 51% [4].
En el año 2000 América Latina mostró un nivel de urbanización del 75.3%, cercano al del conjunto
de las regiones más desarrolladas. Hacia el año 2010 este valor aumentó hasta el 79.5% y se espera
que para el 2020 se estabilice en un valor muy cercano al 82% [2], mientras que Asia y África apenas
habrán superado el 50 por ciento, un nivel que América Latina había alcanzado a fines de la década
de los años 1950.
Como quedó en evidencia, el periodo comprendido entre 1950 y 2000 comprendió el mayor
crecimiento demográfico y urbano de América Latina y por consiguiente de Colombia. La tasa media
de crecimiento urbano anual colombiana para este periodo fue de 3.3%, y la tasa de urbanización fue
del 1.0%, valores que se encuentra bastante por encima de los indicadores globales para este periodo.
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Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 6
A partir del siglo XXI, las tasas de crecimiento tanto poblacional como urbano disminuyeron
significativamente lo cual implica que éste periodo no es tan importante para el análisis.
Ahora es importante analizar cómo fue la evolución de la infraestructura de acueducto, alcantarillado
y drenaje especialmente en el contexto colombiano para el periodo en cuestión, y de esta manera
relacionar su crecimiento con el fenómeno demográfico que estaba experimentando la región.
La provisión de los servicios de acueducto, alcantarillado y drenaje en el período comprendido entre
los años 1910 y 1950 se caracterizó por ser principalmente estatal y central. Hacia los años 20 el
Estado empezó a intervenir en la prestación de estos servicios. En el año de 1936, mediante la Ley
65, se destina un 1% de los recursos fiscales al sector con el objetivo de expandir la provisión de
agua potable [5]. Para ello se crea el Fondo de Fomento Municipal (FFM), entidad encargada de
distribuir los recursos en base a las poblaciones departamentales. La incapacidad de los municipios
para responsabilizarse del manejo de los sistemas de acueducto, dio lugar a la primera crisis y al
cambio de modelo, orientándose hacia uno en el que se fortalecía la participación nacional,
extendiéndose al campo de la administración de dichos sistemas [6]. De esta manera se suprime en
1950 el FFM y se reemplaza por una entidad que no solo financia sino que también ejecuta obras: El
Instituto de Fomento Municipal (INSFOPAL). De acuerdo con algunos estimativos, durante la
década de los 50’s la inversión necesaria para atender las necesidades del sector ascendía a 31
millones de pesos de 1951. Las inversiones del INSFOPAL en este periodo fueron de 5.4 millones de
pesos, equivalentes a un 16% de lo requerido [5].
En la década de los 70’s y 80’s la inversión en acueductos y alcantarillados fue de aproximadamente
el 16% de la inversión pública total, lo que fue equivalente al 0.5% del PIB total de la nación en ese
entonces. La reforma política, que estableció la elección popular de gobernadores en 1986, la
acentuación del proceso de descentralización fiscal a partir de ese año y la Constitución Política de
1991, que extiende la elección popular a los alcaldes y permite la participación privada y comunitaria
en la prestación de los servicios públicos, abrieron las puertas a modelos más flexibles de gestión de
las empresas de acueducto y alcantarillado [6]. Con este nuevo sistema, en la década de los 90’s la
inversión pública para el sector representó cerca del 0.6% del PIB nacional.
A continuación se presenta una tabla (Tabla 2-5) donde se puede observar la evolución de la
cobertura e inversión en los sistemas de acueducto y alcantarillado en Colombia desde la segunda
mitad del siglo XX hasta la actualidad, y su comparación frente al crecimiento demográfico.
Tabla 2-5. Evolución de los sistemas de alcantarillado en Colombia: comparación con el crecimiento poblacional (Adaptada de:
[5, 6, 7]
Periodo
Tasa Incremento PIB
Nacional Anual (%)
Tasa Crecimiento
Poblacional Anual (%)
Inversión Sector
(% PIB)
Cobertura Alcantarillado
y drenaje Total (%
Población)
1970-1975
5.68
1.85
0.18
42.3
1975-1980
5.36
1.35
0.29
n.d
1980-1985
2.25
1.33
0.32
59.4
1985-1990
4.59
1.57
0.39
n.d.
1990-1995
4.56
1.85
0.55
63.4
1995-2000
0.96
1.95
0.67*
75.3
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Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 7
2000-2005
3.37
1.75
0.76*
77.2
2005-2010
4.57
1.46
0.70*
82.8
(*) Participación del PIB sectorial sobre el PIB nacional.
Es importante aclarar que la columna 4 de la tabla anterior se refiere a la inversión en el sector de
acueducto y alcantarillado. Es decir se tienen en cuenta ambas infraestructuras. Debido a que este
documento se centra en los sistemas de alcantarillado y drenaje, la inversión real para este tipo de
infraestructura puede estar del orden de la mitad o de un tercio de lo que efectivamente muestra la
tabla.
La Gráfica 2-1 muestra una comparación entre el crecimiento poblacional y el desarrollo de la
infraestructura de agua potable y saneamiento básico en Colombia. Para analizar la relación entre
ambos crecimientos, se identificaron tres etapas representativas.
En el periodo comprendido entre 1950 y 1975 Colombia y en general América Latina experimentó el
mayor crecimiento poblacional tanto urbano como total (promedio de 2.6% anual). Nótese que para
este mismo periodo, la inversión en sistemas de acueducto y alcantarillado tan solo era del 0.18% del
PIB nacional (valor máximo en 1975) y que muy probablemente era constante o menor para los años
inmediatamente anteriores. Para este periodo es claro que existió un déficit en la infraestructura de
alcantarillado con respecto a la población, pues ésta última estaba creciendo aceleradamente mientras
la inversión pública en el sector no lo hacía. Para este periodo, tan solo se contaba con una cobertura
del 42.3% de alcantarillado.
Gráfica 2-1. Comparación evolución de la población vs infraestructura del sector de agua potable y saneamiento básico en
Colombia (1970-2010)
Como se puede apreciar en la gráfica, la inversión sectorial para el periodo comprendido entre 1975
y 1995 creció considerablemente, pues pasó del 0.18% en 1975 al 0.55% en 1995. Asimismo, su tasa
de crecimiento siempre se mantuvo por encima de la tasa de crecimiento poblacional lo cual indica
-2.0
-1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
Por
ce
n
taje
(%
)
Periodo
Tasa Crecimiento Poblacional
Tasa Crecimiento Inversión
Tasa Crecimiento Cobertura
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Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 8
que económicamente el sector estaba creciendo adecuadamente con respecto a la población. En
cuanto a la cobertura, sucedió algo bastante similar para el periodo entre 1975 y 1985 pues su
crecimiento fue acelerado y mayor que la tasa de crecimiento poblacional. Es decir que para este
periodo, el sector experimentó un crecimiento técnico y económico de acuerdo a cómo lo hacía la
población. Aun así, entre 1985 y 1995 la cobertura dejó de crecer al ritmo que lo venía haciendo a
pesar de que la inversión en el sector estaba creciendo adecuadamente con la población. Lo anterior
se puede deber a malos manejos del capital público, y en consecuencia se generó un déficit en el
crecimiento de la infraestructura con respecto al crecimiento demográfico. La cobertura de
alcantarillado para este último año fue cercana al 63% de la población total.
A partir del siglo XX, se puede apreciar un déficit bastante considerable en cuanto al crecimiento
sectorial (tanto económico como técnico) con respecto al crecimiento de la población. Inclusive, la
inversión en acueductos y alcantarillados en Colombia llegó a decrecer para este periodo. Es claro
que la tasa de crecimiento demográfica se encuentra por encima de las tasas de crecimiento de la
inversión y de la cobertura. Lo anterior indica que a pesar de que la cobertura pasó del 75.3 al 82.8%
y la participación del sector sobre el PIB nacional pasó del 67 al 70%, un porcentaje importante de la
población se quedó sin este servicio.
Actualmente, la cobertura urbana de acueducto y alcantarillado alcanza el 97% y 92%
respectivamente, cifras muy cercanas a las metas del 99% y 97% previstas para el año 2015. Por su
parte, las coberturas rurales son del 72% y 69% respectivamente, aun lejanas de las metas del 81% y
75% [8]. Sin embargo, grandes ciudades y municipios de Colombia aun presentan grandes problemas
de cobertura de saneamiento básico al igual que de drenaje urbano cuando se presentan eventos de
precipitación considerables.
2.2. Aumento de Volúmenes de Lluvia: Urbanización y Cambio Climático
El aumento de la temperatura global y el proceso de urbanización que se desarrolla en el mundo han
demostrado ser factores determinantes para el aumento de la precipitación y generación de
escorrentía. Actualmente, en las ciudades tropicales se está presentando éste fenómeno el cual trae
como consecuencia el colapso de los sistemas de drenaje existentes lo cual genera serios problemas
de inundaciones y salud pública (en caso de tratarse de alcantarillados combinados). A continuación
se va a profundizar sobre estos dos fenómenos y su impacto en el drenaje urbano.
2.2.1. Urbanización
El mundo en desarrollo está atravesando quizá la mayor transición demográfica de su historia,
pasando de una sociedad rural y agraria a una urbana e industrial. Para el 2005, el 1.2% de la
superficie terrestre era considerada urbana y se espera un crecimiento acelerado tanto de la superficie
urbana como de la densidad [9]. Por otra parte, se espera que para el 2025 el 70% de la población
global va a habitar en cascos urbanos valor que corresponde a la mitad de lo que se tiene en la
actualidad [10]. Prácticamente, todo este incremento va a ocurrir en las sociedades en vía de
desarrollo y más de la mitad del crecimiento solo va a ocurrir en dos países: India y China.
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y volúmenes de escorrentía
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2.2.1.1. Cambio en usos del suelo
El drenaje urbano o el drenaje de las ciudades reemplazan una parte del ciclo del agua natural, y por
tal razón debe ser analizado en detalle. Cuando el agua lluvia cae en una superficie natural, cierta
cantidad retorna a la atmósfera mediante la evaporación o transpiración de las plantas, alguna se
infiltra a través del suelo y se convierte en agua subterránea y alguna se transforma en escorrentía. La
proporción de la escorrentía generada depende del tipo de superficie y varía con el tiempo
dependiendo del evento de lluvia (incrementa a medida que el suelo se satura). Tanto la escorrentía
superficial como la subsuperficial drenan hacia el cuerpo de agua más cercano, aunque la superficial
lo hace de una manera más rápida. Dicha escorrentía se va a convertir en una contribución al flujo
base general del cuerpo de agua más que en volverse parte del incremento del flujo debido a
cualquier evento de lluvia particular [11].
Los cambios en el uso de la tierra asociados con la urbanización generan un profundo impacto en el
ciclo hidrológico de las cuencas urbanas debido a la introducción de superficies impermeables,
remoción de vegetación y alteraciones en la red de drenaje [12]. Las superficies impermeables
incrementan la cantidad de escorrentía superficial generada en relación con la infiltración, y como
consecuencia, aumenta el volumen total de agua que llega al cuerpo receptor durante un evento de
lluvia. La escorrentía superficial viaja a través de las superficies impermeables y el sistema de
alcantarillado a una tasa mucho mayor a la cual lo hace bajo condiciones naturales de pre-
urbanización. Lo anterior implica que el flujo de agua va a llegar mucho antes y que por lo tanto el
pico de caudal será mayor para un evento de lluvia. Por otra parte, la reducción de la infiltración
implica bajas recargas a las aguas subterráneas [11].
En la Figura 2-1 se puede apreciar el destino del agua lluvia para las condiciones de pre-urbanización
y post-urbanización. Nótese que cómo se dijo antes, para las condiciones de post-urbanización, la
evapotranspiración y la infiltración se reducen y en contraposición la escorrentía superficial se
incrementa sustancialmente producto de las superficies impermeables y remoción de vegetación
principalmente.
Figura 2-1. Efecto de la urbanización sobre el destino del agua lluvia (Fuente: [11])
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y volúmenes de escorrentía
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Por otro lado, en la Figura 2-2 se pueden observar las diferencias entre las tasas de generación de
escorrentía para las condiciones pre y post urbanización. Como se mencionó anteriormente, a
medida que se incrementa la urbanización y las áreas impermeables, el pico de escorrentía se genera
más rápidamente (en un tiempo muy corto) y con caudales muchísimo mayores.
Figura 2-2. Efecto de la urbanización en la tasa de escorrentía generada (Fuente: [11])
Diversos estudios han demostrado que cambios en el uso del suelo producto de la urbanización,
generan mayores volúmenes de escorrentía y reducciones en las tasas tanto de infiltración como de
evapotranspiración. Por ejemplo, [13] caracterizaron tres pequeñas subcuencas que representaban un
rango de desarrollo urbano (sin desarrollo, desarrollo medio y desarrollo alto) cercanas al río Croton
en Nueva York, Estados Unidos. Ellos pudieron demostrar que durante eventos de lluvia los picos de
escorrentía se incrementaban y los tiempos de transporte se reducían notablemente a medida que la
urbanización fuera mayor (mayor efecto para condiciones húmedas que secas). Por otra parte,
también relacionaron la tasa de generación de escorrentía con la intensidad de la lluvia, llegando a la
conclusión que a medida que ésta última fuera mayor, también lo hacía el pico de la escorrentía para
un mismo periodo de tiempo (acentuándose para lugares con pendientes mayores). Igualmente,
llegaron a la conclusión de que en las lluvias menos fuertes (con mayor probabilidad de excedencia)
el efecto de la urbanización se hace mucho más pronunciado en cuanto a la generación de escorrentía
que las lluvias más fuertes (con menor probabilidad de excedencia). Diversos estudios [12, 14, 15]
también han llegado a la misma conclusión y han logrado obtener la relación entre el grado de
urbanización, generalmente medido como el porcentaje de área impermeable, y el coeficiente de
escorrentía. Asimismo y mediante modelos basados en hidrología y modelos que integran el agua
superficial y subterránea (process-based models) también se han podido determinar que los tiempos
de concentración de la escorrentía disminuyen a medida que el grado de impermeabilización es
mayor.
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y volúmenes de escorrentía
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A continuación (Figura 2-3 y Figura 2-4) se pueden apreciar algunos de los resultados y las
conclusiones más importantes a los cuales llegaron los estudios mencionados anteriormente.
Figura 2-3. Escorrentía mensual medida para el periodo de estudio con respecto a los tres escenarios de urbanización (Fuente:
[14])
Figura 2-4. a) Relación entre la escorrentía generada y el grado de urbanización dependiendo de la probabilidad de excedencia
de la lluvia (Fuente: [13]), b) Efecto del porcentaje de área impermeable en los coeficientes de escorrentía (Fuente: [14])
Si se tiene en cuenta el balance total de una cuenca, cambios en los usos del suelo no solo generan
aumentos en los volúmenes de escorrentía, sino que también causan disminuciones importantes tanto
en la evaporación como en la infiltración. Es más, la alta generación de escorrentía urbana es
producto precisamente de estas disminuciones causadas a su vez por la introducción de superficies
impermeables. Entre muchos estudios, dentro de los cuales se destacan algunos [12, 16, 17, 18], se
ha podido demostrar que la implementación de superficies impermeables ha generado efectos
significativos en las pérdidas evaporativas y recarga de las aguas subterráneas. Por ejemplo, [12] han
demostrado que se han reducido las pérdidas evaporativas anuales promedio desde el 83% de la
infiltración en condiciones de pre-urbanización, a 3.5%, 14% y 29% para condiciones de
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urbanización alta, media y baja respectivamente para una cuenca del rio Southern en el occidente de
Australia.
A continuación (Figura 2-5) se pueden apreciar algunos de los resultados y las conclusiones más
importantes a los cuales llegaron los estudios mencionados anteriormente.
Figura 2-5. Pérdidas por evaporación mensuales para condiciones de pre-desarrollo y los tres escenarios de urbanización
(Fuente: [12])
2.2.1.2. Islas de calor
El calentamiento global que actualmente se está generando probablemente por las actividades
antropogénicas debido a la urbanización y desarrollo, se ha convertido en un tema público e
internacional que despierta gran interés. Una de las modificaciones más evidentes que introduce la
urbanización en la temperatura de la atmósfera de las ciudades es el fenómeno conocido como isla
urbana de calor (UHI). Este fenómeno hace referencia a que, principalmente durante noches y
madrugadas sin viento y escasa nubosidad, las ciudades suelen ser más cálidas que el medio rural
que las rodea [19]. Las islas de calor han tenido alguna influencia en estimativos de la temperatura
media global y se han calculado de ser no más del 0.1°C durante las primeras 8 décadas del siglo
XX. Este estimativo ha resultado ser del orden del 7% del calentamiento total observado [20].
Las grandes áreas urbanas alteran los procesos atmosféricos en diversas maneras. Uno de los
principales mecanismos es precisamente mediante la creación de las islas de calor (UHI). Como se
mencionó anteriormente, como producto de la urbanización, las superficies naturales son
reemplazadas por superficies artificiales que tienen diferentes propiedades térmicas (capacidad
calorífica e inercia térmica). Dichas superficies tienen una capacidad mucho mayor de almacenar la
energía solar y convertirla en energía sensible. A medida que la energía sensible es transferida al
aire, la temperatura del aire en las áreas urbanas tiende a ser 2°C-6°C mayor que el área rural
circundante [9].
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y volúmenes de escorrentía
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Para comprender mejor los orígenes del fenómeno de las UHI es necesario analizar la ecuación de
balance energético para una superficie [9]:
Ecuación 2-1.
En la Ecuación 2-1, los términos Q
SW
(radiación de onda corta neta), Q
LW
(radiación de onda larga
neta), Q
SH
(flux superficial de calor sensible), Q
LE
(flux de calor latente turbulento), Q
A
(calor
antropogénico) y Q
G
(calor de conducción del suelo), sintetizan la ecuación de balance energético.
Como consecuencia de esta ecuación, es necesaria una temperatura superficial que equilibre la
relación. En el caso de las islas de calor, la diferencia entre las propiedades de las superficies genera
una diferencia entre los flujos energéticos de la Ecuación 2-1. En la Figura 2-6 se puede apreciar una
descripción cualitativa del balance energético superficial para condiciones urbanas y no urbanas.
Nótese que ambos escenarios adquieren la energía a través de la radiación solar y la pierden en la
atmósfera superior. En la Figura 2-6, se puede observar la capacidad de las superficies urbanas para
absorber mayores cantidades de energía con respecto al escenario rural.
Figura 2-6. Análisis cualitativo del balance energético superficial bajo 2 escenarios: urbanizado y no urbanizado (Fuente: [9])
Aun así, el fenómeno de las islas de calor puede ser atribuido muchos otros diversos factores. Según
Sheperd, las diferencias del albedo superficial y el calor antropogénico también juegan un papel
importante. Según Camilloni, 2010 y otros estudios [20, 21], enumeraron unos factores adicionales a
los cuales se les puede atribuir este fenómeno:
Alteraciones en los balances energéticos generando anomalías térmicas positivas.
Incremento en la absorción de la radiación de onda corta debido a la geometría de las
ciudades.
Absorción y reemisión hacia el suelo de la radiación terrestre a causa de la contaminación
atmosférica.
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Calor antropogénico y actividades humanas (combustión).
Incremento en el almacenamiento del calor sensible
Decrecimiento de la evapotranspiración debido a la deforestación y materiales de
construcción.
Decrecimiento del transporte turbulento total de calor debido a las reducciones en las
velocidades del viento causado por la geometría de las ciudades.
La intensidad de las UHI se evalúa como la diferencia observada en un instante determinado entre la
temperatura medida en el centro de la Ciudad (Tu) y la del área rural próxima (Tr). Esta intensidad
varía con la hora del día y con la estación del año, y depende también de otros factores
meteorológicos, como el viento y la nubosidad, y de factores urbanos, como la densidad de las
construcciones o el tamaño de la ciudad [19]. Según Camilloni, 2010 y Sheperd, 2005, la máxima
intensidad se produce entre 4 y 6 horas después de la puesta del Sol, mientras que durante el
mediodía y las primeras horas de la tarde la diferencia suele ser mínima e, incluso, la temperatura
puede ser inferior a la rural.
En los últimos 30 años, diversos estudios climatológicos han hipotetizado que las islas de calor
(UHI) pueden tener una influencia significativa en las circulaciones atmosférica (mesósfera)
generando una mayor convección y aumento de la precipitación. En los artículos de Shepherd, 2005;
Shepherd, et al., 2002 y Lin, et al., 2011 se encuentran registrados los estudios más relevantes de los
últimos 40 años acerca del impacto que juegan las UHI en las variaciones de precipitación. En
general, la mayoría de estudios ha llegado a resultados similares demostrando que las precipitaciones
se han venido incrementando en los grandes centros urbanos como consecuencia del efecto de las
islas del calor. Actualmente se cree que el impacto que se genera sobre la precipitación o convección
producto del desarrollo urbano, se debe a una combinación de los siguientes factores [9]:
Incrementos en la convergencia atmosférica debido al aumento de la rugosidad superficial en
ambientes urbanos.
Inestabilidad atmosférica causada por la perturbación térmica de las UHI en la capa límite lo
que resulta en la baja circulación de las UHI generando nubes convectivas.
Aumento en la generación de aerosoles urbanos lo que provoca nucleos de condensación y
mayor cantidad de nubes.
Por ejemplo, en un estudio realizado en 2002 [21], se analizó el comportamiento de la precipitación
de varias ciudades importantes de Estados Unidos (Atlanta, Montgomery, Nashville, San Antonio y
Dallas) durante un periodo de 2 años. Los resultados arrojaron que la precipitación media se
incrementó un 28% a lo largo de un radio de 30-60 km de las ciudades, con un incremento del 5.6%
dentro de las metrópolis. Concluyeron, que lo anterior se debía principalmente al calentamiento de
las ciudades producto de las UHI lo que generaba una inestabilidad y convectividad atmosférica en
las áreas cercanas a la ciudad hacia donde soplaba el viento. Otros estudios en 2003 [22, 23],
lograron demostrar evidencias pasadas acerca del incremento de la precipitación en el área
metropolitana de la ciudad de Tokyo y lograron atribuirle este fenómeno a incrementos en la
convectividad atmosférica debido a los efectos de las islas de calor.
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y volúmenes de escorrentía
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2.2.2. Cambio Climático
El Cambio Climático es una variación persistente del clima durante un período largo de tiempo
(algunas décadas) que se produce debido a causas naturales y humanas. Entre los factores naturales
que producen cambios en el clima se destacan las variaciones en la cantidad de energía solar que
llega a la Tierra, las modificaciones en la composición química de la atmósfera por efecto del
vulcanismo y las alteraciones en la distribución de las superficies continentales que se producen por
lentos procesos geológicos [19].
Por otro lado, los cambios debidos a factores humanos se deben a alteraciones de la superficie
terrestre, tales como el reemplazo de la cobertura natural por ciudades, construcción de embalses y
deforestación. También debido a cambios en la composición química de la atmósfera producidos por
la inyección de gases que potencian el efecto invernadero natural, principalmente dióxido de carbono
(CO
2
), metano (CH
4
) y óxido nitroso (N
2
O) [19, 24].
La evidencia del calentamiento global ha demostrado que la temperatura superficial media de la
Tierra ha aumentado 0.6º C desde el inicio del siglo XX y ha aumentado 0.4 º C desde 1970. El año
1998 resultó ser el más caliente registrado y 11 de los 12 años comprendidos entre 1995 y 2006 se
encuentran dentro de los 12 años más calientes de la historia. [11]. El IPCC (Intergovernmental
Panel of Climate Change) ha concluido en el 2007, que el calentamiento global registrado en los
últimos 50 años se debía principalmente a la emisión de gases de efecto invernadero de origen
antropogénico.
Entre muchas de las consecuencias que la Tierra experimenta a causa del Cambio Climático, los
procesos hidrológicos, específicamente la precipitación, han venido presentando alteraciones
importantes con respecto a registros históricos del siglo XX. En la Figura 2-7 se puede apreciar un
esquema explicativo que resume el incremento de la precipitación global a causa del cambio
climático. Se cree que el aumento en la concentración de gases de efecto invernadero ha aumentado
el forzante radiativo, es decir que ha incrementado el cambio en el equilibrio entre la radiación
entrante en la atmósfera y la radiación saliente (calentamiento global) [25]. Este aumento de la
temperatura terrestre ha provocado un aumento en las tasas de evaporación aumentando la capacidad
de la atmósfera para contener vapor de agua. Esto hace que de una u otra forma se intensifique el
ciclo hidrológico lo cual ha generado una potenciación del efecto invernadero, un aumento
considerable de la precipitación y nubosidad y ha generado impactos regionales tales como
inundaciones y sequías.
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Figura 2-7. Explicación del aumento de la precipitación global a consecuencia del cambio climático (Adaptada de [25])
El Cambio Climático se ha convertido en un reto para el drenaje urbano, pues se ha demostrado que
este fenómeno juega un papel importante en la variabilidad de la precipitación. Según escenarios de
cambio climático desarrollados por la IPCC, el incremento de la temperatura llevará a incrementos
en las precipitaciones medias anuales de alrededor del 10% al finalizar este siglo con incrementos de
hasta el 35% en épocas de invierno y bajo el escenario de mayores emisiones [11]. Vale la pena
destacar dos estudios [26, 27], en los cuales se ha podido establecer las implicaciones que generarían
distintos escenarios de cambio climático en el drenaje urbano de las ciudades, específicamente en sus
estructuras. Butler, et al., 2007 modelaron el efecto que tendría un escenario medio de cambio
climático de la IPCC con respecto al desempeño de un tanque de almacenamiento en un sistema de
alcantarillado para un caso de estudio en la ciudad de Londres. Allí, encontraron que el modelo
predijo un 35% de incremento en el número de eventos de lluvia que causaban el rebosamiento del
tanque, y un 57% de incremento en el volumen promedio requerido para el almacenamiento. Por otra
parte, Semadeni-Davies, et al., 2008, encontraron que sin tener en cuenta los efectos de la
urbanización creciente, los sitemas de drenaje actual de la ciudad de Helsingborg, presentarían un
aumento en sus problemas de capacidad al implementar un modelo de cambio climático. También
concluyeron que bajo un escenario combinado (Cambio Climático + urbanización) el modelo
arrojaba el peor escenario posible en cuanto a la capacidad de los sistemas combinados de drenaje de
la ciudad, pues los volúmenes de agua se pordrían incrementar en un 450%. En la Figura 2-8, se
pueden apreciar algunos de los resultados obtenidos por los estudios anteriormente mencionados.
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Figura 2-8. a) Comparación de los volúmenes totales de los sistemas combinados de drenaje para la ciudad de Helsingborg,
Suecia (2001-2002) para un escenario combinado futuro (cambio climático + urbanización) (Fuente: [27]), b) Comparación de
la capacidad de almacenamiento de las estructuras de drenaje de Londres con respecto a la lluvia de 1980 y un escenario
climático futuro (Fuente: [26])
En general, los estudios realizados con respecto al impacto que generaría el cambio climático en el
drenaje urbano tienen que ver con aumentos en las precipitaciones (aumento escorrentía) y en la
intensidad de las mismas. Butler & Davies, 2011 plantearon 6 potenciales implicaciones que lo
anterior puede generar en la infraestructura de drenaje existente:
Incremento en volúmenes y tasas de flujo que pueden exceder la capacidad de alcantarillados
existentes causando sobrecargas más seguido.
Mayor deterioro de alcantarillados debido a la mayor frecuencia de las sobrecargas.
Mayor frecuencia de rebosamiento en estructuras de almacenamiento que hacen parte de
alcantarillados combinados.
Mayor movilización de contaminantes superficiales.
Peor calidad del agua en cuerpos receptores debido a la mayor frecuencia de rebosamiento de
las estructuras de almacenamiento.
Mayores volúmenes de agua residual diluida que llega a las plantas de tratamiento y que
empeoraría el proceso biológico de las mismas.
2.3. Aumento de las Inundaciones
El aumento de la precipitación global a causa del Cambio Climático y la urbanización, junto con el
déficit de infraestructura de drenaje con respecto al crecimiento poblacional y económico, han hecho
que las ciudades en expansión de los países en desarrollos experimenten mayores y más frecuentes
inundaciones con relación a periodos pasados. Desde mediados de los años 90, ciudades como
México DF, San Pablo, Bogotá, Lima, Río de Janeiro y Buenos Aires, todas con varios millones de
habitantes, vienen llevando a cabo proyectos multimillonarios en materia de infraestructura básica
para hacer frente a un legado de degradación ambiental y de insuficiencia de obras y medidas para
mejorar y ampliar el suministro de agua y redes de alcantarillado existente, como también para el
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y volúmenes de escorrentía
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tratamiento de las inundaciones. Aun así, el enfoque con el cual tradicionalmente se abordan los
problemas del drenaje pluvial urbano y la gestión de inundaciones en la región muestra aún gran
retraso [28].
En la actualidad, las inundaciones se pueden catalogar como el desastre natural más frecuente. El
número de inundaciones como desastre reportadas en el mundo ha crecido considerablemente, en
especial en los últimos 20 años. En la Figura 2-9 se puede apreciar precisamente este aumento a lo
largo del tiempo, y con respecto a distintas zonas del mundo. De la misma forma como el número de
desastres por inundaciones ha aumentado, también lo ha hecho el número de personas afectadas y las
pérdidas económicas. Tan solo para el año 2010, 178 millones de personas fueron afectadas y las
pérdidas económicas totales para los años excepcionales de 1998 y 2010 superaron los 40 mil
millones de dólares [29].
Figura 2-9. Evolución del número de desastres por inundaciones reportadas en el mundo y su distribución desde 1970 hasta
2011 (Adaptada de [29])
Como se puede observar en la figura anterior, Latinoamérica (especialmente México, Brasil,
Colombia y Argentina) se encuentran dentro de las zonas con mayores eventos de inundaciones
reportadas desde 1970. Lo anterior no es sorprendente si se tiene en cuenta que se trata de países en
vías de desarrollo, que han tenido un proceso de urbanización y densificación importante, y que
cuentan con sistemas insuficientes de alcantarillado. A continuación se van a exponer las principales
inundaciones y la situación actual de algunos países latinoamericanos.
2.3.1. Caso Argentina
De acuerdo con el Banco Mundial (2000), Argentina, dentro del contexto mundial, se encuentra entre
los 14 países más afectados por catástrofes de inundaciones rurales y/o urbanas, alcanzando pérdidas
superiores al 1,1 % del PIB nacional [30]. Se estima que a partir de 1957 han ocurrido 12 episodios
severos (uno cada cuatro años), que han ocasionado muertes, pérdidas económicas y de
infraestructura considerables, disminución de la producción agropecuaria y afectación de bienes
privados y de la actividad económica.
Las inundaciones urbanas en Argentina se pueden clasificar de acuerdo con su localización
geográfica. En primera instancia vale la pena destacar aquellas inundaciones que se han venido
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presentando en las ciudades localizadas sobre las márgenes del río Paraná (Posadas, Resistencia,
Corrientes, Paraná, Santa Fe y Rosario). En esta región, las precipitaciones anuales promedio son del
orden de 1300 mm presentando una mayor intensidad en el semestre comprendido entre Octubre y
Marzo. La catástrofe de la ciudad de Santa Fe ocurrida en Abril-Mayo de 2003 y las constantes
precipitaciones en la ciudad de Resistencia en la cual lluvias de 25 mm producen, en media hora,
inundaciones prácticamente todas las calles, son dos de los eventos más destacados en cuanto a
inundaciones de esta región argentina. Desde 1990, en todas las ciudades del río Paraná se han
venido realizando estudios y obras que buscan minimizar los impactos de este tipo de inundaciones.
Aun así, siguen existiendo problemas, fundamentalmente los ligados al crecimiento urbano, a la
falta de planificación urbana, a la interacción de infraestructura con cursos fluviales y al empleo de
obras de conducción como la única solución al drenaje pluvial [30].
Igualmente, se han presentado y aun se siguen presentando inundaciones en Buenos Aires y el
conurbano Bonaerense. En las últimas décadas la ciudad de Buenos Aires se ha venido inundando
frecuentemente generando serios inconvenientes y daños materiales importantes. Básicamente, se
citan tres causas básicas asociadas con esta problemática: las crecientes naturales de los cursos de
agua que atraviesan la ciudad y los problemas estructurales de la red de desagües, cuya capacidad ha
sido superada por la ocupación no planificada de los valles de inundación, los fuertes vientos del
sector sudeste (“sudestadas”) que producen un crecimiento del río de la Plata por encima de su media
normal, anegando las zonas costeras, y el ascenso del nivel freático que ocasiona inundaciones de
construcciones subsuperficiales, entre otros [31].
En cuanto al área central del país, la mayoría de los centros urbanos sufre la problemática de las
inundaciones derivadas de causas similares a las expuestas anteriormente. En esta región se han
registrado importantes inundaciones urbanas derivadas de los aportes hídricos provenientes de áreas
rurales aledañas. Por otro lado, durante la última década las tormentas estivales de tipo convectivo
han desencadenado verdaderas catástrofes en áreas urbanas, causando importantes pérdidas humanas
y económicas [30].
2.3.2. Caso México
La ciudad de México D.F. es una de las áreas urbanas de mayor extensión y densidad poblacional
(19.5 millones de habitantes). Durante las últimas décadas, en su área metropolitana se han
aumentado considerablemente las inundaciones. La precipitación anual aumentó de 600 a más de 900
milímetros en la segunda mitad del siglo XX, al igual que el número de inundaciones que pasó de
entre uno y dos eventos anuales a entre seis y siete. También se han incrementado los impactos de las
inundaciones, debido en gran parte a la forma en la que ocurre el crecimiento urbano y espacial, pues
los habitantes de los asentamientos informales son particularmente vulnerables ya que habitan en
zonas no planificadas y propensas a inundaciones y deslizamientos [29]. Los factores que han venido
causando las inundaciones recientes en la ciudad de México D.F. son los siguientes: Problemas
asociados con las lluvias convectivas del valle de México, que han aumentado en su intensidad
aunque siguen teniendo la misma duración y extensión. Problemas en las barrancas de los ríos
urbanos, muchos de los cuales todavía se encuentran en su estado natural y generan desbordamientos
incontrolados y zonas de alto riesgo. Problemas con el sistema de drenaje existente, pues en muchas
zonas la capacidad de las redes secundarias, y en muchos casos primarias, resulta ineficiente durante
el pico máximo de la lluvia. Problemas en zonas bajas en las cuales la escorrentía tiende a
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acumularse de forma natural, pues allí se han asentado desarrollos urbanos [32]. Tal fueron los
impactos que el gobierno municipal de la ciudad de México tuvo que desarrollar el Programa de
Medidas de Adaptación al Cambio Climático, para controlar las inundaciones.
Por otro lado, desde siempre la ciudad de Morelia ha vivido diversos episodios de inundaciones; sin
embargo, en los últimos diez años la problemática se ha aumentado a tal punto que las comunidades
no han sido capaces de recuperarse a sus efectos. El proceso de urbanización de la ciudad se extendió
hacia la periferia, lugares que antes eran destinados a actividades agropecuarias. Diversos
asentamientos se situaron sobre los límites naturales de los principales ríos (río Grande y río
Chiquito), antiguas ciénegas y depresiones naturales de captación de agua. Lo anterior ha causado
que en los últimos años la incidencia de inundaciones en la periferia de la ciudad haya cobrado
innumerables pérdidas materiales y económicas. Entre las inundaciones que han afectado seriamente
a la ciudad de Morelia vale la pena destacar la ocurrida en el 2002, como consecuencia de tormentas
severas y dejando pérdidas de aproximadamente 4 millones de dólares. Otro evento de inundación
registrado en septiembre de 2003, producto también de tormentas fuertes, ha sido considerado como
el segundo de acuerdo con su proporción. En el año 2005 se presentaron las mayores inundaciones
registradas, que ocasionaron daños en viviendas e infraestructura, suspensión de servicios, y
disposición de albergues para los ciudadanos de la periferia de la ciudad [33]. Los antecedentes
obtenidos de la ciudad de Morelia indican que la mala localización de asentamientos, el incremento
de la superficie urbana, la calidad de la vivienda, las precipitaciones de gran intensidad y magnitud y
la falta de capacidad del sistema de drenaje, han incrementado el riesgo de desastre por inundaciones
en la periferia de la ciudad.
Tabasco es una de las 32 entidades federativas de México. Es importante destacar las inundaciones
de Tabasco en los años 2007 y 2008. La inundación de octubre del 2007 produjo un cubrimiento de
agua del 62% del territorio total y un 75% de población damnificada en 679 localidades de 17
municipios del estado. Tuvo un grave impacto socioeconómico a nivel estatal, social, ambiental y de
infraestructura [34]. Entre las causas de estas importantes inundaciones se subrayan aquellas
propiciadas por la naturaleza (aumento en intensidad de precipitaciones) y las influenciadas por la
actividad humana (incapacidad del sistema de drenaje existente y crecimiento urbanístico acelerado).
2.3.3. Caso Colombia
Las inundaciones reportadas en Colombia han venido aumentando considerablemente desde 1970,
pues la información sobre desastres naturales a partir de este periodo representa el 91% del total de la
base de datos DesInventar
1
y la evaluación de los efectos de las inundaciones en este periodo, se
basa en un promedio de 600 reportes. En la Figura 2-10 se puede observar la evolución de los
eventos de inundación reportados y el número de personas afectadas por estos en Colombia a partir
de 1970. Nótese cómo el comportamiento ha sido creciente en los últimos años, lo cual permite
inferir que para los años futuros tanto el número de inundaciones como el de personas afectadas va a
ser mayor si no se toman las medidas respectivas.
1
DesInventar es el Sistema de Inventario de Desastres de América Latina. Creado en 1994 por LA RED (Red de estudios
sociales en prevención de desastres de América Latina), Corporación OSSO y EIRD. (Estrategia Internacional para la
Reducción de Desastres de la ONU).
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Figura 2-10. Evolución de los eventos reportados de inundación y personas afectadas en Colombia a partir de 1970 (Fuente
[35]; desinventar.org)
La curva de eventos de inundación muestra picos en 1971, 1984, 1988, 1999, 2008 y 2010 que
coinciden con el fenómeno La Niña. Esta información establece la relación entre la variabilidad
climática y la probabilidad de ocurrencia de desastres por inundaciones, y muestra la necesidad
incluir la gestión integrada del riesgo en este tema dentro de los planes de desarrollo territorial [35].
De la misma forma, se ha observado que los periodos críticos de inundación corresponden con el régimen
bimodal de lluvias que afecta a la mayoría del país, con picos en los meses abril-mayo y octubre-
noviembre sobre las curvas de total de eventos y personas afectadas. El tercer pico de afectación, aunque
más pequeño en magnitud, se presenta en el mes de julio, debido posiblemente a la suma de efecto del
fenómeno de La Niña y la temporada de ciclones tropicales en la costa Caribe [35].
Es importante destacar el evento de fenómeno de la Niña de 1998-2000 en el cual se vieron afectados
24 departamentos, hubo 155 fallecidos, 1.57 millones de afectados y pérdidas económicas estimadas
por 33.2 billones de pesos. Igualmente, el fenómeno de la Niña de 2007-2008 el cual dejó 27 de 32
departamentos afectados, 225 muertes, 1.5 millones de personas damnificadas, y pérdidas
económicas de hasta 38.5 billones de pesos. La ciudad de Cali experimentó un incremento en las
emergencias sanitarias y un colapso de su sistema de drenaje urbano [35]. Este evento de la Niña
generó 1.569 registros de emergencia, de los cuales el 90% se debió a fenómenos
hidrometeorológicos: inundaciones 58%, deslizamientos 20% y vendavales 12%. El año 2008 fue
calificado por el Departamento Nacional de Planeación (DNP) y los Ministerios Colombianos como
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el de mayor población afectada en el último decenio lo cual generó a su vez un gran impacto
económico [36].
Por último en los años 2010-2011 se presentaron continuas e intensas lluvias que ocasionaron
deslizamientos e inundaciones en 28 de los 32 departamentos de Colombia. Más de 3 millones de
personas (7% de la población total del país) fueron damnificadas y probablemente se trató del peor
desastre causado por un evento natural en la historia del país. Las inundaciones de este periodo
redujeron el PIB nacional del año 2011 en un 2% [29]. La irregular geografía de Colombia, el
fenómeno de la Nina, aumentos de entre cinco y seis veces de la precipitación normal en algunas
regiones de Colombia, entre otros factores de manejo urbano que a continuación se van a describir,
fueron las principales causas de esta catástrofe.
Franco, 2010 y Sedano, et al., 2012 indican que las inundaciones urbanas en Colombia se deben
principalmente a 4 factores: 1) cambio climático y variabilidad climática, pues se han aumentado
considerablemente las precipitaciones en el País y se han tenido fenómenos de gran trascendencia
como el de la Niña. 2) Crecimiento demográfico junto con urbanización no planificada, pues esto
hace que la infraestructura de alcantarillado y drenaje urbano se encuentre en déficit, no sea
suficiente o simplemente no exista para algunas comunidades. 3) Mal uso del suelo, pues muchos
centros y expansiones urbanas son construidas en lugares bajo amenaza inminente de inundación. 4)
Ineficiencia de la infraestructura de drenaje urbano existente que involucra malos diseños, visiones
poco innovadoras y medidas poco eficientes. Por otra parte, Jha, et al., 2012 indican que las recientes
inundaciones en Colombia son el resultado de las actividades humanas para incrementar su riesgo
como una combinación entre deforestación, destrucción de humedales y un inadecuado desarrollo
urbano y de infraestructura mal diseñada/enfocada.
2.3.3.1. Caso Barranquilla
El sistema hidrológico de Barranquilla forma parte de la cuenca baja de río Magdalena, del cual
extrae un caudal medio de 6.5 m³/s para su abastecimiento generando un consumo aproximado de 4
m³/s. La cobertura de acueducto es del 99% y la de alcantarillado del 95%, pero actualmente no
existe un alcantarillado pluvial formal lo cual genera el grave problema de los arroyos que se forman
en épocas de lluvia y que afectan a miles de personas y a la economía de la región. Por otra parte, las
áreas permeables producto del desarrollo urbano son prácticamente inexistentes lo cual agrava el
problema al incrementar el caudal y el tiempo de respuesta de los arroyos ante un evento fuerte de
lluvia [37].
Barranquilla es una ciudad que no fue concebida pensando en el alcantarillado pluvial y por tal razón
hoy en día sufre los daños que ocasionan las inundaciones y los famosos arroyos que paralizan
actividades industriales, comerciales, educativas, sin mencionar la salud pública y los índices de
accidentalidad que ya han cobrado muchas víctimas y generado daños materiales de gran magnitud.
El impacto producido por esta problemática se puede dividir en tres aspectos: 1) sectores de alta
pendiente que debido al tipo de suelo y a la falta de drenaje pluvial se han convertido en zonas de
alto riesgo a deslizamientos. 2) Sectores directamente afectados por los caudales, velocidades de los
arroyos y los materiales que arrastran, es decir, las calles por los cuales transitan los arroyos. 3) Las
zonas bajas a las cuales llegan los arroyos y en las cuales predominan las inundaciones [37].
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La ciudad de Barranquilla se encuentra localizada sobre una suave colina que divide la ciudad en la
zona oriente y occidente, y que de esta forma genera dos vertientes de drenaje que tienen direcciones
opuestas. La vertiente oriental es la de mayor extensión y drena el agua en el sentido occidente-
oriente hacia la franja del rio Magdalena, zona bastante baja y plana y hacia donde llega el agua del
70% del sector urbano de la ciudad. La vertiente occidental drena el agua en el sentido oriente-
occidente hacia el Arroyo León, el cual desemboca finalmente en la franja costera del mar Caribe
2
.
En la Figura 2-11 se pueden apreciar claramente los dos esquemas de drenaje de la ciudad de
Barranquilla.
Figura 2-11. Esquema del drenaje de la ciudad de Barranquilla 2013 (Fuente: Google Maps y proyecto Arroyos de
Barranquilla (http://www.arroyosdebarranquilla.co))
Desde sus inicios, la ciudad de Barranquilla empezó a desarrollarse en la parte baja, es decir junto al
río Magdalena. En ese entonces, hacia aguas arriba de las cuencas de drenaje, existían cauces
naturales y los suelos eran prácticamente en su totalidad permeables, condición que controlaba la
escorrentía generada por los eventos de precipitación y por consiguiente los impactos en la
población. El proceso de urbanización de la ciudad continuó disminuyendo la capacidad de
infiltración de los suelos al incrementarse las superficies impermeables (el suelo de la cuenca oriental
está urbanizada en más del 90%), lo cual originó modificaciones en los cauces naturales y se
desarrolló un drenaje conformado por calles-canales [38]. Lo anterior causó un incremento en los
volúmenes de escorrentía, menores tiempos de respuesta y patrones hidráulicos observándose un
comportamiento torrencial a través de la red de drenaje de la ciudad, es decir en las vías de
Barranquilla.
2
Información extraída del proyecto: Arroyos de Barranquilla. Disponible en línea en:
http://www.arroyosdebarranquilla.co
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Por otro lado, las pendientes de las vías son hidráulicamente empinadas en la mayor parte del casco
urbano. Sólo existen pendientes bajas en las zonas cercanas al río Magdalena (zonas muy planas) y
en el extremo de la cuenca occidental. Las vías orientales de barranquilla tienen pendientes que
varían entre el 2 y 5% a lo largo de su recorrido, mientras que las occidentales pueden superar el 5%
en las partes altas de la cuenca. Las pendientes altas generan velocidades inexorablemente altas y
tiempos de concentración muy cortos lo cual tiene como resultado caudales muy peligrosos en los
arroyos y condiciones de amenaza por inundación en las zonas bajas [39]. Los arroyos de
Barranquilla pueden tener caudales de hasta 100 m³/s y velocidades de hasta 9 m/s que paralizan la
movilidad de la ciudad y generan situaciones de riesgo para la población. Esta problemática de
drenaje pluvial es considerada como una de las más críticas en zonas urbanas a nivel mundial, pues
genera importantes impactos: inundaciones, daños en la infraestructura urbana, daños en redes de
servicios, daños ambientales, parálisis en la actividad comercial, industrial y en el transporte urbano,
deterioro en la salud pública y accidentes con pérdida de vidas humanas [40].
Los suelos de la ciudad de Barranquilla están conformados en mayor parte por calizas y arcillas
caracterizadas por unas buenas condiciones de drenaje que inducen altos aportes de escorrentía
superficial. La precipitación promedio anual en la ciudad de Barranquilla es de 850 mm
aproximadamente, basada en los registros de la estación del Instituto de Hidrología, Meteorología y
Estudios Ambientales (IDEAM) del aeropuerto Ernesto Cortissoz. En general se presentan dos
temporadas de lluvias, la primera en los meses de Mayo-Junio y la segunda en los meses de
Septiembre-Octubre que corresponden a los meses más lluviosos del año (caen 420 mm de los 850
mm al año). Se ha observado que la duración de las lluvias es menor a 80 minutos y en promedio se
presentan del orden de 60 días con lluvia por año. Aun así, solo 20 eventos de precipitación al año
son significativos (mayor al umbral de 20 mm) en cuanto a la generación de escorrentía con registros
máximos del orden de 130 mm y con un patrón en cuanto a la hora de iniciación de los eventos que
varía entre las 10:00 AM y las 4:00 PM [37, 39].
En cuanto a la problemática de drenaje de Barranquilla, se han realizado diversos estudios
hidrológicos identificando 20 arroyos de importancia que generan mayores impactos y en los cuales
se han desarrollado obras e intervenciones de mitigación: Las Malvinas, Santa María, Don Juan, Don
Diego, Afán, Villa San Pedro, y arroyos de los barrios Por Fin, San Luis, Lipaya, Parque Santa María
y Ciudad Modesto, entre otros. Los caudales estimados para los arroyos de la vertiente oriental, para
periodos de retorno de 10 años, presentan caudales entre 6 y 108 m³/s para áreas de drenaje entre 40
y 768 Ha [37, 38]
En su estudio, (Ávila, 2012) estimó las caudales y las velocidades de los arroyos de algunas cuencas
principales de la vertiente oriental. Detalles de cómo estimó dichos parámetros se encuentran en su
estudio. Básicamente, Ávila determinó las cuencas más significativos de la vertiente oriental tienen
un área promedio de 370.5 Ha y que generan caudales promedio de 56.2, 79.3 y 103.6 m³/s para
eventos de precipitación con periodos de retorno de 5, 25 y 100 años respectivamente. Igualmente,
estimó velocidades promedio de 6.37, 7.21 y 7.95 m/s para eventos de precipitación con periodos de
retorno de 5, 25 y 100 años respectivamente. Los resultados anteriores permiten inferir que las
magnitudes de caudales y velocidades reflejan la peligrosidad de los arroyos asociada con
condiciones hidráulicas supercríticas. De los arroyos con mayor peligrosidad se encuentra el del
Siape (calle 84), Country (calle 76), Rebolo (Carrera 21), Felicidad y Don Juan.
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y volúmenes de escorrentía
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Recientemente se han realizado diversos estudios que buscan dar respuesta y plantear posibles
soluciones a este caso [39, 40], y prácticamente en todos se ha llegado a la misma conclusión. Para
zonas urbanas consolidadas como Barranquilla, el enfoque mediante el cual se logran atenuar los
efectos producidos por las lluvias son: restitución de las condiciones hidrológicas urbanas de las
cuencas, canalización progresiva de arroyos y control de la contaminación de la escorrentía pluvial.
Restablecer las condiciones hidrológicas de las cuencas urbanas es quizá el más importante aspecto a
desarrollar, pues lo que se busca con esto es reducir los volúmenes de escorrentía y caudales pico
para un evento de lluvia. Para lograrlo, se ha recomendado el uso de tecnologías de drenaje urbano
sostenible. En próximos capítulos se va a profundizar un poco más sobre estas tecnologías, y se
volverán a citar los estudios de Ávila como solución a los problemas de drenaje de Barranquilla.
2.4. Filosofía Tradicional de Drenaje vs Nuevas Visiones
Debido a todo lo analizado anteriormente: mayor aumento de la población que la infraestructura de
drenaje, incremento en los volúmenes de lluvia producto del cambio climático y la urbanización, y al
aumento de las inundaciones en general, es necesario profundizar en los cambios que se han venido
adoptando alrededor del mundo en cuanto al manejo del agua lluvia en las ciudades. A continuación
se va a contrastar las visiones viejas y tradicionales de drenaje urbano contra las nuevas visiones, se
van a describir las nuevas tecnologías empleadas y se van a analizar algunos estudios que cuantifican
el desempeño de estas.
2.4.1. Filosofía tradicional de drenaje urbano
En el desarrollo de las infraestructuras de drenaje y saneamiento de una ciudad suelen identificarse
varias fases. En primer lugar, se tendió a canalizar y controlar las aguas residuales. Posteriormente se
encauzó la escorrentía generada por el agua lluvia tendiendo a minimizar el riesgo de sufrir
inundaciones. Lo anterior ha dado lugar a los sistemas convencionales de saneamiento y drenaje en
las ciudades, basados en colectores o redes de tuberías cuyo objetivo primordial es evacuar lo antes
posible el agua lluvia hacia el cuerpo receptor. Una vez resueltos estos problemas, apareció el
problema de la calidad del agua que estaba llegando a los cuerpos receptores, pues hoy en día se sabe
que las aguas de lluvia están lejos de ser aguas limpias y constituyen una fuente importante de
contaminación [41].
La construcción de sistemas de drenaje combinados y separados han sido el pilar durante siglos para
evacuar el agua lluvia y residual de las ciudades, evitando problemas de inundación y salubridad. En
principio, los sistemas de drenaje combinado eran los más empleados, en los cuales toda el agua
urbana (residual y lluvia) eran recolectados y transportados a través de un sistema de tuberías y
colectores y descargados en una planta de tratamiento, o de no contar con una, directamente en el
cuerpo receptor. En contraposición al sistema combinado, surgió el sistema separado de drenaje, en
el cual las aguas residuales y lluvias eran drenadas por separado. Este último tenía la ventaja de que
el agua que entraba a la planta de tratamiento solo correspondía a la residual, es decir entraba en
menor cantidad y a una tasa mucho más constante en cuanto a la calidad y cantidad. El agua lluvia,
por el contrario, tenía que viajar por sistemas sobredimensionados (muy costosos) y llegaba
directamente al cuerpo receptor sin ningún tipo de tratamiento, afectando así la calidad de este [42,
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43]. En la Figura 2-12 a) se puede apreciar un sistema convencional combinado, y en el esquema b)
se encuentra un sistema convencional separado de drenaje urbano. Nótese las diferencias entre
ambos explicadas anteriormente.
En las últimas décadas, adicional al sistema separado, ciertos países desarrollados implementaron
estructuras de detención dentro del mismo sistema de drenaje con el fin de reducir inundaciones y
desbordamientos del sistema combinado. Lo anterior requiere de la construcción de estructuras
subterráneas de almacenamiento, y en algunos casos, el uso de capacidad potencial de
almacenamiento mediante sistemas de control en tiempo real. La sostenibilidad de este tipo de
tecnologías ha demostrado ser muy baja, pues se incurren en costos demasiado elevados y
adicionalmente no se logran los alivios y reducciones esperadas [43].
Figura 2-12. a) Sistema convencional combinado de drenaje urbano (Fuente: [42]), b) sistema convencional separado de
drenaje urbano (Fuente: [42])
A medida que se lleva a cabo un mayor desarrollo urbano y se sigue con la visión tradicional de
drenaje urbano discutida anteriormente, se empiezan a generar impactos negativos en los cuerpos
receptores y problemas de inundaciones producto de la sobrecarga del sistema convencional de
tuberías y colectores. Este impacto se incrementa aún más si se trata de países en vías de desarrollo,
los cuales se ven inmersos en problemas de planificación, crecimiento acelerado de su población vs
infraestructura de drenaje y aumento en los volúmenes de lluvia (ver numerales 2.1 a 2.3). Por una
parte, se generan en los sistemas convencionales problemas de cantidad, cuando las tasas de
urbanización superan las planificaciones iniciales, lo cual trae como consecuencia que la
infraestructura quede sub dimensionada dando lugar a sobrecargas e inundaciones. Por el otro lado,
se generan problemas de calidad en los cuerpos receptores, al ser estos los encargados de recibir toda
la escorrentía urbana sin ningún tipo de tratamiento previo [41].
Recordando de numerales previos, el crecimiento de las zonas impermeables en las ciudades
modifica los flujos naturales del ciclo hidrológico, tanto desde el punto de vista cualitativo como
cuantitativo. La reducción de espacios vegetados reduce en primera instancia la intercepción natural
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y volúmenes de escorrentía
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y la evapotranspiración. El aumento de la impermeabilidad causa una reducción de la infiltración, y
como consecuencia de todo ello, se generan volúmenes de escorrentía netamente mayores, y además,
se aceleran los tiempos de respuesta (mayor y anticipado pico de caudal) por lo que aumenta el
riesgo de inundaciones.
Por todo lo mencionado anteriormente, el sistema convencional de drenaje urbano es considerado
hoy en día como el resultado de la falta de planeación. El problema con este tipo de manejo, es que
está comprobado que los problemas asociados con inundaciones son inminentes (sobre todo en
países en vías de desarrollo), pues los volúmenes de escorrentía y el pico de caudal se han
incrementado demasiado ante los eventos de lluvia. Por otra parte, las medidas estructurales, como
los tanques de almacenamiento centralizados, constituyen en prácticas muy poco costo-efectivas y no
están solucionando el problema de sobrecarga. Adicionalmente, se ha comprobado que el transporte
directo de cargas contaminantes y material particulado que lleva consigo la escorrentía urbana, ha
causado que los cuerpos receptores (ríos) se sedimenten más de la cuenta causando desbordamientos
y problemas de cantidad aguas abajo [44]. Es por todo lo anterior, que la visión tradicional del
drenaje urbano en las ciudades mediante sistemas convencionales de tuberías, colectores y tanques
de almacenamiento centralizado, se ha cuestionado profundamente, hasta el punto de necesitar otro
tipo de enfoque que solucione los problemas de cantidad y calidad del agua lluvia en las cuencas
urbanas.
2.4.2. Visión alternativa de drenaje urbano
La necesidad de afrontar la gestión de las aguas pluviales desde una perspectiva diferente a la
convencional, que combine aspectos hidrológicos, medioambientales y sociales, está llevando a un
rápido aumento a nivel mundial del uso de prácticas de manejo en la fuente (SMPs por Source
Management Practices) [41]. El empleo de este tipo de prácticas para el control de la lluvia, pretende
reducir la escorrentía y los contaminantes de exceso que ingresan dentro de los sistemas de drenaje
convencionales. La ventaja es que usualmente, este tipo de alternativas resultan mucho más efectivas
en el manejo de la escorrentía, y mucho más costo-efectivas en cuanto a aspectos de construcción y
mantenimiento que los sistemas convencionales de drenaje urbano. Aun así, y a pesar de que la
anterior afirmación en la mayoría de los casos resulta cierta, es necesario hacer un estudio de costo
efectividad que permita tomar la mejor decisión en cuanto a la implementación de una alternativa de
drenaje [43].
En la Figura 2-13 a) se puede apreciar un esquema de un sistema alternativo de drenaje urbano
mediante prácticas de manejo en la fuente. Nótese que se trata de un sistema separado, en el cual el
agua residual es drenada aparte del agua lluvia. A diferencia del sistema convencional separado
analizado en la Figura 2-12 b), en este sistema alternativo el agua lluvia puede ser tanto infiltrada en
el suelo existente, o retenida por un tiempo mediante detención para luego ser soltada al sistema de
drenaje convencional. La idea fundamental de la visión del “manejo en la fuente”, es controlar el
agua en el sitio en donde cae y tan pronto como sea posible mediante detención y/o infiltración [42].
Hablar de atenuación o detención en la fuente, hace referencia a almacenar temporalmente la
escorrentía generada en un evento de lluvia en un lugar muy cercano al sitio en el cual cayó, para
luego ser devuelta al sistema de drenaje existente una vez el pico crítico de lluvia haya pasado. De
esta forma, se reducen los volúmenes de escorrentía, se retrasa el pico de caudal, se aproxima en
cierta medida a las condiciones de drenaje pre urbanización, y se mitiga el problema de inundaciones
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y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 28
aguas abajo. De igual forma, al almacenar el agua lluvia, se puede incurrir en prácticas como la
reutilización de la misma para suplir ciertas necesidades (irrigación de jardines, lavado de autos,
consumo interno, etc.). Hablar de infiltración, hace referencia a reducir la escorrentía que llega a un
sistema de drenaje convencional, al facilitar la infiltración de la misma a través del suelo para
recargar el nivel de las aguas subterráneas. Mediante esta práctica, de alguna forma se está
intentando devolver las condiciones pre urbanización a una cuenca urbanizada, al aumentar las tasas
de infiltración producto de tener mayores superficies permeables.
Según [44], la visión alternativa del drenaje urbano hace referencia a “manejar el agua lluvia tan
pronto como caiga”, pues el volumen inicial del agua, la velocidad de la misma, y la capacidad para
transportar sedimentos por parte del agua es relativamente bajo. Debido a la baja velocidad del agua,
los sedimentos y material particulado pueden ser fácilmente separados y de esta forma se evita que
ingresen dentro del sistema de drenaje. Por la misma razón, la erosión resultaría mucho menor, lo
que traería como consecuencia lo mismo: menos contaminantes y sedimentos alcanzando el cuerpo
receptor. Según el enfoque holandés, existen 3 pilares básicos en cuanto al manejo actual del agua
urbana según su experiencia: 1) el espacio que ya ha sido concedido para el sistema convencional es
crucial para el drenaje de la ciudad y debe ser mantenido como tal. 2) Se deben aplicar siempre tres
estrategias de manejo del agua lluvia (retener, almacenar y drenar) las cuales corresponden a retener
lo máximo posible el agua lluvia en el sitio en el cual cayó. 3) Cualquier influencia adversa al
sistema de drenaje convencional debe ser compensada.
La combinación y el trabajo conjunto entre ambos tipos de visiones (centralizada vs manejo en la
fuente) también puede ser posible y trae consigo grandes beneficios para el manejo del agua urbana.
En la Figura 2-13 b) se encuentra un esquema alternativo de drenaje urbano con manejo en la fuente,
combinado a uno con sistema centralizado de almacenamiento. De esta forma, se consiguen los
beneficios de reducción de escorrentía y picos de caudal mediante la detención/infiltración en la
fuente, además de los que puede proveer un almacenamiento centralizado (a gran escala) existente
para el manejo de las inundaciones y agua de exceso.
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Figura 2-13. a) Sistema alternativo de drenaje urbano – manejo en la fuente (Fuente: [42]), b) sistema alternativo de drenaje
urbano - manejo en la fuente, combinado con sistema centralizado de almacenamiento (Fuente: [45])
Las medidas de control en la fuente pueden ser de tipo estructural y no estructural. Las medidas no
estructurales hace referencia a facilidades alternativas colocadas en pavimentos o edificaciones que
ayudan a minimizar las superficies impermeables y maximizando la infiltración o el
aprovechamiento de las superficies permeables. Las medidas estructurales corresponden a aquellas
construcciones cercanas a la fuente que permiten la retención/almacenamiento del agua lluvia (tales
como tanques, techos verdes, etc.). Existen numerosas evidencias de que las medidas de control en la
fuente han resultado efectivas para las reducciones de los impactos generados por la escorrentía
urbana. Aun así [43], han expuesto tres posibles riesgos que podrían presentar las medidas de control
en la fuente (medidas descentralizadas) si se implementan masiva y separadamente de los sistemas
convencionales de drenaje: 1) el conocimiento limitado acerca de sus posibles desventajas a largo
plazo, 2) la tentación que representan estas tecnologías para ser usadas por las autoridades locales
como forma económica de manejar el agua urbana, sin seguir invirtiendo en los sistemas
convencionales que también son necesarios, y 3) las dificultades de mantenimiento y costos que
resultarían al tener un sistema descentralizado (en la fuente) funcionando junto con un sistema
centralizado (convencional).
En la siguiente tabla, se resumen las principales ventajas, desventajas, similitudes y diferencias entre
los sistemas convencionales (tuberías y colectores – almacenamiento centralizado) y los sistemas
alternativos de drenaje urbano (control en la fuente – almacenamiento descentralizado).
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Tabla 2-6. Principales ventajas, desventajas, similitudes y diferencias entre los sistemas convencionales y los sistemas
alternativos de drenaje urbano (Adaptada de: [41])
Sistema convencional
(tuberías y colectores)
Sistema alternativo
(control en la fuente)
Coste de construcción
Pueden ser equivalente, aunque los usos indirectos de las
medidas de control en la fuente reducen su costo real
Costos de operación y
mantenimiento
Establecido
Falta experiencia
Control de inundaciones en la
propia cuenca
Si
Si
Control de inundaciones aguas
abajo
No
Si
Reutilización
No
Si
Recarga / infiltración
No
Si
Eliminación de contaminantes
Baja
Alta
Beneficios en servicios al
ciudadano
No
Si
Beneficios educacionales
No
Si
Vida útil
Establecida
Falta experiencia
Requerimientos de espacio
Insignificantes
Pueden ser muy significantes
Criterios de diseño
Establecidos
Falta experiencia
A continuación, se van a analizar más detalladamente las prácticas de manejo en la fuente (SMPs),
sus diferentes tipos, características y desempeño/eficiencia en cuanto a la reducción de volúmenes de
escorrentía y cargas contaminantes que llegan a los sistemas convencionales de drenaje urbano.
2.4.3. Prácticas de manejo en la fuente (SMPs)
Las prácticas de manejo sostenible en la fuente (SMPs) corresponden a los sistemas alternativos de
drenaje urbano. Dentro de estos existen un gran número de tecnologías direccionadas a intentar
reestablecer las condiciones hidrológicas pre urbanización mediante la detención/almacenamiento
temporal y/o infiltración de la escorrentía. Los SMPs se pueden dividir en dos grandes grupos: 1) los
denominados SUDs (Sustainable Urban Drainage Systems) o BMP (Best Management Practices), y
2) los denominados LIDs (Low Impact Developments). A continuación se van a presentar las
características principales de cada uno de estos y las tecnologías que los componen. No es propósito
de este documento detallar cada una de las prácticas de manejo sostenible, razón por la cual no se va
a profundizar mucho en este numeral. Existen diversos estudios y bibliografía suficiente si se desea
obtener información adicional de este tipo de sistemas.
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Los SUDs (en el Reino Unido) o BMPs (en Estados Unidos) son en esencia lo mismo. Surgieron
como medidas alternativas para reestablecer el ciclo hidrológico natural previo a la urbanización e
intervención humana [46]. El objetivo principal de estas prácticas es minimizar lo máximo posible
los impactos del desarrollo urbanístico en cuanto a la calidad y la cantidad de la escorrentía (en
origen, durante su transporte y destino), así como maximizar la integración paisajística y el valor
social y ambiental de las ciudades [41]. Se podría decir que tanto los SUDs como los BMPs, tienden
a ser caracterizados a una escala desde lo netamente predial hasta lo local e inclusive regional. Es
decir que estas prácticas encierran un gran número de tecnologías que si bien pueden ser empleadas
en micro escala (por el dueño de un predio para mitigar y mejorar localmente la escorrentía urbana),
pueden alcanzar una macro escala (nivel regional/ciudad), las cuales serían operadas por las
entidades administrativas correspondientes y serían empleadas para mitigar y mejorar regionalmente
la escorrentía urbana.
Los LIDs corresponden a tecnologías en sitio direccionadas a mantener o reestablecer el régimen
hidrológico antecedente al fenómeno de urbanización [47, 48]. Es decir, que básicamente tanto LIDs
como SUDs y BMPs surgen bajo la misma necesidad y tienen el mismo objetivo en común. La
diferencia radica, en que las tecnologías LIDs tienden a ser caracterizados solamente a una escala
predial (micro escala), es decir empleados para mitigar y mejorar localmente la escorrentía urbana.
Las tres denominaciones anteriores incluyen tecnologías que buscan la reducción en volúmenes y
contaminantes de escorrentía mediante el almacenamiento y la infiltración de la misma. Los
mecanismos de infiltración corresponden a la reducción de la escorrentía que llega a un sistema de
drenaje convencional, al facilitar la infiltración de la misma a través del suelo para recargar el nivel
de las aguas subterráneas. Mediante esta práctica, de alguna forma se está intentando devolver las
condiciones pre urbanización a una cuenca urbanizada, al aumentar las tasas de infiltración producto
de tener mayores superficies permeables. Los mecanismos de almacenamiento representan un gran
número de prácticas para el manejo del agua lluvia y tienen como objetivo almacenar temporalmente
la escorrentía generada en un evento de lluvia en un lugar muy cercano al sitio en el cual cayó, para
luego ser devuelta al sistema de drenaje existente una vez el pico crítico de lluvia haya pasado. De
esta forma, se reducen los volúmenes de escorrentía, se retrasa el pico de caudal, se aproxima en
cierta medida a las condiciones de drenaje pre urbanización, y se mitiga el problema de inundaciones
aguas abajo. De igual forma, al almacenar el agua lluvia, se puede incurrir en prácticas como la
reutilización de la misma para suplir ciertas necesidades (irrigación de jardines, lavado de autos,
consumo interno, etc.). Los mecanismos de almacenamiento se pueden dividir en 2 distintos tipos de
manejo, la detención y la retención.
Detención hace referencia a que toda o parte de la escorrentía captada es temporalmente almacenada
para luego ser devuelta gradualmente al sistema de drenaje. Esta aproximación no permite el
aprovechamiento del agua lluvia almacenada. La retención corresponde a que toda o parte de la
escorrentía captada por un largo periodo de tiempo y no es devuelta al sistema de drenaje o al cuerpo
receptor. El agua almacenada es entonces empleada para infiltración, evaporación o actividades de
reutilización tales como el lavado de autos, consumo humano y/o irrigación de jardines [45].
En general, los objetivos primordiales de los SMPs se pueden resumir a continuación:
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Proveer una alternativa sostenible para la protección ambiental de los cuerpos receptores al
mejorar el ciclo hidrológico en contextos urbanos.
Introducir nuevos conceptos, tecnologías e ideologías para el manejo del agua urbana, e
intentar reestablecer las condiciones pre urbanización al reducir volúmenes de escorrentía y
picos de caudal e incrementar zonas permeables.
Reducir los costos de construcción, mantenimiento y operación de la infraestructura dedicada
al drenaje urbano.
Contrastar en cuanto a aspectos económicos, ambientales y técnicos a los sistemas
convencionales de drenaje urbano compuestos por tuberías y colectores. Ofrecer una
alternativa nueva y mejor hacia el drenaje de las ciudades.
Establecer políticas y regulaciones que permitan una educación ciudadana sostenible frente al
manejo del agua. Igualmente proveer incentivos económicos para desarrollar conciencia y
desarrollo ambiental.
Generalmente, los SMPs corresponden a medidas estructurales que gestionan la escorrentía mediante
actuaciones que contienen en mayor o menor grado algún elemento constructivo o supongan la
adopción de criterios urbanísticos. Las medidas estructurales, o las tecnologías más utilizadas son las
siguientes continuación [41, 46, 47, 48]:
Humedales artificiales (constructed wetlands): Son lagunas artificiales que permanecen
permanentemente con agua de muy baja profundidad. Tienen una gran densidad de
vegetación emergente y aportan un gran potencial ecológico. Los humedales artificiales
manejan la escorrentía urbana a través de almacenamiento, infiltración en cuanto a cantidad,
y mediante sedimentación y acción biológica en cuanto a la cantidad.
Estanques de retención (retention ponds): Son estanques artificiales que permanecen con una
lámina de agua constante. Difieren de los humedales artificiales en el sentido de que éstos
tienen una mayor profundidad y vegetación perimetral y no completa. Al igual que los
humedales, los estanques de retención manejan la escorrentía urbana a través de
almacenamiento, infiltración en cuanto a cantidad, y mediante sedimentación y acción
biológica en cuanto a la cantidad (ver Figura 2-14 a).
Depósitos de detención (detention basins): Son depresiones vegetadas que permanecen secas
a excepción del momento justo cuando ocurre un evento de lluvia e inmediatamente después
de éste. Durante la lluvia, la escorrentía superficial es canalizada a través del depósito de
detención seco hasta una salida diseñada para detenerla por un tiempo mínimo (48 horas).
Son empleadas para reducir los caudales de escorrentía máximos asociados con las
condiciones de urbanización y normalmente no proveen suficiente tiempo de residencia para
una remoción efectiva de contaminantes.
Depósitos de infiltración (infiltration basins): Son depresiones vegetadas del terreno
diseñadas para almacenar e infiltrar gradualmente la escorrentía generada en superficies
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circundantes. Mediante estas estructuras se promueve la recarga subterránea, consiguiendo
adicionalmente la eliminación de contaminantes mediante filtración natural del terreno,
adsorción y transformaciones biológicas.
Cunetas verdes (vegetated swales): Corresponde a un canal superficial amplio con una densa
capa superficial cubriendo sus lados y fondo. Pueden ser de tipo natural o artificial y están
diseñados para atrapar contaminantes provenientes de la escorrentía urbana (sólidos
suspendidos y metales), promover la infiltración y reducir la velocidad del agua después de
un evento de lluvia. Las cunetas verdes pueden reemplazar los sedimentadores, separadores y
demás estructuras de pre tratamiento existentes en los sistemas convencionales de drenaje,
pero están limitados en la cantidad de escorrentía que pueden tratar eficientemente (ver
Figura 2-14 b).
Drenes filtrantes (filter drains): Son a zanjas poco profundas rellenas de materiales filtrantes
(de tipo granular o sintético), concebidas para captar y filtrar la escorrentía de superficies
impermeables contiguas con el fin de transportarlas hacia aguas abajo. Pueden o no contener
un conducto inferior de transporte. Adicionalmente, permiten la infiltración y laminación de
los volúmenes de escorrentía.
Pozos y zanjas de infiltración (soakaways and infiltration trenches): Corresponden a
excavaciones superficiales que son rellenadas con piedras o escombros para crear un
almacenamiento subsuperficial temporal para la infiltración de la escorrentía superficial. La
escorrentía gradualmente se infiltra a través del fondo o los lados de la zanja, llegando así
hasta el subsuelo y eventualmente hasta llegar al nivel freático.
Franjas Filtrantes (filter strips): Son franjas de vegetadas de suelo, muy anchas y con poca
pendiente. Se localizan entre una superficie dura y el ente receptor de la escorrentía (río,
curso de agua, planta de tratamiento, etc.). Propicia la sedimentación de las partículas sólidas
y contaminantes embebidos en el agua urbana. Igualmente, permiten la infiltración y ayudan
a reducir volúmenes de escorrentía.
Superficies permeables (porous/permeable paving): Las superficies y pavimentos permeables
son sistemas compuestos por una superficie resistente a la carga y una estructura compuesta
de capas que permite un previo almacenamiento temporal de la escorrentía antes de ser
infiltrada o drenada mediante un mecanismo de salida. Son empleados generalmente en
parqueaderos o en sitios con poca carga vehicular. La superficie puede ser totalmente porosa
de tal forma que el agua se infiltre a lo largo de la misma (concreto y pavimentos porosos), o
puede ser construida mediante bloques impermeables separados y a través de los cuales el
agua puede drenar o infiltrarse (ver Figura 2-14 c).
Sistemas de retención/almacenamiento (rainwater harvesting/retention systems): Son
tecnologías empleadas para recolectar, transportar y almacenar el agua lluvia de los techos o
de las superficies impermeables para una gran cantidad de propósitos incluyendo la
irrigación, reutilización y consumo humano, recarga de acuíferos y reducción de los
volúmenes de escorrentía. Corresponden a barriles de lluvia, tanques y/o cisternas y sistemas
modulares de retención/infiltración.
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Cubiertas verdes (green roofs): Son sistemas de cubierta vegetal multicapa que recubren
terrazas, techos y tejados de todo tipo. Están diseñadas para interceptar y retener el agua
lluvia justo en el momento en que cae, reduciendo así el volumen e escorrentía generada y
atenuando el caudal pico. De igual forma, retienen contaminantes, actúan como capa de
aislante térmico en el establecimiento y ayudan a compensar el efecto de la “isla de calor”
que se producen en las grandes ciudades (ver Figura 2-14 d).
Bio retención/jardines de lluvia (bioretention/rain gardens): La bio retención funciona como
un mecanismo de filtración a través de plantas y tierra encargada de remover contaminantes
mediante una variedad de procesos físicos, químicos y biológicos. Sus elementos principales
son: capa de arena, área de estancamiento, capa orgánica, capa de tierra y superficie
vegetativa (plantas). La escorrentía es distribuida equitativamente hacia el área de
estancamiento. La infiltración a través de las capas ocurre en un periodo de días pero es muy
efectivo para la remoción de contaminantes y sólidos suspendidos.
Figura 2-14. Ejemplos de distintos tipos de SMPs. a) Estanque de retención (retention pond)
3
, b) cuneta verde (vegetated
swale)
4
, c) superficie permeable (porous/permeable paving)
5
y d) cubierta verde (green roof)
6
3
Imagen extraída de la red. Disponible en línea en: http://www.susdrain.org/delivering-suds/using-suds/suds-
components/retention_and_detention/retention_ponds.html. Consultada el 18 de diciembre del 2013.
4
Imagen extraída de la red. Disponible en línea en: http://landperspectives.wordpress.com/2011/06/02/rivereast-center-a-
sustainable-site/. Consultada el 18 de diciembre del 2013.
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Existen diversos estudios [45, 49, 50]que han intentado evaluar la eficiencia y desempeño de estas
prácticas de manejo en la fuente (SMP) en cuanto a su potencial de reducción de volúmenes de
escorrentía, pico de caudal y contaminantes. Si se requiere profundizar en los resultados obtenidos,
es recomendable revisar las fuentes citadas en este párrafo.
En la siguiente tabla se encuentran resumidas las características principales de las tecnologías SMP
en cuanto a control de caudal pico, reducción de volúmenes, control de contaminantes y
conservación de la escorrentía mencionadas anteriormente. Es importante mencionar que el orden en
el cual se encuentran listadas va desde las tecnologías empleadas a gran escala (escala
regional/ciudad) hasta aquellas empleadas en micro escala (escala predio).
Tabla 2-7. Resumen de las características principales de las tecnologías SMP en cuanto a control de caudal pico, reducción de
volúmenes, control de contaminantes y conservación de la escorrentía (Adaptada de: [47, 51])
Práctica/tecnología SMP
Control de
Caudal Pico
Reducción
Volumen
Control de
contaminantes
Conservación y
reutilización
Humedales artificiales
(constructed wetlands)
Alto
Alto
Alto
No
Estanques de retención
(retention ponds)
Alto
Alto
Medio
No
Depósitos de detención
(detention basins)
Alto
Alto
Bajo
No
Depósitos de infiltración
(infiltration basins)
Medio
Medio
Alto
No
Cunetas verdes
(vegetated swales)
Medio
Medio
Alto
No
Drenes filtrantes
(filter drains)
Medio
Medio
Medio
No
Pozos y zanjas de infiltración
(soakaways and infiltration trenches)
Medio
Medio
Alto
No
Franjas Filtrantes
(filter strips)
Bajo
Bajo
Medio
No
Superficies permeables
(porous/permeable paving)
Medio
Medio
Medio
No
Sistemas de retención /almacenamiento
(rainwater harvesting/retention systems)
Medio
Medio
Bajo
Si
Cubiertas verdes
(green roofs)
Medio
Bajo
Medio
No
Bio retención/jardines de lluvia
(bioretention/rain gardens)
Medio
Bajo
Medio
No
Nótese que la práctica de retención/almacenamiento del agua lluvia (rainwater harvesting/retention
systems) se encuentra resaltada. Lo anterior es debido a que este documento, a partir de ahora, se va
5
Imagen extraída de la red. Disponible en línea en: http://eichlervision.com/2009/01/inspiration-from-margarido-house-
tour/. Consultada el 18 de diciembre del 2013.
6
Imagen extraída de la red. Disponible en línea en: http://www.taringa.net/posts/info/16529906/Techos-verdes-para-
todos.html. Consultada el 18 de diciembre del 2013.
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y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 36
a centrar en este tipo de estructuras. Nótese que corresponde a una práctica LID, es decir una
tecnología aplicada directamente en el sitio donde cae el agua lluvia direccionada a mantener o
reestablecer el régimen hidrológico antecedente al fenómeno de urbanización. Tiende a ser un
mecanismo aplicado solamente a una escala predial (micro escala), y tiene un control medio de
atenuación del caudal pico y volumen de escorrentía, un control bajo de los contaminantes, pero
permita la reutilización y conservación del agua. En los siguientes capítulos se profundizará en los
tipos de sistemas de retención/almacenamiento de agua lluvia, sus principales características, sus
consideraciones de diseño, su desempeño y eficiencia en cuanto a la calidad y cantidad de la
escorrentía, sus consideraciones de operación y mantenimiento y algunas experiencias reales y casos
de aplicación.
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3. SISTEMAS DE RETENCIÓN DE AGUA LLUVIA A NIVEL PREDIAL
3.1. Descripción General
El almacenamiento, retención o detención del agua lluvia es una de las diversas alternativas para
reducir los volúmenes de escorrentía, mejorar la calidad del agua e incluso emplearla para consumo
humano o reutilización. Dentro de las demás tecnologías disponibles, el almacenamiento del agua
lluvia corresponde a una solución sostenible y descentralizada la cual puede evitar una gran cantidad
de problemas ambientales generados por los excesos de agua lluvia.
Existen
diversas
definiciones
acerca
de
este
tipo
de
práctica.
Según
[52],
la
retención/almacenamiento del agua lluvia es una tecnología empleada para recolectar y almacenar el
agua lluvia de los techos o de las superficies impermeables para uso humano, empleando desde
técnicas simples hasta complejas (de ingeniería). Para [49], el almacenamiento del agua lluvia
corresponde a una práctica sostenible que es capaz de suplir el agua de una forma mucho más
eficiente y que además es muy fácil de instalar y operar. Corresponde a la recolección y distribución
del agua lluvia de los techos para propósitos humanos y/o ambientales. Por otro lado, según el
manual de almacenamiento de agua lluvia de Texas [53], la retención de agua lluvia es la
recolección, transporte y almacenamiento del agua lluvia para una gran cantidad de propósitos
incluyendo la irrigación, reuso y consumo humano, recarga de acuíferos y reducción de los
volúmenes de escorrentía. Por otra parte, todas las fuentes consultadas afirman que existe evidencia
arqueológica que permite inferir que la recolección de agua lluvia empezó hace aproximadamente
4,000 años pues se han encontrado ruinas de cisternas.
De acuerdo con la literatura, las ventajas y beneficios más importantes de los sistemas de
almacenamiento/detención del agua lluvia se resumen a continuación [54, 55]:
Tienen la capacidad de proveer agua en o cerca del sitio donde se necesita o es usada,
evitando así la necesidad de tener sistemas de distribución.
Reducen los volúmenes de escorrentía y las cargas de contaminantes que entran al sistema de
drenaje reduciendo así los picos de caudal en eventos fuertes de lluvia y mejorando la calidad
del agua.
Pueden constituir en una alternativa muy eficiente para el manejo del agua lluvia urbana para
condiciones en donde evitar el empleo de superficies impermeables es imposible o el espacio
es insuficiente (áreas altamente urbanizadas).
En la mayoría de casos, pueden ser operados y mantenidos por el mismo propietario.
La construcción de un sistema de almacenamiento de agua lluvia es relativamente sencilla y
pueden cumplir casi cualquier requerimiento.
Reduce la erosión urbana.
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El agua recolectada de las estructuras existentes (techos y superficie impermeables) es
relativamente limpia y no requiere de tratamientos sofisticados debido a que se captura en la
fuente.
Ayudan a reducir el pico de demanda en verano y por consiguiente retardan las expansiones
de plantas de tratamiento existentes.
Pueden proveer de agua a la población en casos de emergencia o cuando se generen cortes del
servicio de agua.
De acuerdo con la literatura, las desventajas y/o limitaciones más importantes de los sistemas de
almacenamiento/detención del agua lluvia se resumen a continuación [54, 55]:
Un sistema de almacenamiento de agua lluvia con baja capacidad, limita la cantidad de agua
lluvia que puede ser retenida y por lo tanto para periodos de sequía prolongados, no
representa una tecnología confiable. Incrementar la capacidad de almacenamiento, aumenta
los costos lo cual puede generar problemas en comunidades de bajos ingresos.
El almacenamiento de agua lluvia depende tanto de la frecuencia como de la cantidad de agua
lluvia, y por lo tanto no constituye una fuente de agua confiable para sequías prolongadas.
La capacidad de almacenamiento del sistema necesita estar disponible para cuando se
presenta un evento de lluvia, y por esto, muchos sistemas pueden resultar ineficientes para
temporadas muy lluviosas.
Existe un gran número de consideraciones a la hora de ubicar un sistema de almacenamiento
de agua lluvia, razón por la cual se puede limitar la viabilidad de esta técnica.
El agua puede contaminarse por excremento de animales y material orgánico proveniente de
las hojas de los árboles. Igualmente pueden generar crecimiento de algas o mosquitos si no se
lleva a cabo un adecuado mantenimiento.
Las fugas de las cisternas subsuperficiales pueden generar inestabilidades del terreno
causando problemas estructurales.
El almacenamiento de agua lluvia puede generar un problema si se requiere para consumo
humano y no se tienen los sistemas de potabilización requeridos.
La implementación de estos sistemas ha tenido un boom alrededor del mundo debido a las constantes
y cada vez más seguidas sequías e inundaciones. Muchos gobiernos han establecido las regulaciones,
estándares y guías para su instalación, operación y mantenimiento, e inclusive han establecido toda
clase de incentivos para que la población los adopte [49]. En los países en vías de desarrollo, todavía
no se encuentra bien regulado o la regulación que existe no es lo suficientemente clara para que se
empiece a adoptar esta tecnología de forma masiva.
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3.2. Componentes
Típicamente un sistema de almacenamiento/detención de agua lluvia consiste de cuatro elementos
básicos: el área de captación, el sistema de recolección y transporte, el de almacenamiento y el de
entrega o distribución. A nivel predial, un sistema de estos puede ser tan sencillo o complejo como se
desee pero en general consta de estos componentes indispensables [54, 56]:
1. Área de Captación: Corresponde al área a la cual el agua lluvia cae (generalmente techos y
superficies impermeables como pavimentos, etc.). El techo debe ser construido con
materiales no porosos y debe tener un drenaje eficiente.
2. Sistema de Recolección y Transporte: Corresponde a la red de canales y bajantes mediante
los cuales se transporta el agua lluvia recolectada de los techos y demás superficies hacia la
estructura de almacenamiento. Generalmente consiste en la conexión de una o más bajantes
con las canaletas que recolectan el agua que drena de los techos, y se recomienda que sean
de aluminio y de sección transversal circular. El tamaño y la pendiente de las canaletas se
diseñan dependiendo de los regímenes de lluvia de la región (en el numeral 3.4. se
profundiza en los aspectos de diseño). Un aspecto muy importante del sistema de recolección
y transporte es que debe considerar dispositivos de pre tratamiento del agua, con el fin de
evitar que sedimentos, hojas, basura y ciertos contaminantes entren al almacenamiento. Estos
dispositivos deben ser muy fáciles de mantener, y pueden existir o no dependiendo del
volumen de almacenamiento. En los numerales 3.4. y 7 se profundiza sobre estos
dispositivos, su diseño y sus consideraciones de operación y mantenimiento. Dentro de estos
se encuentran:
Pantalla/filtro para hojas (leaf screen): Pantalla filtro de aberturas grandes a
medianas que se coloca justo antes de la bajante y que evita que allí entren hojas y
otros desechos de tamaño considerable. Deben ser limpiadas periódicamente para
asegurar su buen funcionamiento, pues si este no se realiza, se puede taponar el
sistema evitando que el agua llegue al almacenamiento.
Desviador de primer lavado (first flush diverter): Tecnología empleada para evitar
que el agua lluvia correspondiente al primer lavado entre en el elemento de
almacenamiento. Este mecanismo puede reducir efectivamente contaminantes más
pequeños y correspondientes al agua del primer lavado, tales como polen, heces,
etc. Requieren que sean manipulados después de cada evento de lluvia, al extraer
manualmente el agua retenida del primer lavado, y de esta forma asegurar su
eficiencia para el siguiente evento.
Tanques sedimentadores (bafle tanks o roof washers): Son colocados justo antes
de que el agua entre en el sistema de almacenamiento y son empleados para
sedimentar y filtrar el material particulado sobrante del agua que viene de las
bajantes. Esta tecnología ayuda a que no se genere acumulación de sedimentos en
el sistema de almacenamiento principal.
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Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 40
Filtro de vórtice (vortex filter): Empleados para almacenamiento a gran escala, es
decir para agua recolectada de grandes áreas de techo. Funcionan como
sedimentadores y filtros y son más pequeños que los tanques sedimentadores.
3. Sistema de almacenamiento: Corresponde al tanque o la cisterna en la cual se va a almacenar
el agua lluvia. Puede ser de distintos tamaños, formas, superficiales, subsuperficiales, más de
uno, etc. Es en esencia el elemento más importante y costoso de un sistema de recolección y
almacenamiento de agua lluvia. Su capacidad puede variar entre los 50 y 100,000 galones.
Su tamaño es diseñado teniendo en cuenta la demanda de agua y tratamiento de la
escorrentía que se le quiera dar.
4. Sistema de Entrega o Distribución: Corresponde al sistema mediante el cual se va a devolver
el agua lluvia al sistema de alcantarillado (control de escorrentía) o mediante el cual se va a
reutilizar dentro del predio (reuso). Muchos de los sistemas de entrega requieren de una
bomba para poder llevar el agua desde la estructura de almacenamiento hasta su destino
final, bien sea para consumo humano, irrigación o para el sistema de drenaje. Igualmente, se
debe tener un mecanismo de desbordamiento (overflow mechanism) con el fin de evacuar el
agua lluvia de exceso que puede ser almacenada en el almacenamiento. Dicho mecanismo
consta de tubería(s) conectada(s) al almacenamiento con capacidad mayor o igual que la(s)
de entrada. Asimismo, se puede tener un sistema de tratamiento o purificación, el cual
corresponde a los filtros y demás tratamientos necesarios en caso de que se requiera emplear
el agua para consumo humano.
En la siguiente imagen se puede apreciar un esquema típico acerca de un sistema de
almacenamiento/detención del agua lluvia con cada uno de los componentes descritos anteriormente.
Figura 3-1. Esquema típico de un sistema de almacenamiento/detención con cada uno de los componentes básicos (Adaptada
de [53]
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y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 41
Según lo anterior, y tal como lo resume el documento de revisión de literatura de la EPA [57], el
almacenamiento o detención del agua lluvia básicamente se puede dividir en tres grandes áreas según
su propósito: En primer lugar tiene como fin la reutilización, irrigación y consumo/reuso humano. En
segundo lugar, la reducción de los volúmenes de escorrentía, picos de caudal con el fin de prevenir
inundaciones. Y finalmente, para mejorar la calidad del agua, al reducir los contaminantes. A partir
de este momento, solo se va a hacer énfasis en la segunda área, es decir que solo se va a analizar
dicha técnica para la reducción de volúmenes de escorrentía y picos de caudal, pues este tema es el
interés fundamental de este documento.
El almacenamiento/detención, con el fin de reducir volúmenes de escorrentía y picos de caudal, es
considerada como una técnica LID (Low Impact Development) para el manejo sostenible del agua
lluvia. Al retener el agua lluvia en la fuente, estos sistemas (adoptados masivamente) ayudan a
reducir el volumen de agua que entra en el sistema de alcantarillado para cualquier evento de lluvia
considerable, ayudando así a reestablecer las condiciones hidrológicas pre-urbanización y reducir
impactos negativos como inundaciones. El almacenamiento/detención de aguas lluvias a nivel
predial mediante estructuras o tecnologías puede ser de distintas formas: pasivo, activo, superficial y
subsuperficial.
En los siguientes numerales de este capítulo (3.3. – 3.4.), se discutirán las consideraciones y criterios
de diseño más relevantes a la hora de implementar estos sistemas de almacenamiento de agua lluvia a
nivel predial.
3.3. Consideraciones de Diseño
Una gran cantidad de especificaciones y consideraciones deben ser tenidas en cuenta e influencian la
forma en la cual los sistemas de almacenamiento de agua son diseñados, construidos, operados y
mantenidos. Los siguientes numerales (3.3.1 a 3.3.3) hacen énfasis precisamente en estos aspectos
que son importantes al momento de implementar estas tecnologías. Deben ser adoptadas como
recomendaciones y no constituyen el diseño como tal, pero aun así, deben ser consideradas para el
diseño de las técnicas de almacenamiento de agua lluvia.
3.3.1. Condiciones del sitio
En cuanto a las condiciones del sitio en el cual se va a implementar una tecnología para el
almacenamiento del agua lluvia, es necesario considerar los siguientes aspectos [56]:
Espacio disponible: Limitaciones de espacio son un problema muy raro en la implementación
de sistemas de almacenamiento de agua lluvia si estos son considerados desde un principio en
la construcción. Aun así, es indispensable que el sistema de retención tenga el espacio
suficiente para poder operar adecuadamente (mecanismo de desbordamiento). Las estructuras
pueden colocarse adentro o afuera de las construcciones y pueden ser superficiales,
subsuperficiales o elevadas.
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Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 42
Cimientos de los establecimientos: Se debe garantizar que los desbordes de los sistemas de
almacenamiento se diseñen para evitar la saturación del suelo que puedan generar
asentamientos que afecten las cimentaciones de la estructura adyacente. Se recomienda que
se ubiquen a 10 pies como mínimo de las estructuras.
Altura hidráulica requerida: La altura hidráulica requerida depende directamente del uso que
se le quiera dar al agua almacenada. Cuando se requiera para irrigación de jardines o
actividades afuera del establecimiento, el tanque debe ser ubicado un poco más arriba que el
nivel del suelo. Cuando se requiera para uso interno (baños, lavandería, etc), el agua debe ser
bombeada al interior a un tanque más pequeño el cual se encargará de suministrarla a presión.
Si se requiere menor presión, el tanque puede ser ubicado encima del establecimiento para
que su abastecimiento funcione por gravedad.
Material de los techos: La calidad del agua para almacenamiento puede depender en gran
medida del material y de las condiciones del ADC, es decir de los techos. El agua almacenada
de ciertos tipos de techos, tales como de asfalto, grava, pintados, de metal galvanizado, de
metal de hoja o en general de cualquiera que contenga asbestos, puede traer consigo ciertos
metales u otros componentes tóxicos. En general no se debe almacenar el agua de este tipo de
techos para asegurar la buena calidad y funcionamiento del sistema.
Nivel freático: Para tanques subterráneos, es fundamental que éstos se ubiquen por encima
del nivel freático para evitar infiltración problemas estructurales del mismo. Para casos en
los cuales es inevitable lidiar con el nivel freático, es indispensable realizar un diseño
estructural adecuado y tomar medidas de prevención estrictas.
Topografía del sitio: La topografía del sitio es un aspecto fundamental a la hora de ubicar un
sistema de almacenamiento de agua lluvia, pues esta finalmente determina la energía y gran
parte de las características hidráulicas del sistema. Igualmente, la ubicación del tanque y la
topografía juegan un papel muy importante en la cantidad de bombeo necesario. Ubicar un
tanque en un sitio bajo puede hacer más fácil el transporte del agua desde los techos hasta
éste, pero puede requerir de un mayor bombeo. De la misma forma, ubicar un tanque en un
sitio elevado puede hacer más difícil el transporte del agua desde los techos hasta éste
(diámetros más grandes y pendientes más bajas), pero puede requerir de un menor bombeo.
Suelos: Los tanques de almacenamiento solo pueden ser colocados en los suelos propios del
sitio o de acuerdo con las especificaciones técnicas del fabricante. La capacidad portante del
suelo en el cual se va a ubicar un tanque debe ser tenida en cuenta para evitar asentamientos o
fallas en el suelo, pues el peso de un tanque lleno es considerable y puede constituir en una
carga puntual bastante elevada. Se recomienda que para tanques subterráneos grandes, se
construya una base de agregados o concreto para aumentar el área de contacto y que la carga
se distribuya.
Área de drenaje contribuyente: El área de drenaje contribuyente (ADC) generalmente
consiste solo en los techos mediante los cuales el agua escurre y llega al sistema de
almacenamiento. Áreas de parqueo y otro tipo de superficies impermeables también pueden
constituir el ADC, pero aspectos especiales de limpieza (sedimentadores, filtros, etc.) deben
ser tenidos en cuenta. El agua proveniente desde el ADC debe llegar a la estructura de
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y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 43
retención mediante tuberías o canaletas, y no por medio de otras superficies que puedan
incrementar los índices de contaminación del agua.
Calidad del agua lluvia: Se debe considerar la calidad del agua lluvia del sitio en el cual se
pretende instalar un sistema de almacenamiento, puesto que ciertas condiciones como el pH
pueden afectar la funcionalidad del mismo.
Interferencia con elementos subterráneos: Cuando se va a ubicar un tanque de
almacenamiento, es indispensable que se tengan en cuenta los posibles elementos
estructurales y no estructurales que se encuentran debajo del suelo. Dichos elementos deben
ser evitados y aislados durante la ubicación del tanque para evitar un posible desastre.
Carga vehicular: Se debe tener especial cuidado cuando se ubican tanques de almacenamiento
subterráneo en lugares en los cuales puede existir una carga vehicular. Es necesario tener en
cuenta estas cargas para evitar que el sistema colapse a mediano-largo plazo.
3.3.2. Usos del agua lluvia
Según lo anterior, y tal como lo resume el documento de revisión de literatura de la EPA [57], el
almacenamiento o detención del agua lluvia básicamente se puede dividir en tres grandes áreas según
su propósito: En primer lugar tiene como fin la reutilización, irrigación y consumo/reuso humano. En
segundo lugar, la reducción de los volúmenes de escorrentía, picos de caudal con el fin de prevenir
inundaciones. Y finalmente, para mejorar la calidad del agua, al reducir los contaminantes. Entonces,
antes de implementar un sistema de almacenamiento de agua lluvia es fundamental especificar el uso
que se le quiere dar, pues esta decisión dictaminará el tren de diseño a emplear en las futuras etapas
del proyecto.
3.3.3. Objetivos de diseño y configuraciones
Muchas variaciones pueden ser tenidas en cuenta a la hora de implementar un sistema de retención
de agua lluvia bien sea para suplir demanda interna o para controlar la escorrentía urbana. En
general, la literatura plantea tres posibles configuraciones básicas para ser tenidas en cuenta
dependiendo de las prioridades o necesidades que se requieran. Es importante aclarar que dichas
configuraciones están basadas en el uso que se le quiera dar al agua almacenada: de consumo
interno, externo y/o reducción de la escorrentía. Consumo interno hace referencia a la utilización del
agua dentro del establecimiento, es decir para actividades como lavandería, baño, e inclusive
consumo directo. Consumo externo significa la utilización del agua lluvia para actividades fuera del
establecimiento tales como lavado de carros o irrigación de jardines. Control o reducción de la
escorrentía hace referencia a alivios al sistema de drenaje. A continuación se presentan dichas
configuraciones [56]:
Configuración Sistema 1: Consumo completo interno con consumo externo opcional
La primera configuración hace referencia al uso del agua para consumo completo interno y uso
externo opcional. Debido a que no existe un uso para control de la escorrentía irrigación, el diseño
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Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 44
debe solo centrarse en el abastecimiento interno del establecimiento, es decir que debe ser equipado
con bombas o tanques de presión de ser necesario.
Figura 3-2. Configuración sistema 1: Consumo completo interno con consumo externo opcional (Fuente: [56])
Configuración Sistema 2: Consumo parcial externo con reducción y control completo de la
escorrentía
La segunda configuración hace referencia al uso del agua para consumo parcial externo y uso para la
reducción y control de la escorrentía. Las tasas de entrada y salida del tanque deben ser diseñadas
basadas en las propiedades de infiltración, área superficial y la capacidad de las demás alternativas
circundantes del control de escorrentía. Esta configuración también sirve como facilidad de despensa
de agua, para temporadas en las cuales no haya irrigación o consumo externo. En este orden de ideas,
el tanque debe proveer algún nivel mínimo de almacenamiento y reuso, acompañado de un
mecanismo de desbordamiento apropiado. En el numeral 3.4 se profundiza en los aspectos de diseño
concernientes a los tanques de almacenamiento.
Configuración Sistema 3: Consumo completo interno, consumo parcial externo con reducción y
control parcial de la escorrentía
La tercera configuración hace referencia al uso del agua para consumo completo interno, uso del
agua para consumo parcial externo y uso para el control parcial de la escorrentía. El control parcial
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de la escorrentía se lleva a cabo en los meses en los cuales no se requiere irrigación para obtener un
mayor espacio de almacenamiento.
Figura 3-3. a) Configuración sistema 2: Consumo parcial externo con reducción y control completo de la escorrentía (Fuente:
[56]), b) Configuración sistema 3: Consumo completo interno, consumo parcial externo con reducción y control parcial de la
escorrentía (Fuente: [56])
Los tanques o cisternas prefabricadas típicamente tienen capacidades que varían entre 250 a 100,000
galones. En general existen tres configuraciones básicas empleadas para suplir las necesidades de las
3 configuraciones del sistema mostradas anteriormente. Estas se muestran a continuación [56, 58]:
Configuración Tanque 1:
La primera configuración reserva la máxima capacidad de almacenamiento del tanque para
propósitos de reutilización y consumo, es decir que maximiza el volumen disponible asociado con el
volumen de tratamiento (T
V
) y el volumen empleado para suplir la demanda. El objetivo principal es
el de mejorar la calidad del agua para consumo. Un mecanismo de desbordamiento es instalado para
casos de emergencia cerca del borde superior del tanque, dejando un pequeño volumen adicional por
encima de este para casos en los cuales el nivel incremente mucho durante un evento prolongado de
lluvia.
Configuración Tanque 2:
La segunda configuración de tanque es bastante similar a la primera, pero incluye un pequeño
orificio situado debajo del mecanismo de desbordamiento para proveer mayor control ante los
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Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 46
eventos de lluvia. Este mecanismo crea un nuevo volumen adicional dedicado para la detención del
volumen de escorrentía generada ante un evento de lluvia, es decir para mitigación de inundaciones y
protección del sistema de drenaje. Debido a que este orificio más pequeño limita las tasas de
descarga, lo cual depende del almacenamiento ubicado por encima de éste, mucho menos volumen es
disponible para reutilización y consumo humano. Es decir que esta configuración es una
combinación entre el volumen dedicado a la mitigación de la escorrentía, y el volumen destinado
para reutilización y consumo humano.
En la siguiente figura se pueden apreciar dos esquemas que caracterizan la configuración de tanque 1
y configuración de tanque 2 respectivamente descritas anteriormente.
Figura 3-4. a) Esquema configuración tanque 1 (Fuente: [58]), b) Esquema configuración tanque 2: (Fuente: [58])
Configuración Tanque 3:
Esta configuración es bastante similar a la anterior, pero hace que se mantenga un constante nivel
dentro del sistema. Dicho nivel es facilitado mediante un orificio más pequeño ubicado muy cerca
del fondo del tanque y el agua que por allí sale, puede ser desviada hacia una segunda alternativa de
control de escorrentía (tal como un jardín o zanja de infiltración). El propósito de este mecanismo es
permitir que cierta parte de la escorrentía se infiltre en el suelo y llegue al nivel freático, reduciendo
de esta forma el volumen ocupado en el tanque y el volumen que llega al sistema de drenaje ante un
evento intenso de lluvia. Esta última configuración es útil para casos en los cuales la demanda no es
suficiente para drenar niveles de agua en el tanque entre eventos de lluvia. Es igualmente útil para
sitios que emplean el agua almacenada para irrigación durante parte del año y que no tienen otro tipo
de uso para la otra parte del año. En la siguiente figura se puede apreciar un esquema que caracteriza
la configuración de tanque 3 descrita anteriormente.
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Figura 3-5. Esquema configuración tanque 3 (Fuente: [56])
3.4. Criterios de Diseño
En este numeral, se van a analizar los parámetros, criterios y el tren de diseño que se tiene que tener
en cuenta para la implementación de un sistema de retención/almacenamiento de agua lluvia. Debido
a lo anterior, es necesario analizar cada componente por separado. Recordando del numeral 3.2, los
componentes básicos de estos sistemas son: área de captación, sistema de recolección y transporte,
sistema de almacenamiento y sistema de entrega o distribución.
3.4.1. Área de captación
El área de captación corresponde al área a la cual el agua lluvia cae (generalmente techos). El área de
captación generalmente consiste solo en los techos mediante los cuales el agua escurre y llega al
sistema de almacenamiento. Áreas de parqueo y otro tipo de superficies impermeables también
pueden constituir el ADC, pero aspectos especiales de limpieza (sedimentadores, filtros, etc.) deben
ser tenidos en cuenta. El agua proveniente desde el área de captación debe llegar a la estructura de
retención mediante tuberías o canaletas, y no por medio de otras superficies que puedan incrementar
los índices de contaminación del agua.
Por otro lado, la calidad del agua para almacenamiento puede depender en gran medida del material
y de las condiciones del área de captación, es decir de los techos. El agua almacenada de ciertos tipos
de techos, tales como de asfalto, grava, pintados, de metal galvanizado, de metal de hoja o en general
de cualquiera que contenga asbestos, puede traer consigo ciertos metales u otros componentes
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y volúmenes de escorrentía
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tóxicos. En general no se debe almacenar el agua de este tipo de techos para asegurar la buena
calidad y funcionamiento del sistema.
Lo más importante es poder cuantificar el agua lluvia que puede ser capturada por el área de
captación. Según [53], de una superficie estándar de un área de captación, se recolectan 0.62 galones
por cada pie cuadrado, equivalente a 25.27 litros por metro cuadrado. De todas formas, la literatura
consultada recomienda emplear el método racional para su estimación. Lo que es indispensable
conocer es el régimen promedio anual de lluvia del sitio en el cual se planea implementar el
almacenamiento. El cálculo del agua capturada por el área de captación es sencillo [54]:
En donde ac corresponde al agua capturada (L/año), p a la precipitación promedio anual (mm/año),
AC al área de captación del sistema (m²) y R al coeficiente de escorrentía del material del cual está
fabricada el área de captación (-).
Es importante mencionar que el área de captación no corresponde a todo el techo, sino solo a la
fracción conectada al sistema de almacenamiento, es decir conectada al sistema de canaletas-bajantes
que finalmente termina en la estructura de detención. A continuación se muestra un esquema general
de un área de captación típica (techo) con su área contribuyente.
Figura 3-6. Esquema general de un área de captación típica (techo) con su área contribuyente respectiva. (Adaptada de: [54])
El coeficiente de escorrentía (R) es la cantidad de agua que efectivamente escurre (o se transforma en
escorrentía) de una superficie. Por ejemplo un coeficiente de escorrentía de 0.8 significa que el 80%
del agua que efectivamente cayó en una superficie se convirtió en escorrentía, y el 20% restante se
quedó en la superficie. Superficies metálicas con pendientes más pronunciadas tienen un coeficiente
de escorrentía mayor que superficies fabricadas en concreto y con una pendiente menos pronunciada.
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y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 49
Igualmente, la evaporación en la superficie también afecta el coeficiente de escorrentía. A
continuación se presentan algunos de los coeficientes de escorrentía según distintos materiales y
áreas de captación, y que se pueden emplear para calcular el agua capturada.
Tabla 3-1. Algunos coeficientes de escorrentía según distintos materiales y áreas de captación (Adaptada de: [54])
Type of Catchment
Coefficients
Roof Catchments
Tiles
0.8 - 0.9
Corrugated metal sheets
0.7 - 0.9
Ground Surface Coverings
Concrete
0.6 - 0.8
Brick pavement
0.5 - 0.6
Untreated ground catchments
Soils on slopes less than 10%
0.1 - 0.3
Rocky natural catchments
0.2 - 0.5
El área de captación (AC) depende de la geometría de la superficie (largo y ancho) y del ángulo de
inclinación de la misma. Si el área de captación es prácticamente plana, no es necesario hacer ningún
ajuste por inclinación, y por lo tanto se calcula solamente con los parámetros geométricos. Si el área
no es simétrica, es necesario dividirla en partes a las cuales sea más fácil determinarles el área y
sumarlas todas al final. Si por el contrario, el área de captación tiene una pendiente pronunciada o
detectable, es necesario ajustarla de acuerdo con el ángulo de inclinación.
En ciertos manuales y guías acerca del almacenamiento de agua lluvia se encuentra más detallado el
procedimiento de cálculo empleado para determinar el agua capturada por un área de captación en un
sistema de estos [54, 53, 56]. Igualmente, se puede emplear el método desarrollado por la NRCS
(National Resources Conservation Service) o el método racional modificado para calcular volúmenes
y caudales de escorrentía [59, 60, 61].
3.4.2. Sistema de recolección y transporte
El sistema de recolección y transporte corresponde a la red de canaletas y bajantes mediante los
cuales se transporta el agua lluvia recolectada de los techos y demás superficies hacia la estructura de
almacenamiento. Generalmente consiste en la conexión de una o más bajantes con las canaletas que
recolectan el agua que drena de los techos. El tamaño y la pendiente de las canaletas se diseñan
dependiendo de los regímenes de lluvia de la región y del área de captación. En la Figura 3-7 se
ilustra un ejemplo típico de un sistema de recolección y transporte y un esquema general de este tipo
de sistema conformado por canaletas y bajantes.
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y volúmenes de escorrentía
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Figura 3-7. a) Ejemplo típico de un sistema de recolección y transporte
7
, b) esquema general de un sistema de recolección y
transporte conformado por canaletas y bajantes.
8
Las canaletas y bajantes pueden ser fabricadas en una gran cantidad de materiales pero el más
empleado es el policloruro de vinilo (PVC) seguido por el metal galvanizado debido a que no se
degeneran y aseguran la buena calidad del agua transportada. No deben existir zonas planas en donde
se genere estancamiento, pues eso puede generar crecimiento de mosquitos y algas. Las canaletas
deben tener una pendiente dirigida hacia la estructura de almacenamiento y ésta debe ser igual o
mayor que un centímetro por metro, es decir mayor o igual que una pendiente del 1%. El tamaño
(ancho) de las canaletas y bajantes se diseñan dependiendo del área de captación correspondiente.
Los manuales [62, 54], recomiendan la siguiente guía (basada en estudios científicos) para
determinar el tamaño de estas estructuras dependiendo del área de captación.
Tabla 3-2. Guía para el dimensionamiento de canaletas y bajantes dependiendo del área de captación (Adaptada de: [62])
Roof Area (m²)
Served by one gutter
Gutter width (mm)
Minimum diameter
of downpipe (mm)
17
60
40
25
70
50
34
80
50
46
90
63
66
100
63
128
125
75
208
150
90
Un aspecto muy importante del sistema de recolección y transporte es que debe considerar
dispositivos de pre tratamiento del agua, con el fin de evitar que sedimentos, hojas, basura y ciertos
contaminantes entren al almacenamiento. Estos dispositivos deben ser muy fáciles de mantener, y
7
Imagen extraída de la red. Disponible en línea en: http://www.rain-gutter-guide.com/gutter-downspouts.html.
Consultada el 6 de diciembre del 2013.
8
Imagen extraída de la red. Disponible en línea en: http://www.todaysfacilitymanager.com/2010/02/new-product-flash-
roll-formed-downspouts-by-mbci. Consultada el 6 de diciembre del 2013.
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y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 51
pueden existir o no dependiendo del volumen de almacenamiento. En el Capítulo 8 se profundiza
sobre sus consideraciones de operación y mantenimiento. Dentro de estos se encuentran:
Pantallas/filtros para hojas y desechos (leaf-debris screens): Pantallas filtro de aberturas grandes a
medianas que se coloca justo antes de la(s) bajante(s) y que evita que allí entren hojas y otros
desechos de tamaño considerable. Deben ser limpiadas periódicamente para asegurar su buen
funcionamiento, pues si este no se realiza, se puede taponar el sistema evitando que el agua llegue al
almacenamiento.
Pantallas de desechos/vectores (debris/vectors screens): Pantallas filtro de aberturas muy pequeñas
que se coloca justo antes del elemento de almacenamiento y en todas las salidas del mismo y que
evita que allí entren desechos de menor tamaño y mosquitos.
En la Figura 3-8 a) se muestra un esquema general de una pantalla/filtro ubicada justo antes de un
elemento de almacenamiento, b) un ejemplo típico de una pantalla/filtro de hojas y desechos ubicada
en una canaleta y c) un ejemplo típico de una pantalla/filtro de desechos y vectores ubicada en el
interior de un tanque de retención.
Figura 3-8. a) Esquema de una pantalla/filtro ubicada antes de un elemento de almacenamiento (Fuente: [54]), b) ejemplo
típico de una pantalla/filtro de hojas y desechos ubicada en una canaleta
9
y c) ejemplo típico de una pantalla/filtro de desechos
y vectores ubicada en el interior de un tanque de retención.
10
En general, las pantallas evitan que entren nutrientes dentro del sistema de almacenamiento que
puedan alimentar bacterias y otro tipo de microorganismos, los cuales si no consiguen suplementos,
se empiezan a erradicar en un periodo entre 2 y 20 días. Una pantalla/filtro debe ser durable y fácil
de remover y limpiar. Las mayormente empleadas corresponden a aquellas hechas de metal
inoxidable o de malla sintética. Igualmente, se han empleado filtros finos para remover los
sedimentos más pequeños que pueden generar sedimentación o suspensión dentro del sistema de
almacenamiento. También se ha demostrado que remueven efectivamente las bacterias. Son hechos
9
Imagen extraída de la red. Disponible en línea en: http://www.finehomebuilding.com/item/13149/simple-screen-gutter-
guards-better-than-pro-installed-systems-and-way-cheaper. Consultada el 9 de diciembre del 2013.
10
Imagen extraída de la red. Disponible en línea en: http://www.lawrence.com/weblogs/subversive-
cultivation/2009/apr/13/rain-barrels/. Consultada el 9 de diciembre del 2013.
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y volúmenes de escorrentía
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de grava, arena y filtros sintéticos. Aun así, para una lluvia tropical los filtros finos no resultan
efectivos, pues los caudales en un techo llegan a ser de 1.5 L/s, los cuales impiden el funcionamiento
de los mismos.
Desviador de primer lavado (first flush diverter): Tecnología empleada para evitar que el agua lluvia
correspondiente al primer lavado entre en el elemento de almacenamiento. Este mecanismo puede
reducir efectivamente contaminantes más pequeños y correspondientes al agua del primer lavado,
tales como polen, heces, etc.
Los desviadores de primer lavado funcionan al canalizar el primer lavado (el agua que inicialmente
escurre por el sistema de transporte) en una bajante adicional, conectada a la bajante principal del
sistema de transporte. Allí, queda almacenada el agua correspondiente al primer lavado, y una vez
ésta se llene, el agua adicional sigue fluyendo hacia la estructura de almacenamiento. En la parte
inferior del desviador, debe existir un grifo o una salida que permita drenar el agua retenida después
de cada evento de lluvia. De esta forma, se mejora la calidad del agua almacenada, pues es bien
sabido que el agua del primer lavado trae consigo bastantes contaminantes y de un tamaño tal que no
son retenidos por las pantallas o filtros. En la Figura 3-9 a) se muestra un esquema general de un
desviador de primer lavado junto con sus componentes, y b) un ejemplo típico de este tipo de
tecnología aplicado a un caso real.
Figura 3-9. a) Esquema general de la ubicación y componentes de un desviador de primer lavado (Adaptada de: [62]), b)
ejemplo típico de un desviador de primer lavado (Fuente: [63]).
Diversos diseños y referencias pueden ser encontrados en la literatura acerca de los desviadores de
primer lavado, sedimentadores y filtros pre-almacenamiento para sistemas de retención de agua
lluvia. Sin embargo, muchos de estos son raramente empleados en la práctica, porque resultan muy
difíciles de instalar y/o mantener. Debido a lo anterior, la mayoría de manuales y guías para el
almacenamiento de agua lluvia a nivel predial recomiendan básicamente dos desviadores de primer
lavado [53, 62]: el de tubo vertical y el de tubo vertical con válvula de bola.
El desviador de primer lavado más sencillo corresponde al de tubo vertical. El desviador
(generalmente de 6 a 8 pulgadas de diámetro) se llena inicialmente del agua de primer lavado, para
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Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 53
luego permitir que el agua proveniente del sistema de recolección entre en el tanque de
almacenamiento. Usualmente, debe ser drenado después de cada evento de lluvia para evacuar el
agua que allí queda, bien sea mediante un grifo o una abertura muy pequeña. El mantenimiento se
efectúa al retirar y limpiar el cubrimiento de PVC y debe ser realizado continuamente. En el Capítulo
7 se profundiza más acerca de su operación y mantenimiento.
El desviador de primer lavado de tubo vertical con válvula de bola es una variación del anterior. En
esencia funciona bajo el mismo mecanismo, con la diferencia de que en este caso, existe una bola
flotante que sella la cámara del primer lavado una vez ésta se encuentre totalmente llena. De esta
forma se evita completamente cualquier tipo de mezcla entre el agua que va a ir al almacenamiento y
aquella que fue retenida en el primer lavado. Igualmente, debe contener un mecanismo de salida
(grifo o abertura) que debe ser operado después de cada evento de lluvia para vaciar la cámara.
En la Figura 3-10 a) y b) se pueden apreciar los esquemas generales de un desviador de primer
lavado típico y uno de válvula de bola respectivamente. En la c) se observa un esquema con el
funcionamiento de un desviador de primer lavado con válvula de bola, el cual se explicó
anteriormente.
Figura 3-10. a) Desviador de primer lavado de tubo vertical (Fuente: [53]), b) desviador de primer lavado de tubo vertical con
válvula de bola (Fuente: [53]), c) esquema del funcionamiento de un desviador de primer lavado de tubo vertical con válvula de
bola (Adaptada de: [54]).
La literatura varía en cuanto a la cantidad de agua lluvia a desviar mediante esta estructura. El
periodo seco antecedente, la cantidad de desechos y el área de captación son todas variables
importantes para conocer este volumen. Existen estudios que afirman que deben desviarse 10 galones
de agua lluvia por cada 1,000 pies cuadrados de área de captación, o el equivalente a 38 litros por
cada 93 metros cuadrados. Otros indican que éste volumen debe estar entre 13 y 49 galones por cada
1,000 pies cuadrados de techo, o el equivalente entre 50 y 185 litros por cada 93 metros cuadrados.
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y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 54
La principal explicación de por qué existen tantas variaciones con respecto al agua lluvia a desviar,
se centra en la cantidad de parámetros que están involucrados y a la complejidad de su estimación
[53]. Por ejemplo otros factores importantes para su cálculo serían: intensidad de la lluvia,
inclinación del techo, el tiempo entre eventos de lluvia y la naturaleza de los contaminantes y
desechos. Es por todo lo anterior que la mayoría de manuales y guías para el almacenamiento del
agua lluvia recomiendan desviar entre uno y dos galones por cada 100 pies cuadrados o el
equivalente entre 4 y 8 litros por cada 9.3 metros cuadrados de área de captación.
Aun así, es posible calcular el volumen de agua que necesita ser desviado mediante estos
mecanismos [62, 54]. Se parte de la premisa de que se necesitan 0.5 mm de lluvia en un área de
captación para remover o lavar los desechos y contaminantes del mismo. Igualmente se supone que
el área de captación ya fue calculada como se ilustró en el numeral 3.4.1. Entonces, el volumen a
desviar se calcula mediante la siguiente ecuación:
en donde V
d
corresponde al volumen a desviar en litros, AC al área de captación en m² y P
min
a la
profundidad mínima para efectuar un lavado de contaminantes en mm. Este último valor se puede
adoptar como de 5 mm. Igualmente, es necesario calcular la longitud de la tubería vertical o de la
cámara de primer lavado. Para esto, es necesario dividir el volumen a desviar (V
d
) entre la sección
transversal de dicha cámara o tubería, que se supone como conocida (valor suministrado por el
fabricante), u obtenido como se especificó en la Tabla 3-2 si se emplea la misma bajante. De esta
forma, la longitud se calcula mediante la siguiente expresión:
en donde L
d
corresponde a la longitud de la tubería vertical del desviador en metros, r
d
al radio de la
tubería, cámara o bajante y 0.001 a un factor de conversión de unidades. La anterior ecuación puede
ser útil para determinar la cantidad de cámaras de primer lavado son necesarias en caso de que el
volumen de agua a desviar sea mayor para la capacidad de uno solo.
Tanques sedimentadores (baffle tanks o roof washers): Son colocados justo antes de que el agua
entre en el sistema de almacenamiento y son empleados para sedimentar y filtrar el material
particulado sobrante del agua que viene de las bajantes. Esta tecnología ayuda a que no se genere
acumulación de sedimentos en el sistema de almacenamiento principal y son empleadas más que
todo en sistemas que requieren de una mayor capacidad de almacenamiento.
En la Figura 3-11 a) se puede apreciar el esquema típico de un tanque sedimentador que se coloca
justo antes de la estructura de almacenamiento y b) otro tipo de tanque sedimentador que además
filtra el agua antes de que entre al elemento de retención (roof washer).
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Figura 3-11. a) Esquema típico de un tanque sedimentador colocado antes del elemento de almacenamiento (Fuente: [54]), b)
esquema típico de otro tipo de tanque sedimentador empleado (roof washer) que además posee filtro (Fuente: [53]).
Este tipo de tecnologías vienen en su mayoría prefabricadas y por lo general dependen del agua
lluvia capturada, la cual a su vez depende del área de captación y régimen de lluvia de la región. Por
ejemplo, los tanques sedimentadores anteriores pueden operar para áreas de captación entre los 1,500
y 3,500 pies cuadrados o el equivalente entre 140 y 325 metros cuadrados. Para áreas de captación
mayores a estas, se requiere efectuar un diseño propio.
Filtro/sedimentador de vórtice (vortex filter): Empleados para almacenamiento a gran escala, es
decir para agua recolectada de grandes áreas de techo. Funcionan como sedimentadores y filtros, son
más pequeños que los tanques sedimentadores pero son colocados en conjunto para que su efecto sea
mayor.
Figura 3-12. a) Instalación típica de un filtro/sedimentador de vórtice (Fuente: [56]), b) interior de un filtro/sedimentador de
vórtice (Fuente: [56]).
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y volúmenes de escorrentía
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Al igual que los tanques sedimentadores, este tipo de tecnologías vienen en su mayoría prefabricadas
y por lo general dependen del agua lluvia capturada, la cual a su vez depende del área de captación y
régimen de lluvia de la región. Son empleados más que todo para almacenamiento subsuperficial
mediante celdas. En el Capítulo 6 se profundiza en este tipo de tecnologías.
3.4.3. Sistema de almacenamiento
El sistema de almacenamiento corresponde al tanque o cisterna en la cual se va a almacenar el agua
lluvia. Puede ser de distintos tamaños, formas, superficiales, subsuperficiales, numeroso, etc. Es en
esencia el elemento más importante y costoso de un sistema de recolección y almacenamiento de
agua lluvia. Su capacidad puede variar entre los 50 y 100,000 galones. Su tamaño es diseñado
teniendo en cuenta la demanda de agua y tratamiento de la escorrentía que se le quiera dar. En el
Capítulo 5 se va a profundizar en lo referente a los materiales, tamaños y distintas configuraciones
que los tanques o cisternas de almacenamiento pueden tener con sus respectivas ventajas y
desventajas. A continuación se van a analizar los criterios de diseño más importantes para cualquier
tipo de sistema de almacenamiento de agua lluvia y algunos de sus cálculos.
Los tanques de almacenamiento por lo general son definidos dependiendo de su material, tamaño,
localización (superficiales o sub superficiales). Para casos en los cuales se diseña teniendo como
prioridad el control de la escorrentía y volúmenes de lluvia, es útil desagregar el volumen total de
una estructura de detención en cuatro volúmenes incrementales: volumen muerto, volumen asociado
con el de tratamiento (T
V
), volumen asociado con la mitigación de inundaciones y alivio al sistema
de drenaje, y volumen de desbordamiento. Dichos volúmenes son acomodados y diseñados
dependiendo del sitio y del propósito del sistema, pero el volumen total de almacenamiento
corresponderá a la suma de todos. A continuación se describe cada uno de ellos [56, 58]:
Volumen muerto: corresponde al volumen que necesita ser preservado para los sistemas de
bombeo, para que éstos puedan funcionar de una manera adecuada y previniendo que operen
en seco. El espacio entre dicho nivel y el fondo del tanque determinará el volumen muerto y
debe ser tenido en cuenta en el diseño.
Volumen asociado con el de tratamiento (T
V
): corresponde al volumen destinado para el
reuso tanto interno como externo. Si no se tiene como propósito el autoabastecimiento de
agua, este volumen se juntará con el asociado con la mitigación de inundaciones y alivio del
sistema de drenaje. Incluido en el diseño de este volumen, se encuentra el nivel del agua
asociado con el inicio de cada evento de lluvia.
Volumen asociado con la mitigación de inundaciones y alivio al sistema de drenaje: Este
volumen es opcional, si se tiene como propósito, además del autoabastecimiento y control de
escorrentía, controlar el agua lluvia de exceso para eventos muy intensos o de larga duración.
Este volumen se diseña con base en el espacio comprendido entre el pequeño orificio situado
debajo del mecanismo de desbordamiento (ver configuración tanque 2) y el orificio destinado
al desbordamiento.
Volumen de desbordamiento: este volumen es empleado para reservar espacio ante los
eventos fuertes e intensos de lluvia que van a salir por el mecanismo de desbordamiento, con
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Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 57
el fin de que el sistema no se inunde. Dicho volumen es definido mediante el espacio
comprendido entre el orificio de desbordamiento y el tope del tanque. Dentro de este espacio
estará comprendido el nivel máximo para la lluvia de diseño del tanque (generalmente con
periodo de retorno de 100 años), y el espacio adicional que se tiene en cuenta. La eficiencia
de este volumen depende en gran medida del sistema de transporte y recolección y de la
eficiencia de las estructuras de limpieza pre almacenamiento.
En la siguiente figura se puede apreciar un esquema que caracteriza los volúmenes incrementales de
diseño asociados con el dimensionamiento de la estructura de almacenamiento descritos
anteriormente
Figura 3-13. Esquema de volúmenes incrementales de diseño asociados al dimensionamiento de la estructura de
almacenamiento (Fuente: [58])
El dimensionamiento del elemento de retención depende de diversos factores: régimen de lluvia, el
material y área de la captación (techos), la demanda esperada de agua, el costo de
construcción/instalación y el grado de eficiencia que se requiera. Un sistema sub dimensionado no va
a suplir las demandas requeridas, mientras que un sistema sobre dimensionado puede nunca ser
empleado completamente.
Lo cierto es que los mejores manuales y guías de diseño reportados en la literatura [53, 62, 54] tienen
en cuenta la demanda de agua para consumo interno como uno de los parámetros fundamentales para
el dimensionamiento del elemento de almacenamiento. En estos, se plantean distintas metodologías
para su cálculo: método del periodo seco antecedente, el método simple tabular, el método gráfico, el
análisis de curva de masa, análisis adimensional y modelos basados en computador. Aun así, y
teniendo en cuenta que para este proyecto de grado la prioridad no es el consumo interno (demanda),
ni la elaboración de un procedimiento detallado de diseño, no se va a profundizar mucho en este
tema. Si se requiere dimensionar un sistema de retención de agua lluvia para suplir consumo interno
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y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 58
a la vez que reducir volúmenes de escorrentía, se recomienda revisar los manuales referenciados al
inicio de este párrafo, al igual que el manual de diseño para sistemas de recolección de agua lluvia
[64].
Para propósitos prácticos, y teniendo en cuenta que el elemento de almacenamiento solo se emplea
para reducir volúmenes de escorrentía, el dimensionamiento solo tiene en cuenta la tasa de salida y la
de entrada para una tormenta de diseño. De acuerdo con lo anterior, el pre dimensionamiento de un
sistema de retención de aguas lluvias se puede calcular empleando la siguiente expresión [11]:
en donde S es el volumen de almacenamiento en m³, V
I
es el volumen total de entrada para una
tormenta de diseño en m³ y V
O
es el volumen total de salida de la estructura de retención en m³. La
siguiente gráfica se muestra el volumen de entrada (V
I
) vs. Duración de la lluvia (D) para un periodo
de retorno particular. El volumen de salida (V
O
) también fue graficado suponiendo una descarga
constante. La diferencia entre ambas curvas corresponde al almacenamiento requerido dependiendo
de la duración del evento. La diferencia máxima entre las dos curvas corresponde al volumen de
almacenamiento requerido para el diseño.
Gráfica 3-1. Volumen de almacenamiento en función de la duración de la lluvia (Fuente: [11])
Por otra parte, en diversos estudios [65, 66, 67, 68], se pueden analizar distintas metodologías para
calcular el volumen óptimo que debe poseer un tanque de almacenamiento, dentro de un sistema de
retención de agua lluvia a nivel predial, si se tienen en cuenta un gran número de variables desde el
régimen de lluvia hasta los costos de construcción y excavación.
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3.4.4. Sistema de entrega o distribución
La entrega o distribución corresponde al sistema mediante el cual se va a devolver el agua lluvia al
sistema de alcantarillado (control de escorrentía) o mediante el cual se va a reutilizar dentro del
predio (reuso). Muchos de los sistemas de entrega requieren de una bomba para poder llevar el agua
desde la estructura de almacenamiento hasta su destino final, bien sea para consumo humano,
irrigación o para el sistema de drenaje. Igualmente, se debe tener un mecanismo de desbordamiento
(overflow mechanism) con el fin de evacuar el agua lluvia de exceso que puede ser retenida en el
almacenamiento. Dicho mecanismo consta de tubería(s) conectada(s) al almacenamiento con
capacidad mayor o igual que la(s) de entrada. Asimismo, se puede tener un sistema de tratamiento o
purificación, el cual corresponde a los filtros y demás tratamientos necesarios en caso de que se
requiera emplear el agua para consumo humano.
Recordando que para este proyecto de grado no es prioridad el consumo interno, tan solo se va a
tener en cuenta el mecanismo de desbordamiento requerido para evacuar el agua almacenada y
devolverla al sistema de drenaje. En la Figura 3-14 se pueden observar distintas configuraciones o
distintos tipos del mecanismo de desbordamiento necesario en las estructuras de almacenamiento. En
la a) y d) se encuentran la configuraciones más empleadas, en las cuales la salida se encuentra en la
parte superior del tanque y es usada una vez el tanque se llena por completo. En ambos casos, el agua
que es evacuada del sistema corresponde al agua más limpia dentro del mismo, pues el material
particulado y los contaminantes se sedimentan conforma aumenta el tiempo de retención.
Figura 3-14. Distintas configuraciones del mecanismo de desbordamiento: a) configuración estándar, b) exclusión de entrada,
c) salida de fondo y d) acción tipo sifón con limpieza superficial (Fuente: [54])
Las configuraciones b) y c) representan las mejores alternativas en cuanto a la calidad del agua que
se queda en el tanque, pues las salidas de agua se hacen directamente del fondo, lugar en el cual se
encuentra la mayor cantidad de sedimentos y posibles contaminantes dentro del sistema. Aun así, se
recomienda que no se empleen este tipo de configuraciones pues pueden generar represamiento
innecesario de agua lo que puede ocasionar crecimiento de bacterias o ineficiencia.
En el Capítulo 4, el Capítulo 5 y el Capítulo 6 se van a analizar las distintas técnicas o tipos de
sistemas de almacenamiento más empleados en la actualidad. Se trata del almacenamiento pasivo o
barriles de agua lluvia, el almacenamiento activo o cisternas/tanques de retención, y finalmente las
nuevas tecnologías que además de almacenar el agua brindan la posibilidad de infiltrarla para reducir
más efectivamente los picos de caudal y los volúmenes de escorrentía generados por la urbanización.
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4. ALMACENAMIENTO PASIVO (BARRILES DE LLUVIA)
Como se dijo anteriormente, el almacenamiento de aguas lluvias a nivel predial mediante estructuras
o tecnologías de retención puede ser de distintas formas: pasivo, activo, superficial y subsuperficial,
y puede tener distintos objetivos: para conservación del agua (reutilización), para reducir escorrentía
superficial y picos de caudal, o para reducir contaminantes y mejorar la calidad del agua. En esta
primera parte se van a analizar las tecnologías de almacenamiento pasivo, tales como los barriles de
agua lluvia (rain barrels), los cuales en su mayoría corresponden a retención superficial.
4.1. Descripción General
4.1.1. Características, tipos y componentes
Los sistemas de almacenamiento pasivo son sistemas diseñados para capturar bajos volúmenes de
escorrentía de agua lluvia (50-100 galones) que baja a través de los techos de los predios y que puede
ser empleada tanto para limpieza e irrigación de jardines, como para reducir los volúmenes de agua
que entran al sistema de drenaje [57, 69]. Dentro del almacenamiento pasivo, la tecnología
mayormente empleada es el barril de agua lluvia. Los barriles de agua lluvia son comúnmente
empleados en residencias en las cuales el agua es fácilmente captada de las bajantes de los techos
para ser almacenada. Corresponden a tecnologías de retención costo efectivas, económicas y fáciles
de mantener. Operan al retener un predeterminado volumen de escorrentía proveniente de los techos
de los predios (proveen almacenamiento permanente para un volumen de diseño), y están equipadas
con una tubería que evacúa el agua que supera la capacidad de almacenamiento del barril, y la
conduce al sistema de drenaje [48].
Debido a su pequeño tamaño y facilidad de colocación, los sistemas de almacenamiento pasivo
deben ser instalados para condiciones de sombra o bajo condiciones bajo las cuales no refleje la luz
solar directa o indirectamente en ellos, debido a que ésta actúa como un catalizador para el
crecimiento de algas afectando así la funcionalidad del sistema. Inclusive, la gran mayoría de los
barriles de agua lluvia son fabricados en colores y materiales opacos precisamente para evitar este
problema. Otro aspecto importante a tener en cuenta son los vectores y la posibilidad del crecimiento
microbiano en el interior de los sistemas. Para lo anterior, se requieren filtros especiales que no
permitan el ingreso de mosquitos a los sistemas de almacenamiento evitando así el crecimiento de
estos. Por otro lado, debido a su pequeño volumen de retención y a la falta de tratamiento, el agua
almacenada en los barriles nunca es empleada para el consumo humano (inclusive para usos no
potables) [57]. En el Capítulo 5 se va a profundizar en los aspectos de instalación, operación y
mantenimiento.
Los barriles de agua lluvia vienen en una gran cantidad de tamaños y formas y en países como
Estados Unidos y Canadá están disponibles para la compra, e inclusive existen guías para su propia
fabricación. En la siguiente imagen se pueden apreciar distintos tipos de barriles y configuraciones
existentes. En el esquema a) se ilustra el típico barril de agua lluvia (cilíndrico), mientras que en el
esquema c) se muestra un tipo de barril no cilíndrico. Igualmente, para obtener un mayor
almacenamiento de agua lluvia, estos sistemas pueden ser puestos en serie, tal y como se muestra en
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el esquema b), en el cual existe una conexión entre ambos barriles involucrados lo cual permite
almacenar agua en el segundo barril una vez el primero se haya llenado. Se pueden colocar tantos
barriles en serie como se quieran, siempre y cuando cada uno cuente con sus elementos esenciales de
funcionalidad. Nótese que cada uno de los sistemas pasivos de retención de agua lluvia mostrados
están equipados con sus componentes básicos, los cuales se mencionarán a continuación.
Figura 4-1. Diferentes tipos y configuraciones de sistemas pasivos de almacenamiento de agua lluvia: a) configuración típica de
un barril cilíndrico de agua lluvia
11
, b) configuración de un sistema de barriles de agua lluvia puestos en serie
12
y c)
configuración típica de un barril no cilíndrico de agua lluvia.
13
Los sistemas de almacenamiento pasivo de agua lluvia constan de los siguientes componentes [70,
71]:
Área de recolección de agua lluvia (rainwater catchment área): Área en la cual el agua lluvia
cae y se convierte en escorrentía que va a ser transportada al almacenamiento. Por lo general
corresponde al techo de los predios.
Canaleta (gutter): Canal pequeño que transporta la escorrentía generada en el área de
recolección (techo) hacia la bajante.
Pantalla de hojas/desechos (leaf/debris screen): Pantalla filtro de aberturas grandes a
medianas que se coloca justo antes de la bajante y que evita que allí entren hojas y otros
desechos de tamaño considerable.
11
The City of Windsor (Ontario, Canada) – Rain Barrels. Disponible en línea en:
http://www.citywindsor.ca/residents/environment/Environmental-Services/Pages/Rain-Barrels.aspx
12
Taylor Studios INC – Rain is free. Disponible en línea en:
http://www.taylorstudios.com/blog/index.php/2012/04/13/rain-is-free/
13
Hayneedle – Rain Water Solutions Green Rain Barrel. Disponible en línea en:
http://www.hayneedle.com/product/rainwatersolutions65gallongreenrainbarrel.cfm
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Bajante (down spout): Canal pequeño que transporta el agua que llega de la bajante hacia el
elemento de almacenamiento.
Desviador de primer lavado (first flush diverter): Tecnología empleada para evitar que el
agua lluvia correspondiente al primer lavado entre en el elemento de almacenamiento. El
sistema puede o no tener este componente.
Pantalla de desechos/vectores (debris/vectors screen): Pantalla filtro de aberturas muy
pequeñas que se coloca justo antes del elemento de almacenamiento y que evita que allí
entren desechos de menor tamaño y mosquitos.
Elemento de almacenamiento (storage element): El elemento de almacenamiento es el barril
como tal y comúnmente son fabricados en plástico. Aun así, pueden ser de distintos
materiales y formas, y tienen una capacidad de retención entre 50 y 100 galones.
Mecanismo de desbordamiento (overflow mechanism): La capacidad de retención de los
elementos de almacenamiento va a ser excedida para eventos considerables de lluvia. Para
ello, el mecanismo de desbordamiento debe ser considerado con el fin de evacuar el agua
lluvia de exceso que puede ser almacenada en el barril. Dicho mecanismo consiste en una
abertura colocada muy cerca de la parte superior del barril, la cual debe ser conectada
mediante una manguera o tubería que evacúe el agua bien sea hacia el sistema de drenaje o
hacia la superficie (teniendo en cuenta factores de inundación).
Mecanismo de salida (outlet mechanism): Con el fin de que el elemento de almacenamiento
cumpla con su función de controlar el exceso de lluvia, es necesario que éste se evacúe entre
eventos de lluvia. Para drenar el barril se emplea el mecanismo de salida, el cual consiste en
una abertura colocada muy cerca de la parte inferior del barril, la cual debe ser conectada
mediante una manguera o grifo que permita la salida de agua lluvia. El agua que sale por este
mecanismo será el agua empleada para lavar carros, irrigar jardines y demás usos que se le
quiera dar.
En la imagen a continuación se muestra un esquema típico de un sistema de almacenamiento pasivo
de agua lluvia (barril) con cada uno de sus componentes descritos anteriormente.
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Figura 4-2. Esquema típico de un sistema de almacenamiento pasivo de agua lluvia (barril) con sus componentes. (Adaptada
de: [70, 71, 72])
En el Capítulo 7 de este documento (Operación y Mantenimiento) se profundiza en los mecanismos
direccionados hacia la adecuada operación y mantenimiento de los sistemas pasivos de retención de
agua lluvia tales como los desviadores de primer lavado y los filtros pantalla tanto de hojas, desechos
y vectores.
A continuación se mencionan las ventajas y desventajas que presentan este tipo de sistemas.
4.1.2. Ventajas
Las ventajas y/o beneficios que puede generar un sistema pasivo de almacenamiento de agua lluvia
son bastantes. A continuación se mencionan algunas de las más importantes [70, 73]:
Los barriles de almacenamiento corresponden a tecnologías muy económicas para el control
de la escorrentía de agua lluvia y pueden ser fácilmente adquiridas o construidas por el dueño
de un predio o por una comunidad.
Muchas de las bajantes están directamente conectadas al sistema de drenaje. Al conectar
dichas bajantes a un barril de retención, se puede reducir el volumen de agua lluvia que llega
al sistema.
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Se pueden emplear para usos de suelo residencial, comercial, industrial y urbano sin ningún
tipo de problema.
Son sistemas que se operan y mantienen de manera muy sencilla por parte del dueño del
predio.
Constituye una práctica muy eficiente para reciclar el agua y ahorrar dinero del servicio de
agua al emplearla en actividades como irrigación de jardines, lavar carros, entre otros.
No generan mayor impacto visual, y al no ocupar espacio debido a su tamaño, corresponden a
tecnologías fácilmente aceptables.
4.1.3. Desventajas
A continuación se mencionan algunas de las desventajas y/o limitaciones que pueden presentar los
sistemas pasivos de almacenamiento de agua lluvia [70, 73]:
Los barriles de retención pueden almacenar relativamente poca cantidad de agua lluvia
comparada con la escorrentía que se puede generar de los techos para eventos fuertes o
prolongados de lluvia. Para poder contrarrestar este efecto es necesario que se emplee
masivamente este tipo de tecnología, o que por el contrario, se complemente con algún otro
mecanismo de manejo sostenible de agua lluvia.
Se debe tener especial cuidado con los materiales con los cuales se fabrican los barriles, pues
deben ser lo suficientemente resistentes para soportar las condiciones climáticas y lo
suficientemente adecuados para no permitir el crecimiento de algas.
Durante el invierno intenso, es necesario desinstalar los sistemas de almacenamiento pasivo
debido a que el congelamiento hace que su funcionalidad se pierda. Aun así, esta desventaja
no debe ser tenida en cuenta para localizaciones ubicadas en y cerca del trópico.
El crecimiento de insectos y mosquitos puede ser un problema importante (sobre todo en el
trópico) si no se tienen en cuenta las medidas preventivas y/o mantenimiento necesario.
A diferencia de otros sistemas para el manejo de volúmenes de escorrentía, el
almacenamiento pasivo no permite la infiltración, ni mejora notablemente la calidad del agua
que va a ser retornada al sistema de drenaje.
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4.2. Desempeño y Eficiencia
Una vez conocidas las características generales, los componentes y los tipos de sistemas pasivos de
almacenamiento de agua lluvia (barriles de lluvia), es necesario analizar el desempeño, la eficiencia
y la influencia que estas tecnologías presentan en cuanto a la cantidad y calidad del agua lluvia.
4.2.1. Desempeño en cuanto a la cantidad
A continuación se van a analizar algunos de los estudios más importantes que se han efectuado para
cuantificar el desempeño, la eficiencia y la influencia que los sistemas de almacenamiento pasivo
generan en cuanto a la cantidad del agua lluvia, es decir, en el alivio de los sistemas de drenaje por
atenuación de picos y volúmenes de escorrentía.
En un estudio, Petrucci, et al., 2012 [74], realizan un análisis hidrológico basado en un caso de
estudio, en el cual un gran número de tanques de almacenamiento de agua lluvia se instalaron en los
predios de una cuenca urbana del este de París. Allí, se lograron instalar tanques en 157 predios de
los 450 existentes para un volumen total de almacenamiento de 173 m³ (volumen de cada tanque
variaba entre 0.6 y 0.8 m³ lo cual equivaldría a colocar dos barriles de lluvia de 90-100 galones por
cada predio). Para realizar el análisis, se llevaron a cabo dos campañas de medición de lluvia-
escorrentía, una antes de la instalación de los tanques (2005) y otra después (2008), para así poder
determinar la influencia de éstos en la generación de escorrentía. El análisis se efectuó mediante un
modelo integrado de luvia-escorrentía y tenía como propósito comprobar si el almacenamiento de
agua lluvia a nivel predial aliviaba significativamente el alcantarillado existente para distintos
eventos de lluvia. Para comprobar lo anterior, se realizaron análisis de sensibilidad para evaluar el
efecto de los tanques de almacenamiento dependiendo del tipo de lluvia (periodo de retorno). Se
simularon dos lluvias, una fuerte y otra suave, y se crearon 4 posibles escenarios de operación de los
tanques:
1. Todos los tanques se encontraban llenos. Escenario equivalente a la ausencia de tanques.
2. Todos los tanques se encontraban vacíos. Escenario más favorable para cuantificar efectos.
3. Todos los techos estaban equipados con tanques vacíos. Escenario para cuantificar efecto
máximo.
4. Todos los techos estaban equipados con tanques más grandes. Escenario para cuantificar el
efecto máximo dado un volumen de almacenamiento mucho mayor por tanque.
Para el caso de la luvia suave, se logró una atenuación importante del pico de caudal de escorrentía
mediante la implementación estudiada (es decir escenarios 1 y 2), y pues obviamente mucho mayor
para el escenario 3. Por el contrario, cuando la lluvia es fuerte (gran intensidad), se pudo concluir que
la lluvia excede la capacidad de almacenamiento de los tanques (para los escenarios 1, 2 y 3). Un así,
para el cuarto escenario, la reducción en el pico de caudal de escorrentía corresponde a cerca del
10%, lo cual permitiría el alivio de las estructuras de alcantarillado existente. En la Figura 4-3 a) se
pueden apreciar los picos de caudal para un evento de lluvia suave (intensidades entre los 0 y 30
mm/h) y para los tres primeros escenarios. Claramente se observa que el escenario 3 es el que mayor
reducción de escorrentía genera, seguido por el 2. . En la Figura 4-3 b) se encuentran los mismos
resultados pero para un evento de lluvia fuerte (intensidades entre los 0 y 100 mm/h) y para los
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y volúmenes de escorrentía
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cuatro escenarios. Nótese que para los tres primeros escenarios, la reducción de volúmenes de
escorrentía es prácticamente insignificante. Un así, para el cuarto escenario, la reducción en el pico
de caudal de escorrentía corresponde a cerca del 10%, como se dijo anteriormente
Figura 4-3. Resultados del estudio [74] a) comparación escenarios para un evento de lluvia suave b) comparación de escenarios
para un evento de lluvia fuerte. (Fuente: [74])
De acuerdo con lo anterior, se observó que a medida que incrementaba la lluvia, la eficiencia de los
barriles de almacenamiento se reducía significativamente. Por esta razón, se se realizó un análisis de
sensibilidad para verificar la eficiencia de los tanques de acuerdo con el periodo de retorno de la
lluvia. Para ello se ejecutó el modelo para distintos periodos de retorno y se concluyó que
efectivamente el desempeño y funcionalidad de los sistemas se veía afectado por la intensidad de la
lluvia. Teniendo en cuenta esto, en la Figura 4-3 c) se puede observar el comportamiento del modelo
para un periodo de retrno de 2 años. Allí, se alcanza a apreciar una reducción considerable de los
volúmenes de escorrentía para el escenario 3 y una reducción más pequeña bajo el escenario 2. En la
Figura 4-3 d) se puede observar el comportamiento del modelo para un periodo de retrno de 5 años.
Nótese que bajo estas condiciones, ningún escenario alcanza a reducir un volumen de escorrentía
considerable.
Por otra parte, “The Milwaukee Metropolitan Sewerage District” (MMSD), condujo un estudio
mediante el cual se utilizaron barriles de agua lluvia en el área de drenaje del sistema de
alcantarillado combinado de la ciudad de Wisconsin, para evaluar la reducción de la recarga al
sistema, producto del almacenamiento de la escorrentía [69]. El estudio supuso 40,000 predios dentro
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y volúmenes de escorrentía
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del área de drenaje del sistema, cada uno con 1,200 pies² de área de techo y con dos barriles de 90
galones puestos en serie almacenando agua proveniente de la mitad del área de techo, es decir, de
600 pies². Se supuso que los dueños de los predios drenaban los barriles después de cada evento de
lluvia, y que dicha agua se infiltraba directamente. El estudio mostró que los barriles de agua lluvia
no generan impactos considerables en cuanto al volumen de agua lluvia atenuada al sistema de
drenaje para lluvias fuertes, pero que por el contrario, pueden reducir los costos de las plantas de
tratamiento al reducir considerablemente volúmenes a tratar a mediano-largo plazo. Se concluyó
igualmente que para prevenir inundaciones o alivios considerables a los sistemas de drenaje, es
necesario incluir otras alternativas para el manejo de la lluvia tales como jardines de infiltración o
pavimentos porosos.
Otro estudio analizado [75], intentó evaluar el desempeño de los barriles de agua lluvia y los
pavimentos porosos como tecnologías emergentes en dos cuencas urbanas de 70 y 40 km² cerca de
Indianapolis, Indiana (USA). Se plantearon 6 posibles escenarios dependiendo de las condiciones y/o
combinaciones empleadas y se simularon empleando un marco propuesto para la modelación de los
LID y un modelo de impacto hidrológico de largo plazo (L-THIA). Los escenarios modelados fueron
los siguientes:
1. Flujo base de la lluvia generada con datos hidrológicos desde 2001 hasta 2010. A partir de
este escenario se evaluaron los demás.
2. El 25% de los techos estaban equipados con barriles de agua lluvia.
3. El 50% de los techos estaban equipados con barriles de agua lluvia.
4. El 25% del área impermeable estaba equipada con pavimentos porosos.
5. El 50% del área impermeable estaba equipada con pavimentos porosos.
6. El 25% de los techos estaban equipados con barriles de agua lluvia y el 25% del área
impermeable estaba equipada con pavimentos porosos. Escenario resultante de la
combinación de los escenarios 2 y 4.
Al correr los escenarios para cada una de las cuencas urbanas, se obtuvo que para la primera, los
escenarios 2, 3, 4, 5 y 6 generaron atenuaciones en el volumen de escorrentía del orden del 6%, 11%,
3%, 5% y 8% respectivamente. El escenario que mayor impacto generó en el volumen de la
escorrentía (11% de atenuación) fue el 3 (50% de techos equipados con barriles) seguido por el 6
(25% de barriles y 25% de pavimentos porosos) que atenuó cerca del 8% del volumen.
Por el contrario, para la segunda cuenca los escenarios 2, 3, 4, 5 y 6 generaron atenuaciones en el
volumen de escorrentía del orden del 3%, 5%, 4%, 8% y 7% respectivamente. El escenario que
mayor impacto generó en el volumen de la escorrentía (8% de atenuación) fue el 5 (50% de área
impermeable equipada con pavimentos porosos) seguido por el 6 (25% de barriles y 25% de
pavimentos porosos) que atenuó cerca del 7% del volumen.
En la Figura 4-4 a) se puede apreciar la comparación de los 6 escenarios simulados para la primera
cuenca de drenaje en cuanto a los volúmenes de escorrentía y b) para la segunda cuenca de drenaje.
Nótese que se las diferencias expuestas anteriormente quedan en evidencia.
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Figura 4-4. Resultados de atenuación de volúmenes de escorrentía estudio [75] a) promedio de volúmenes de escorrentía bajo
los 6 escenarios propuestos para la cuenca urbana 1, b) promedio de volúmenes de escorrentía bajo los 6 escenarios propuestos
para la cuenca urbana 2 (Fuente: [75]).
Los resultados del estudio indican que para distintos niveles de implementación y cubrimiento de
barriles de agua lluvia, se generaron reducciones en los volúmenes de escorrentía que varían entre el
2% y el 12% del total. Por otra parte, la implementación combinada de barriles de agua lluvia junto
con pavimentos porosos constituyen una muy buena opción que debe ser tenida en cuenta para el
drenaje de cuencas urbanas, pues generan reducciones considerables en los volúmenes de
escorrentía.
En otro estudio [76], se realizó un análisis sobre el desempeño proyectado de los sistemas pasivos de
almacenamiento de agua lluvia para distintas ciudades de Estados Unidos. En este estudio se
demostró que un simple barril de agua lluvia (50 galones) instalado en cada predio de un barrio
considerado, puede reducir hasta el 12% del volumen medio anual de agua lluvia para ciudades que
se encuentran en regiones semi áridas y que no presentan eventos de lluvia tan intensos o largos.
Cuando se trata de un barril con mayor capacidad (100 galones), este valor puede llegar hasta el 14%
bajo las mismas condiciones consideradas. Por el contrario, cuando se realiza la simulación bajo el
escenario de una región húmeda con eventos de lluvia considerables, esta misma reducción del
volumen medio anual de agua lluvia no supera el 4% para barriles sencillos de 50 galones, y llega al
7% para barriles de 100 galones.
En la Figura 4-5 se pueden observar los anteriores resultados mencionados. Nótese que cuando se
emplea una cisterna de 500 galones (almacenamiento activo) en vez de los barriles de agua lluvia
(almacenamiento pasivo) se generan reducción del volumen medio anual de agua lluvia del 17% para
ciudades que se encuentran en regiones semi áridas y del 12% para regiones húmedas.
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Figura 4-5. Resultados estudio [76]. Reducciones del volumen medio anual de agua lluvia para distintas ciudades de Estados
Unidos (Adaptada de: [76]).
Igualmente, en otro estudio realizado [77], se comprueba que el almacenamiento pasivo es mucho
más efectivo en la reducción de volúmenes de escorrentía y picos de caudal a medida que la
intensidad del evento de lluvia es menor. Los resultados muestran que para eventos de lluvia con
periodos de retorno de 100 años, la reducción no alcanza a ser ni del 2%, mientras que para eventos
de lluvia con periodos de retorno de 2 años, la reducción puede llegar a alcanzar el 15-20%. Por otra
parte, si se combina este tipo de tecnologías con los denominados Best Management Practices
(BMP), las reducciones en los volúmenes de escorrentía se vuelven mucho más uniformes para
eventos de lluvia con distintos periodos de retorno y pueden llegar a valores cercanos al 40% en
promedio. Bajo este último escenario se logra prácticamente la condición hidrológica pre-
urbanización.
De acuerdo con los estudios analizados anteriormente, y a algunos otros consultados, se puede
concluir lo siguiente acerca del desempeño y eficiencia de los sistemas de almacenamiento pasivo
(barriles de lluvia) en cuanto a aspectos de reducción de volúmenes de escorrentía y picos de caudal:
Un simple barril de agua lluvia (50 galones) instalado en cada predio de una cuenca urbana
no genera impactos considerables en cuanto al volumen de agua lluvia atenuada al sistema de
drenaje para lluvias fuertes, pues para eventos de lluvia con altos periodos de retorno (100
años) dicha atenuación tan solo alcanza el 2-4% del volumen de escorrentía. Por el contrario,
ese mismo barril instalado en cada predio de una cuenca urbana, puede reducir hasta el 12%
del volumen medio anual de agua lluvia para eventos con menor periodo de retorno (2 años).
Cuando se trata de un barril con mayor capacidad (100 galones), este valor puede llegar hasta
el 14% bajo las mismas condiciones consideradas (lluvia con periodo de retorno de 2 años).
El almacenamiento pasivo es mucho más efectivo en la reducción de volúmenes de
escorrentía y picos de caudal a medida que la intensidad del evento de lluvia es menor. A
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medida que incrementa la intensidad y duración de la lluvia, la eficiencia de los barriles de
almacenamiento se reduce significativamente
La implementación de barriles de agua lluvia puede resultar ineficiente para eventos fuertes
de lluvia, pero por el contrario, y a mediano-largo plazo, pueden reducir los costos de
tratamiento de las PTARs, al reducir considerablemente los volúmenes de agua a tratar.
La implementación combinada de barriles de almacenamiento junto con otras alternativas
para el manejo de la lluvia tales como jardines de infiltración o pavimentos porosos,
constituyen una muy buena opción que debe ser tenida en cuenta para el drenaje de cuencas
urbanas, pues generan reducciones considerables en los volúmenes de escorrentía que llegan
a los sistemas de drenaje.
4.2.2. Desempeño en cuanto a la calidad
No es propósito de este documento profundizar demasiado en aspectos de calidad del agua, pero es
muy importante mencionar la capacidad que tienen los sistemas de almacenamiento pasivo en cuanto
a la reducción de cargas contaminantes y de otro tipo de indicadores de calidad del agua. Es sabido
que los barriles de lluvia no generan mayor impacto en cuanto a la atenuación de los volúmenes de
escorrentía que llegan a los sistemas de drenaje (2-12%), razón por la cual es de esperarse que
tampoco se generen mayores impactos en las reducciones de cargas contaminantes. A continuación
se van a analizar un par de estudios que evalúan la eficiencia del almacenamiento pasivo en cuanto a
la calidad del agua y se plantean las conclusiones pertinentes.
En uno de los estudios [75] analizados en el numeral 4.2.1, se intentó evaluar igualmente el impacto
que generan, en cuanto a la calidad del agua, los barriles de agua lluvia y los pavimentos porosos
usados como tecnologías emergentes en dos cuencas urbanas de 70 y 40 km² cerca de Indianapolis,
Indiana (USA). Se plantearon 6 posibles escenarios dependiendo de las condiciones y/o
combinaciones empleadas y se simularon empleando un marco propuesto para la modelación de los
LID y un modelo de impacto hidrológico de largo plazo (L-THIA). Los escenarios modelados fueron
los siguientes:
1. Flujo base de la lluvia generada con datos hidrológicos desde 2001 hasta 2010. A partir de
este escenario se evaluaron los demás.
2. El 25% de los techos estaban equipados con barriles de agua lluvia.
3. El 50% de los techos estaban equipados con barriles de agua lluvia.
4. El 25% del área impermeable estaba equipada con pavimentos porosos.
5. El 50% del área impermeable estaba equipada con pavimentos porosos.
6. El 25% de los techos estaban equipados con barriles de agua lluvia y el 25% del área
impermeable estaba equipada con pavimentos porosos. Escenario resultante de la
combinación de los escenarios 2 y 4.
Al correr los escenarios para cada una de las 2 cuencas urbanas, se obtuvo que para la primera, los
escenarios 2, 3, 4, 5 y 6 generaron atenuaciones en las cargas de fósforo total (TP) del orden del 5%,
11%, 3%, 5% y 8% respectivamente, al igual que de las cargas de nitrógeno total (TN) del orden de
6%, 12%, 3%, 6% y 9% respectivamente. El escenario que mayor impacto generó en cuanto a la
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reducción de cargas contaminantes (11% de atenuación de TP y 12% de atenuación de TN) fue el 3
(50% de techos equipados con barriles) seguido por el 6 (25% de barriles y 25% de pavimentos
porosos) que atenuó cerca del 8% de la carga del TP y del 9% de la carga del TN.
Por el contrario, para la segunda cuenca , los escenarios 2, 3, 4, 5 y 6 generaron atenuaciones en las
cargas de fósforo total (TP) del orden del 2%, 5%, 4%, 7% y 6% respectivamente, al igual que de las
cargas de nitrógeno total (TN) del orden de 3%, 6%, 4%, 8% y 7% respectivamente. El escenario que
mayor impacto generó en cuanto a la reducción de cargas contaminantes (7% de atenuación de TP y
8% de atenuación de TN) fue el 5 (50% de área impermeable equipada con pavimentos porosos)
seguido por el 6 (25% de barriles y 25% de pavimentos porosos) que atenuó cerca del 6% de la carga
del TP y del 7% de la carga del TN.
En la Figura 4-6 a) se puede apreciar la comparación de los 6 escenarios simulados para la primera
cuenca de drenaje en cuanto a los parámetros de calidad del agua (TP y TN) y b) para la segunda
cuenca de drenaje. Nótese que se las diferencias expuestas anteriormente quedan en evidencia.
Figura 4-6. Resultados de calidad del agua estudio [75] a) promedio de cargas anuales por hectárea de TP y TN bajo los 6
escenarios propuestos para la cuenca urbana 1, b) promedio de cargas anuales por hectárea de TP y TN bajo los 6 escenarios
propuestos para la cuenca urbana 2 (Fuente: [75]).
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Los resultados del estudio indican que para distintos niveles de implementación y cubrimiento de
barriles de agua lluvia, se generaron reducciones en las cargas contaminantes de fósforo total (TP) y
de nitrógeno total (TN) que varían entre el 2% y el 12% del total. Por otra parte, la implementación
combinada de barriles de agua lluvia junto con pavimentos porosos constituyen una muy buena
opción que debe ser tenida en cuenta para mejorar la calidad del agua de la escorrentía urbana.
Por otra parte, según [69], el agua almacenada en un barril de agua lluvia puede constituir en una
fuente de agua limpia, segura y confiable siempre y cuando el sistema de recolección y transporte se
encuentre debidamente construido y mantenido. Es por esto que se deben seguir las siguientes
indicaciones para garantizar una buena calidad del agua contenida dentro del barril: los materiales de
construcción de los techos no deben contener asbesto, las canaletas de recolección no deben contener
pintura o soldadura expuesta y se deben mantener periódicamente. Igualmente, y dependiendo del
lugar, se debe tener especial cuidado con el depósito seco de contaminantes del aire. El uso que se le
da al agua almacenada en los barriles (lavandería e irrigación) no requiere parámetros estrictos de
calidad, y por lo tanto no debe existir gran preocupación al respecto, a menos que se le quiera dar
otro tipo de consumo (potable), y en dado caso deberán existir estructuras de filtración y
desinfección. En el Capítulo 7 se profundiza acerca de la operación y mantenimiento de este tipo de
tecnologías.
De acuerdo con los estudios analizados anteriormente, y a algunos otros consultados, se puede
concluir lo siguiente acerca del desempeño y eficiencia de los sistemas de almacenamiento pasivo
(barriles de lluvia) en cuanto a aspectos de calidad del agua:
Un simple barril de agua lluvia (50 galones) instalado en cada predio de una cuenca urbana
puede generar reducciones en las cargas contaminantes de fósforo total (TP) y de nitrógeno
total (TN) que varían entre el 2% y el 12% del total de la carga.
El almacenamiento pasivo es mucho más efectivo en la reducción de cargas contaminantes
(TP y TN) a medida que la intensidad del evento de lluvia es menor. A medida que
incrementa la intensidad y duración de la lluvia, la eficiencia de los barriles de
almacenamiento se reduce significativamente en cuanto a esta problemática.
La implementación combinada de barriles de agua lluvia junto con pavimentos porosos
constituyen una muy buena opción que debe ser tenida en cuenta para mejorar la calidad del
agua de la escorrentía urbana.
El agua almacenada en un barril de agua lluvia puede constituir en una fuente de agua limpia,
segura y confiable siempre y cuando el sistema de recolección y transporte se encuentre
debidamente construido y mantenido. Por otro lado, el uso que se le da al agua almacenada en
los barriles (lavandería e irrigación) no requiere parámetros estrictos de calidad, y por lo tanto
no debe existir gran preocupación al respecto, a menos que se le quiera dar otro tipo de
consumo (potable), y en dado caso deberán existir estructuras de filtración y desinfección.
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5. ALMACENAMIENTO ACTIVO (TANQUES Y CISTERNAS)
En este Capítulo se van a analizar las tecnologías de almacenamiento activo, tales como las cisternas
y tanques de agua lluvia, los cuales pueden corresponder a retención superficial, subsuperficial y
pueden ser de distintos tamaños, materiales y configuraciones.
5.1. Descripción General
5.1.1. Características, tipos y componentes
Los sistemas de almacenamiento activo son sistemas diseñados para capturar altos volúmenes de
escorrentía de agua lluvia (1,000 a 100,000 galones) que baja a través de los techos de los predios y
de otras superficies tales como terrazas, andenes, zonas verdes e inclusive áreas de parqueo si se
tienen en cuenta las medidas necesarias de pre tratamiento [57]. Dichos sistemas además de controlar
la escorrentía, tienen la habilidad de tratar el agua almacenada y pueden tener la opción de contar con
un sistema posterior de abastecimiento hacia el interior de los predios. Pueden ser fabricados en
madera, plástico, metal o concreto dependiendo del tamaño requerido y de la posible ubicación.
Igualmente pueden ser instaladas debajo de la superficie del terreno (subsuperficiales) o pueden ser
colocadas superficialmente, y para tal caso, requieren las mismas especificaciones técnicas que los
barriles de agua lluvia para evitar crecimiento de algas y de mosquitos.
La implementación de este tipo de tecnologías, usualmente requiere de un gran esfuerzo de diseño
para: 1) determinar el volumen óptimo de almacenamiento dependiendo del agua recolectada y la
demanda de la misma (ver numeral 4.4.3), 2) identificar las posibles ubicaciones (ver numeral 4.3.1),
3) dimensionar el sistema de tuberías necesario para drenar el agua de almacenamiento, 4) incorporar
un sistema posterior de tratamiento del agua y 5) configurar un sistema de distribución adecuado
para suplir la demanda interna y externa [57]. Para el caso de este documento, solo interesan los 3
primeros numerales anteriores, pues no es propósito del mismo profundizar en aspectos de
tratamiento y autoabastecimiento del agua.
Actualmente, existe controversia acerca de cuál tipo de cisterna o tanque es mejor adoptar, pues estos
pueden ser superficiales o sub superficiales y de distintos materiales y formas. Construir un tanque
debajo del suelo ha resultado ser un método popular y costo eficiente. Problemas asociados con la
cimentación pueden aflorar, pero siempre y cuando se apoye el tanque sobre el estrato adecuado,
pueden ser instalados con relativa facilidad. Por otra parte pueden resultar afectados debido a ciertas
cargas superficiales, y pueden ser más difíciles de operar y mantener. En la siguiente tabla, se
resumen las ventajas y desventajas de emplear un sistema superficial vs uno sub superficial
reportadas en la literatura consultada [54, 62, 56]:
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Tabla 5-1. Ventajas y desventajas de los sistemas de almacenamiento activo superficiales vs. sub superficiales (Adaptada de:
[54, 62])
Tipo de
Almacenamiento
Ventajas
Desventajas
Superficial
Permite una fácil inspección de fugas y grietas
Requiere del espacio suficiente y adecuado
La extracción de agua puede ser por gravedad
mediante salida por grifo lo cual permite su
completo drenaje muy fácilmente
Se daña mucho más fácilmente , pues está
expuesto a las condiciones climáticas
Es mucho más barato de operar y mantener
particularmente almacenamientos pequeños
Generalmente su construcción es más costosa y
requiere de una cimentación adecuada
Puede ser colocada en elevación para incrementar
la presión del agua y reducir costos de bombeo
Si llega a colapsar o fallar, puede resultar muy
peligroso
Deben ser construidos de materiales opacos y
muy resistentes
Sub superficial
Para volúmenes pequeños puede resultar mucho
más costoso de construir
El suelo alrededor le brinda estabilidad estructural
y por lo tanto sus paredes y fondo pueden ser más
delgadas (más barato de construir)
La extracción de agua puede resultar más
problemática y costosa al requerir sistema de
bombeo
Requiere de nada o de muy poco espacio
superficial. Ideal para almacenamientos grandes
Fugas y grietas son mucho más difíciles de
detectar y corregir. Pueden resultar una amenaza
para la estabilidad del establecimiento o del
terreno
Puede ser parte de la cimentación del
establecimiento
Posible contaminación del tanque debido a
intrusiones subterráneas o agua de inundación
Posibilidad de una falla causada por raíces de
árboles
o
cualquier
otra
interferencia
subterránea existente
No se puede drenar completamente de forma
fácil
De igual forma, los sistemas activos de almacenamiento pueden ser fabricados de diversos materiales
dentro de los cuales los más comunes son los de fibra de vidrio, polietileno o plástico, acero
galvanizado o metal, concreto y madera. A continuación se mencionan las características más
importantes, sus ventajas, desventajas y la expectativa de vida útil para cada uno de estos.
Fibra de vidrio: Son muy populares en algunos lugares del mundo y tienen la ventaja de que son
muy livianos, fáciles de transportar, con una vida útil prolongada y fácilmente reparables. Aun así,
pueden resultar costosos si se compara con otro tipo de material empleado para la fabricación de
tanques y cisternas. Pueden tener problemas con el crecimiento de bacterias y algas en climas
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tropicales debido a mayor facilidad de penetración de la luz solar. Típicamente, tienen una capacidad
máxima de almacenamiento de entre 20 y 50 m³ (hasta 15,000 galones) y tienen una vida útil de
mínimo 25 años.
Plásticos (polietileno): Este tipo de tanques se han venido volviendo populares alrededor del mundo
en los últimos años. Son muy fáciles de instalar, y resultan más durables que otros materiales pues
tienen mayor tecnología anti rayos UV. Son muy fáciles de transportar debido a que son muy
livianos y flexibles. Aun así, los tanques plásticos no son tan durables como otros y pueden resultar
más costosos. Típicamente, tienen una capacidad máxima de almacenamiento de entre 25 y 35 m³
(hasta 10,000 galones) y tienen una vida útil entre 15 y 25 años.
Metal (acero galvanizado): Los tanques del metal (acero galvanizado) son usualmente prefabricados
y livianos, razones por las cuales resultan fáciles de instalar y transportar. Su popularidad se ha ido
disminuyendo debido a su corta durabilidad, la cual depende de tres factores importantes: 1) la
calidad y grosor del metal empleado para su fabricación, 2) el nivel de protección suministrado al
tanque, y 3) la calidad de la instalación y el nivel de exposición a condiciones ambientales ácidas o
salinas. Resulta una muy buena opción para localizaciones urbanas alejadas de la costa, pues de esta
forma se evitan condiciones ácidas o salinas que causen la corrosión del metal. Su capacidad de
almacenamiento es menor que la de tanques hechos de otros materiales con valores máximos hasta
de 10 m³ (2,500 galones) y tienen una vida útil promedio entre 5 y 8 años.
Concreto: Los tanques de concreto pueden ser construidos in-situ o bien pueden ser prefabricados.
Igualmente pueden ser superficiales o sub superficiales. Tanques de concreto reforzado bien
construidos son los más durables y pueden ser de cualquier tipo de tamaño. La desventaja es que
resultan muy costosos, debido a no solo el costo de los materiales necesarios para el concreto como
tal, sino al proceso de diseño y construcción de los mismos. Otro problema es que se pueden generar
grietas o fisuras, especialmente en tanques subsuperficiales y que pueden resultar difíciles de
reparar. Típicamente, tienen una capacidad máxima de almacenamiento de hasta 35 m³ (hasta 10,000
galones) y tienen una vida útil mayor a los 50 años.
Madera: En cuanto a aspectos estéticos, los tanques de almacenamiento hechos en madera
constituyen la opción más atractiva. Tienen una gran vida útil si son adecuadamente mantenidos y
pueden ser muy extensos y de gran capacidad. Aun así, resulta la opción más costosa debido al
material con el cual se construye y a la mano de obra especializada que se requiere para su
construcción in-situ. Típicamente, tienen una capacidad máxima de almacenamiento entre 100 y 140
m³ (hasta 37,000 galones) y tienen una vida útil mayor a los 80 años.
En la Figura 5-1 se pueden apreciar diferentes tipos de tanques hechos de distintos materiales y
colocados superficial y sub superficialmente. En el esquema a) se muestra una serie de tanques
hechos en fibra de vidrio, colocados sub superficialmente diseñados para almacenar una gran
cantidad de agua lluvia. En el esquema b) se pueden apreciar dos tanques en paralelo hechos de
plástico (polietileno), subsuperficiales y diseñados para captar el agua lluvia muy seguramente de un
establecimiento comercial, institucional o residencial de gran área de captación. En la c) se observa
un tanque colocado superficialmente fabricado de acero galvanizado de mucha menor capacidad.
Finalmente en la imagen d) se puede ver un tanque superficial fabricado en madera y de gran
capacidad de almacenamiento muy seguramente para uso rural.
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Figura 5-1. Diferentes tipos y configuraciones de sistemas activos de almacenamiento de agua lluvia: a) serie de tanques sub
superficiales hechos en fibra de vidrio (Fuente: [56]), b) dos tanques subsuperficiales de plástico colocados en paralelo (Fuente:
[56]), c) tanque superficial construido en acero galvanizado de menor capacidad (Fuente: [53]) y d) taque superficial
construido en madera de gran capacidad y de uso rural (Fuente: [53]).
En la Figura 5-2, se puede apreciar un esquema típico de un sistema de almacenamiento activo de
agua lluvia con sus componentes. Básicamente, este tipo de sistemas tienen los mismos elementos a
los descritos en el numeral 3.2, es decir área de captación, sistema de transporte/recolección, sistema
de almacenamiento y sistema de entrega/distribución.
El elemento 1) del esquema, corresponde al área de captación y sistema de transporte/recolección, es
decir corresponde al área de drenaje, a las canaletas, bajantes, filtros pantallas de desechos y hojas, y
al mecanismo de primer lavado (aunque este último es opcional). Los elementos 2) y 3)
corresponden al mecanismo de pre-tratamiento necesario y obligatorio de instalar para el
almacenamiento activo, pues de esta forma se garantiza la eficiencia y funcionamiento del sistema.
El elemento 4) es opcional y consiste en un dispositivo que hace que se elimine la turbulencia dentro
de la retención con el fin de mejorar las condiciones hidráulicas tanto de entrada como de salida. La
estructura 5) corresponde al elemento de almacenamiento, bien sea cisterna, tanque, superficial, sub
superficial y/o de cualquier tipo de material (simplemente es un esquema representativo). Y
finalmente, el elemento 6) es el mecanismo de desbordamiento que ya se analizó en capítulos
anteriores. Las características detalladas y las consideraciones de diseño de cada uno de estos
elementos se analizaron en los numerales 3.2 y 3.4.
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Figura 5-2. Esquema típico de un sistema de almacenamiento activo de agua lluvia (cisterna o tanque) con sus componentes
básicos (Adaptada de: [56])
A diferencia del almacenamiento pasivo, un buen diseño de un sistema activo de retención de agua
lluvia puede proveer una mayor flexibilidad para el manejo de la escorrentía debido a que estos se
diseñan de acuerdo con las características de la lluvia y la demanda del sitio en el cual se instalan. El
dimensionamiento del sistema requiere de un mayor detalle y con variables como el área de
captación, los patrones de lluvia de la región y las demandas establecidas tanto para consumo interno
como para externo. Muchos artículos y literatura consultada recomiendan el uso de un registro
mensual de la precipitación para realizar el dimensionamiento; sin embargo, los registros diarios y/o
horarios representan una mejor alternativa para poder caracterizar mejor la variabilidad espacial y
temporal de la misma [57].
En el Capítulo 7 de este documento (Instalación, Operación y Mantenimiento) se profundiza en los
mecanismos direccionados hacia la adecuada operación y mantenimiento de los sistemas activos de
retención de agua lluvia tales como los filtros pantalla tanto de hojas, desechos y vectores, y las
estructuras de pre tratamiento (desviadores de primer lavado, tanques sedimentadores y filtros de
vórtice).
A continuación se mencionan las ventajas y desventajas que presentan este tipo de sistemas.
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5.1.2. Ventajas
Las ventajas y/o beneficios que puede generar un sistema activo de almacenamiento de agua lluvia
son bastantes. A continuación se mencionan algunas de las más importantes [54, 55]:
Tienen la capacidad de proveer agua en o cerca del sitio donde se necesita o es usada,
evitando así la necesidad de tener sistemas de distribución.
Se pueden emplear superficialmente, sub superficialmente y para usos de suelo residencial,
comercial, industrial y urbano sin ningún tipo de problema.
Reducen más eficientemente los volúmenes de escorrentía y las cargas de contaminantes que
entran al sistema de drenaje reduciendo así los picos de caudal en eventos fuertes de lluvia y
mejorando la calidad del agua.
Pueden proveer de agua a la población en casos de emergencia o cuando se generen cortes del
servicio de agua.
Pueden constituir en una alternativa muy eficiente para el manejo del agua lluvia urbana para
condiciones en donde evitar el empleo de superficies impermeables es imposible o el espacio
es insuficiente (áreas altamente urbanizadas).
La construcción de un sistema de almacenamiento activo de agua lluvia es relativamente
sencillo y puede cumplir casi cualquier requerimiento.
Este tipo de almacenamiento reduce la erosión urbana.
Ayudan a reducir el pico de demanda en verano y por consiguiente retardan las expansiones
de plantas de tratamiento existentes.
5.1.3. Desventajas
A continuación se mencionan algunas de las desventajas y/o limitaciones que pueden presentar los
sistemas activos de almacenamiento de agua lluvia [54, 55]:
Un sistema activo de almacenamiento de agua lluvia con baja capacidad, limita la cantidad de
agua lluvia que puede ser retenida y por lo tanto para periodos de sequía prolongados, no
representa una tecnología confiable. Incrementar la capacidad de almacenamiento, aumenta
los costos lo cual puede generar problemas en comunidades de bajos ingresos.
Las cisternas o tanques de retención pueden almacenar relativamente poca cantidad de agua
lluvia comparada con la escorrentía que se puede generar de los techos de una población para
eventos fuertes o prolongados de lluvia. Para poder contrarrestar este efecto es necesario que
se emplee masivamente este tipo de tecnología, o que por el contrario, se complemente con
algún otro mecanismo de manejo sostenible de agua lluvia.
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y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 79
La capacidad de almacenamiento de estos sistemas necesita estar disponible para cuando se
presenta un evento de lluvia, y por esto, muchos de estos pueden resultar ineficientes para
temporadas muy lluviosas o para situaciones en las cuales no sean fáciles de vaciar
completamente.
Se debe tener especial cuidado con los materiales con los cuales se fabrica este tipo de
sistemas, pues deben ser lo suficientemente resistentes para soportar las condiciones
climáticas y lo suficientemente adecuados para no alterar la estabilidad del suelo y cumplir
con la vida útil propuesta.
Existe un gran número de consideraciones a la hora de ubicar un sistema de almacenamiento
activo de agua lluvia, razón por la cual se puede limitar la viabilidad de esta técnica.
A diferencia de las nuevas tecnologías para el manejo de volúmenes de escorrentía, el
almacenamiento activo no permite la infiltración, ni mejora notablemente la calidad del agua
que va a ser retornada al sistema de drenaje.
Las fugas de las cisternas sub superficiales pueden generar inestabilidades del terreno
causando problemas estructurales.
El almacenamiento de agua lluvia puede generar un problema si se requiere para consumo
humano y no se tienen los sistemas de potabilización requeridos.
En la mayoría de casos, no pueden ser operados y mantenidos por el mismo propietario y
resultan mucho más costosos de implementar, operar y mantener que los sistemas pasivos.
5.2. Desempeño y Eficiencia
Una vez conocidas las características generales, los componentes y los tipos de sistemas activos de
almacenamiento de agua lluvia (cisternas y tanques de lluvia), es necesario analizar el desempeño, la
eficiencia y la influencia que estas tecnologías presentan en cuanto a la cantidad y calidad del agua
lluvia.
5.2.1. Desempeño en cuanto a la cantidad
A continuación se van a analizar algunos de los estudios más importantes que se han efectuado para
cuantificar el desempeño, la eficiencia y la influencia que los sistemas de almacenamiento activo
generan en cuanto a la cantidad del agua lluvia, es decir, en el alivio de los sistemas de drenaje por
atenuación de picos y volúmenes de escorrentía.
En un estudio, Vaes & Berlamont, 2001 [78], desarrollaron un modelo conceptual para evaluar el
efecto que generan los tanques de almacenamiento de agua lluvia en la escorrentía, empleando
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información hidrológica histórica. Para ellos, el efecto que tiene la retención en la fuente del agua
lluvia para el diseño de los sistemas de drenaje, solo puede ser abordado empleando registros
hidrológicos de variabilidad temporal intrínseca debido a que los largos periodos antecedentes tienen
una gran importancia. Para incorporar dicho efecto, se creó un modelo para evaluar el impacto de los
tanques de almacenamiento en las series históricas de lluvia e incorporarlo en una lluvia compuesta
modificada. Para ello, desarrollaron un simple modelo de retención con una salida constante igual a
la demanda promedio de consumo interno y externo. Igualmente, se tuvo en cuenta una fracción α de
la lluvia que cae en el área de captación y que efectivamente llega al tanque de almanceamiento, y el
resto de la lluvia (1-α) que cae en las demás superficies impermeables y que llega directamente al
sistema de drenaje. Por otra parte, se tuvo en cuenta que una vez el tanque estuviera lleno, el agua
almacenada allí empezaría a desbordarse hasta llegar al sistema de drenaje. En la figura a
continuación se puede apreciar un sistema de almacenamiento activo mediante el cual se basasaron
en este estudio para desarrollar el modelo conceptual descrito anteriormente.
Figura 5-3. a) Esquema conceptual del funcionamiento de un sistema activo de almacenamiento (Adaptada de: [78]), b) modelo
conceptual de retención simple (Adaptada de: [78])
En la Figura 5-4, se muestra un ejemplo desarrollado en el cual se pretendió evaluar el efecto que
tenían unos tanques de almacenamiento con una capacidad igual a 5,000 L por cada m² de área
impermeable, instalados en el 30% del área impermeable total de una cuenca urbana, para una lluvia
con un periodo de retorno de 5 años. Igualmente se supuso un reuso constante de 100 L por día por
cada 100 m² de área de captación. El resultado del estudio permitió concluir que gracias a la
implementación de este tipo de tecnología, se pudo reducir el pico de caudal dentro del sistema de
drenaje de tal forma, que la lluvia evaluada con un periodo de retorno de 5 años es como si hubiera
sido equivalente a otra con periodo de retorno de 1 año.
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Figura 5-4. Resultados estudio [78]. Efecto de tanques de almacenamiento en lluvias fuertes. (Fuente: [78])
Aunque el almacenamiento de sistemas activos de retención de agua lluvia y las tecnologías de
infiltración no están completamente disponibles para eventos fuertes de lluvia (debido a su condición
de saturación), las técnicas de almacenamiento colocadas aguas arriba de un sistema de drenaje,
tienen una gran influencia en la reducción de la escorrentía. En este estudio se pudo demostrar que
los sistemas activos de retención de agua lluvia bien diseñados reducen efectivamente los picos de
caudal en sistemas de drenaje si son instalados masivamente.
En otro estudio, citado anteriormente en el numeral 4.2.1 [74], aparte de evaluar la eficiencia de los
barriles de agua lluvia en la reducción de volúmenes de escorrentia, también se planteó un escenario
4 en el cual todos los predios de la cuenca urbana estaban equipados con tanques más grandes. Es
decir que aparte de evaluar los sistemas pasivos de almacenamiento, se evaluó el efecto de los
sistemas activos. Dicho escenario se planteó para cuantificar el efecto máximo dado un volumen de
almacenamiento mucho mayor por tanque instalado. En la siguiente imagen se puede apreciar que
cuando la lluvia es fuerte (gran intensidad), se pudo concluir que la lluvia excede la capacidad de
almacenamiento de los barriles de agua lluvia. Un así, para el cuarto escenario (almacenamiento
activo), la reducción en el pico de caudal de escorrentía corresponde a cerca del 10%, lo cual
permitiría el alivio de las estructuras de alcantarillado existente.
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Figura 5-5. Resultados del estudio [74]. Efecto de la instalación de tanques más grandes sobre la reducción de picos de caudal
para eventos fuertes de lluvia. (Fuente: [74])
De acuerdo con este estudio, se observó que a medida que incrementaba la lluvia, la eficiencia de los
sistemas activos de almacenamiento se reducía, pero a una tasa mucho menor a la cual decrece la
eficiencia de los barriles de agua lluvia. Lo anterior permite concluir, que a pesar de que el
almacenamiento activo solo alcanza a reducir el 10% del volumen de escorrentíaaun para eventos
muy intensos de lluvia, resulta una técnica mucho más efectiva que el almacenamiento pasivo, si
ambos se aplican masivamente a una cuenca urbana de drenaje.
Acercándose más al contexto local, Ávila & Díaz, 2012 [40], desarrollaron un estudio para evaluar la
aplicación de sistemas urbanos de drenaje sostenible (SUDs) para la cuenca urbana de la ciudad de
Barranquilla. Recordando del numeral 2.3.3.1, el sistema hidrológico de Barranquilla forma parte de
la cuenca baja de río Magdalena, del cual extrae un caudal medio de 6.5 m³/s para su abastecimiento
generando un consumo aproximado de 4 m³/s. La cobertura de acueducto es del 99% y la de
alcantarillado del 95%, pero actualmente no existe un alcantarillado pluvial formal lo cual genera el
grave problema de los arroyos que se forman en épocas de lluvia y que afectan a miles de personas y
a la economía de la región. Por otra parte, las áreas permeables producto del desarrollo urbano son
prácticamente inexistentes lo cual agrava el problema al incrementar el caudal y el tiempo de
respuesta de los arroyos ante un evento fuerte de lluvia [37].
Teniendo en cuenta esta problemática inminente, este estudio pretendió explorar alternativas de
almacenamiento temporal domiciliario, aplicadas en forma masiva, para reducir el volumen de
escorrentía y el caudal pico. El proyecto se efectuó en una cuenca urbana de la ciudad de
Barranquilla, Colombia, denominada “cuenca del arroyo de la 93”, con un área de 396 Ha y un uso
de suelo residencial y comercial predominantemente. La respuesta hidrológica-hidráulica de la
cuenca para sus condiciones iniciales (sin implementación de SUDs) fue modelada con PCSWMM,
la topografía fue obtenida a partir de elevaciones STRM-USGS (2004) y para la ejecución del
modelo se tomaron los datos de la estación del IDEAM del Aeropuerto Cortissoz de Barranquilla.
Los resultados de la simulación bajo las condiciones pre-implementación de SUDs en términos de
respuesta hidrológica y volúmenes de escorrentía fueron obtenidos para periodos de retorno de 2, 5,
10, 25 y 50 años.
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Los sistemas de drenaje urbano sostenibles (SUDs) empleados en la modelación fueron: 1) jardines
de lluvia, 2) tanques de almacenamiento (sistemas activos) y 3) techos de almacenamiento. Los
tanques de almacenamiento empleados tenían una capacidad de retención de 5 m³, y se supuso que
para cada predio se instalaba un número de unidades proporcional a la cantidad de viviendas. En
total se simularon 5,579 tanques de almacenamiento, lo cual permitía un volumen de retención total
de 27,895 m³. Se evaluó la efectividad de cada alternativa individualmente y algunas combinaciones
entre éstas. En total se plantearon 7 posibles escenarios que se describen a continuación:
1. Solo evaluación de jardines de lluvia.
2. Solo evaluación de tanques de almacenamiento (sistemas activos).
3. Solo evaluación de techos de almacenamiento.
4. Combinación entre escenarios 1, 2 y 3(jardines, tanques y techos).
5. Combinación entre escenarios 1 y 2 (jardines y tanques).
6. Combinación entre escenarios 1 y 3 (jardines y techos).
7. Combinación entre escenarios 2 y 3 (tanques y techos).
En la Tabla 5-2, se pueden apreciar los resultados obtenidos en este estudio. Nótese que los tanques
de almacenamiento tuvieron un efecto importante en la reducción de volumen debido a que se
encontraban dispersos en toda la cuenca (masivamente) y su volumen acumulado es
significativamente alto para el área de la cuenca de estudio. Dichos tanques (escenario 2) alcanzaron
una reducción del 8.3% y del 5.40% para eventos de lluvia con periodos de retorno de 2 y 100 años
respectivamente.
Tabla 5-2. Resultados estudio [40]. Evaluación de escenarios propuestos en la reducción de volumen de escorrentía (Adaptada
de: [40])
Escenario 2
2T
25T
50T
100T
Volumen sin LID (m³)
33 448
46 474
49 219
51 829
Volumen con LID (m³)
30 666
43 697
46 444
49 053
Diferencia (m³)
2 782
2 777
2 775
2 776
Reducción (%)
8.30%
6.00%
5.60%
5.40%
Escenario 4
2T
25T
50T
100T
Volumen sin LID (m³)
33 448
46 474
49 219
51 829
Volumen con LID (m³)
28 026
40 559
43 207
45 730
Diferencia (m³)
5 422
5 915
6 012
6 099
Reducción (%)
16.20%
12.70%
12.20%
11.80%
Escenario 7
2T
25T
50T
100T
Volumen sin LID (m³)
33 448
46 474
49 219
51 829
Volumen con LID (m³)
28 462
40 982
43 630
46 150
Diferencia (m³)
4 986
5 492
5 589
5 679
Reducción (%)
14.90%
11.80%
11.40%
11.00%
Por otra parte, cuando se operan los 3 LID al tiempo (escenario 4), se obtiene la mayor reducción en
los volúmenes de escorrentía, como era de esperarse. Se obtuvieron decrementos de 14.9% para una
lluvia con periodo de retorno de 2 años y de 11.0% para una de 100 años. Es importante destacar que
cuando se evaluó el escenario 7 (solo tanques y techos de almacenamiento) se obtuvieron valores
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muy cercanos a los que reportó el escenario anterior. Esto significa que los jardines de lluvia
prácticamente no tuvieron efecto, y no constituyen una tecnología LID muy efectiva si se compara
con el almacenamiento activo.
Otra conclusión importante de este estudio fue que la reducción en los volúmenes de escorrentía es
mayor cuando se tiene un menor periodo de retorno, es decir cuando la lluvia es menos fuerte,
debido a que el volumen de precipitación es comparable en magnitud con la capacidad de
almacenamiento por infiltración. Asimismo, el rendimiento de los sistemas de almacenamiento
activo (tanques y cisternas) es mayor cuando se operan junto con otras tecnologías LID. Sin
embargo, lo anterior genera mayores costos al momento de instalar dichos sistemas en una cuenca
urbana consolidada, teniendo en cuenta que su implementación requiere de espacio y adecuación de
infraestructura existente.
En otro estudio [76], citado anteriormente en el numeral 4.2.1, se realizó un análisis sobre el
desempeño proyectado de los sistemas pasivos de almacenamiento de agua lluvia para distintas
ciudades de Estados Unidos. De la misma forma que en el estudio de Petrucci, et al., 2012 [74] , se
evaluaron los sistemas de almacenamiento activo (tanques y cisternas de almacenamiento) en cuanto
a la reducción de la escorrentía. En dicho estudio se demostró que una cisterna simple de 500 galones
(1,890 L) puede reducir en promedio cerca del 12%, es decir para ciudades que se encuentran en
regiones tanto semi áridas como húmedas. Dicho valor puede aumentar hasta cerca del 17% para
ciudades que se encuentran en regiones semi áridas y al 12% para regiones húmedas. En la siguiente
figura se pueden apreciar los resultados obtenidos del estudio.
Figura 5-6. Resultados estudio [76]. Reducciones del volumen medio anual de agua lluvia para distintas ciudades de Estados
Unidos (Adaptada de: [76]).
Finalmente, otro estudio [79], cuantificó la eficiencia de dos configuraciones distintas para un
sistema de almacenamiento activo de agua lluvia (“on-line” y “offline”) en cuanto al periodo de
retorno de la lluvia con respecto al número de desbordamientos y a su eficiencia como tal. Los
sistemas de almacenamiento activo se pueden considerar como de configuración “on-line” y por lo
tanto solo se va a discutir acerca de estos. Se tuvieron en cuenta 5 escenarios: el primero sin tener en
cuenta el almacenamiento, el segundo, tercero, cuarto y quinto con una retención de 5 m³, 25 m³, 50
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m³ y 100 m³ por cada hectárea impermeable respectivamente. En la Figura 5-7 se pueden observar
los resultados obtenidos por este estudio.
Figura 5-7. Resultados estudio [79]. a) Eficiencia de los sistemas activos de almacenamiento con respecto a distintos periodos
de retorno (Fuente: [79]) y b) duración de los desbordamientos en los sistemas activos de almacenamiento con respecto varios
periodos de retorno (Fuente: [79])
Si se observa el esquema a) de la figura anterior, es claro que a medida que la lluvia es más intensa
(mayor periodo de retorno), las eficiencias de los distintos sistemas tienden a converger cerca del
30% (para un T=100 años). Por el contrario, a medida que la lluvia es menos intensa (menor periodo
de retorno) las eficiencias tienden a converger al 100%. Lo anterior indica que los sistemas activos
de almacenamiento pierden efectividad a medida que la lluvia es más intensa, y que no importa si se
incrementa el tamaño de los mismos, su atenuación en cuanto a volúmenes de escorrentía va a tender
al mismo valor de eficiencia. Por otra parte, el estudio demostró que un almacenamiento de 100 m³
por hectárea impermeable es 100% efectivo en reducciones de volúmenes de escorrentía para lluvias
con periodos de retorno menores a 80 años. Un almacenamiento de 50 m³ por hectárea impermeable
es completamente eficiente para lluvias con periodos de retorno menores a 70 años. Por otro lado, las
de 25 y 5 m³ por hectárea impermeable resultan 100% efectivas para lluvias de baja intensidad (entre
0 y 15 años de retorno) si se compara con las demás.
Por otro lado, el esquema b) indica que, como era de esperarse, la duración de los desbordamientos
es mucho mayor para lluvias con mayores periodos de retorno, y que éstas tienden a cero (es decir
efectividad del 100%) a medida que se tiene mayor almacenamiento por hectárea impermeable.
De acuerdo con los estudios analizados anteriormente, y a algunos otros consultados, se puede
concluir lo siguiente acerca del desempeño y eficiencia de los sistemas de almacenamiento activo
(tanques y cisternas de almacenamiento) en cuanto a aspectos de reducción de volúmenes de
escorrentía y picos de caudal:
Los sistemas de almacenamiento activo colocados aguas arriba de un sistema de drenaje
tienen una gran influencia en la reducción de la escorrentía. Se pudo demostrar que los
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sistemas activos de retención de agua lluvia bien diseñados reducen efectivamente los picos
de caudal en sistemas de drenaje si son instalados masivamente. Dichas reducciones pueden
estar en promedio entre el 10% y el 17% dependiendo de muchos factores como el tamaño
del almacenamiento, el área impermeable de la cuenca, el periodo seco antecedente, etc.
Se observó que a medida que incrementaba la lluvia, la eficiencia de los sistemas activos de
almacenamiento se reducía, pero a una tasa mucho menor a la cual decrece la eficiencia de
los barriles de agua lluvia. Lo anterior permite concluir, que a pesar de que el
almacenamiento activo solo alcanza reducciones entre el 10% y 17% del volumen de
escorrentía aun para eventos muy intensos de lluvia, resulta una técnica mucho más efectiva
que el almacenamiento pasivo, si ambos se aplican masivamente a una cuenca urbana de
drenaje.
El rendimiento de los sistemas de almacenamiento activo (tanques y cisternas) es mayor
cuando se operan junto con otras tecnologías LID. Sin embargo, lo anterior genera mayores
costos al momento de instalar dichos sistemas en una cuenca urbana consolidada, teniendo en
cuenta que su implementación requiere de espacio y adecuación de infraestructura existente.
Otro tipo de tecnologías LID, tales como los jardines de lluvia y mecanismos de infiltración.
no generan el mismo efecto en cuanto a la reducción de volúmenes de escorrentía, y por lo
tanto, no constituyen una tecnología LID muy efectiva si se compara con el almacenamiento
activo.
Los sistemas activos de almacenamiento pierden efectividad a medida que la lluvia es más
intensa, y no importa si se incrementa el tamaño de los mismos, su atenuación en cuanto a
volúmenes de escorrentía va a tender al mismo valor de eficiencia. Por otra parte, la duración
de los desbordamientos es mucho mayor para lluvias con mayores periodos de retorno, y
tienden a cero (es decir efectividad del 100%) a medida que se tiene mayor almacenamiento
por hectárea impermeable.
5.2.2. Desempeño en cuanto a la calidad
No es propósito de este documento profundizar en aspectos de calidad del agua, pero es muy
importante mencionar la capacidad que tienen los sistemas de almacenamiento activo en cuanto a la
reducción de cargas contaminantes y de otro tipo de indicadores de calidad del agua. Es sabido que
los tanques y cisternas de almacenamiento generan un impacto medio en cuanto a la atenuación de
los volúmenes de escorrentía que llegan a los sistemas de drenaje (10-17%), razón por la cual es de
esperarse se generen reducciones significativas pero no completas de cargas contaminantes. Lo que
sí es de esperarse, es que los sistemas activos tengan una mayor eficiencia en cuanto al mejoramiento
de la calidad del agua que los sistemas pasivos. A continuación se van a analizar un par de estudios
que evalúan la eficiencia del almacenamiento activo en cuanto a la calidad del agua y se plantean las
conclusiones pertinentes.
En un estudio [80], se intentó evaluar la efectividad de los tanques de almacenamiento como un
potencial elemento sensible de diseño para manejar la calidad del agua lluvia en un sistema de
drenaje. Para ello, se decidió determinar las cargas de contaminantes en sistemas de drenaje a partir
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de las concentraciones generadas de un parcela residencial de la ciudad de Melbourne, Australia,
equipado con un tanque de almacenamiento para recolectar y almacenar el agua lluvia. El modelo
empleado fue el “The Model for Urban Stormwater Improvement Conceptualisation” (Music, 2007)
para poder evaluar el desempeño del tanque de almacenamiento en cuanto a aspectos de calidad del
agua.
El estudio se efectuó para un predio residencial típico (3 personas) de la ciudad de Melbourne. Se
consideró que el área de captación (techo) conectada al tanque de retención variaba entre 50 m² y
200 m². Se desarrolló un análisis de escenarios para 7 combinaciones diferentes de demanda interna
del agua, para cuantificar el porcentaje de reducción de la escorrentía, y parámetros de calidad del
agua como sólidos suspendidos totales (TSS), nitrógeno total (TN) y fósforo total (TP), si el 100% de
los predios de una parcela residencial eran conectados a un mismo tanque. Los escenarios fueron los
siguientes:
1. Un tanque de 3,000 L (800 galones) fue empleado para determinar el porcentaje de reducción
de contaminantes para distintas demandas de agua. El área de captación se consideró
constante (112.5 m²).
2. Se supuso demanda solo para sanitarios, lavandería e irrigación de jardines con variación en
el tanque de almacenamiento desde 1,000 L (270 galones) hasta 5,000 L (1320 galones). El
área de captación se consideró constante (112.5 m²).
3. Un tanque de 3,000 L (800 galones) fue empleado para distintas demandas de agua y distintas
áreas de captación que variaban entre 50 m² hasta 200 m².
Para el escenario 1, se observó que para distintas combinaciones de demanda de agua, la reducción
en TSS, TN y TP fue considerable. La reducción en sólidos suspendidos totales (TSS) fue en
promedio del 95% con un valor máximo cuando se tiene demanda combinada (sanitarios, lavandería
e irrigación de jardines) de 96.9%. La reducción en nitrógeno total (TN) fue en promedio del 67%, e
igualmente con un valor máximo cuando se tiene demanda combinada (sanitarios, lavandería e
irrigación de jardines) de 80.7%. La reducción en fósforo total (TP) fue en promedio del 83%, e
igualmente con un valor máximo cuando se tiene demanda combinada de 90.1%.
En cuanto al escenario 2, se encontró que el porcentaje de reducción en cuanto a TSS no depende del
tamaño del tanque. Aun así, para TN y TP, el tamaño del tanque es proporcional con la reducción de
estos parámetros de calidad. Cuando el tanque se varía desde 1,000 L hasta 5,000 L, la reducción del
fósforo total (TP) varía del 84% al 93%. Igualmente, cuando se varía ese mismo volumen del tanque,
la reducción del nitrógeno total (TN) varía del 68% al 87%. En el escenario 3 se observó, y como era
de esperarse, que a medida que se incremente el área de captación, las reducciones en los parámetros
de calidad del agua se reducían considerablemente. Es decir que empeoraba la calidad del agua
producto de tener mayor área de captación.
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y volúmenes de escorrentía
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Figura 5-8. Resultados estudio [80]. a) Resultados escenario 2: sensibilidad al tamaño del tanque (Fuente: [80]), b) Resultados
escenario 3: sensibilidad a variaciones en el área de captación (Fuente: [80])
El estudio anterior concluyó que existe un impacto considerable en el mejoramiento de la calidad del
agua almacenada que llega al sistema de drenaje debido a las variaciones en la demanda de la misma,
con valores promedio del 95%, 67% y 83% para sólidos suspendidos totales (TSS), nitrógeno total
(TN) y fósforo total (TP) respectivamente. Asimismo concluyó que el porcentaje de reducción en
cuanto a TSS no depende del tamaño del tanque a diferencia del TN y TP, los cuales mejoran su
reducción a medida que hay más capacidad de almacenamiento. Finalmente, las reducciones
disminuyen, es decir que empeora la calidad del agua producto de tener mayor área de captación.
Por otro lado, en uno de los estudios [79] analizados en el numeral 5.2.1, se pretendió también
evaluar la eficiencia de los tanques de almacenamiento de dos configuraciones distintas para un
sistema de almacenamiento activo de agua lluvia (“on-line” y “offline”). Para ello, emplearon la
concentración de sólidos suspendidos totales (TSS) como parámetro para cuantificar la calidad del
agua, ya que está fuertemente correlacionado a otros parámetros significativos. Se plantearon
distintos escenarios (como se describió previamente) para distintos niveles de almacenamiento: de 5
m³, 25 m³, 50 m³ y 100 m³ por cada hectárea impermeable respectivamente. Igualmente, se evaluaron
los resultados para distintos tipos de lluvias con diferentes periodos de retorno, para evidenciar la
sensibilidad hacia esta variable. En la Figura 5-9 se pueden observar los resultados obtenidos en
cuanto al parámetro analizado de calidad del agua.
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y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 89
Figura 5-9. Resultados estudio [79]. a) Eficiencia de los sistemas activos de almacenamiento en cuanto a la concentración de
TSS para distintos periodos de retorno (Fuente: [79])
La figura anterior, indica que la concentración de sólidos suspendidos totales (TSS) es mucho mayor
para lluvias con mayores periodos de retorno, y que éstas tienden a cero (es decir cero concentración)
a medida que se tiene mayor almacenamiento por hectárea impermeable. Dado lo analizado en este
estudio, se puede concluir que a medida que se tiene mayor almacenamiento y la lluvia es menos
intensa, la calidad del agua retenida mejora considerablemente. Y por el contrario, a medida que se
reduce el almacenamiento y se incrementa la intensidad de la lluvia, la calidad del agua retenida
empeora considerablemente
Otros estudios [81, 82, 83], han intentado caracterizar la calidad del agua lluvia retenida en distintos
sistemas de almacenamiento activo existentes alrededor del mundo. Básicamente se emplean los
mismos parámetros de calidad del agua analizados anteriormente y se llegan a resultados muy
similares. Si se desea profundizar en aspectos de calidad del agua, se recomienda revisar los artículos
citados.
De acuerdo con los estudios analizados anteriormente, y a algunos otros consultados, se puede
concluir lo siguiente acerca del desempeño y eficiencia de los sistemas de almacenamiento activo
(tanques y cisternas) en cuanto a aspectos de calidad del agua:
Existe un impacto considerable en el mejoramiento de la calidad del agua almacenada que
llega al sistema de drenaje debido a las variaciones en la demanda de la misma, con valores
promedio del 95%, 67% y 83% para sólidos suspendidos totales (TSS), nitrógeno total (TN) y
fósforo total (TP) respectivamente.
El porcentaje de reducción en cuanto a TSS no depende del tamaño del tanque a diferencia
del TN y TP, los cuales mejoran su reducción a medida que hay más capacidad de
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almacenamiento. Por otro lado, las reducciones disminuyen, es decir que empeora la calidad
del agua producto de tener mayor área de captación.
A medida que se tiene mayor almacenamiento y la lluvia es menos intensa, la calidad del
agua retenida mejora considerablemente. Y por el contrario, a medida que se reduce el
almacenamiento y se incrementa la intensidad de la lluvia, la calidad del agua retenida
empeora considerablemente
A diferencia del almacenamiento pasivo, el almacenamiento activo es mucho más efectivo en
la reducción de cargas contaminantes (TSS, TP y TN) tanto para lluvias de baja intensidad
como para lluvias de alta intensidad.
El agua almacenada en un tanque o cisterna de retención puede constituir en una fuente de
agua limpia, segura y confiable siempre y cuando el sistema de recolección y transporte se
encuentre debidamente construido y mantenido.
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6. NUEVAS TECNOLOGÍAS RETENCIÓN/INFILTRACIÓN (AQUACELL)
En esta Capítulo se van a analizar las nuevas tecnologías que ofrecen la opción tanto de
almacenamiento activo como de infiltración. Corresponden a sistemas modulares interconectados
con una mayor capacidad de atenuación de volúmenes y picos de caudal ante eventos de lluvia, y son
instalados sub superficialmente pues requieren de bastante espacio. En este capítulo se profundizará
sobre la tecnología “Aquacell” desarrollada por Wavin Overseas B.V.
14
e implementado en
Colombia por Pavco – Mexichem
15
.
6.1. Descripción General
6.1.1. Características, tipos y componentes
El desarrollo urbano de grandes ciudades ha tenido como consecuencia la generación de grandes
áreas superficiales impermeables tales como techos, parqueaderos y pavimentos. Como resultado, la
escorrentía superficial se ha incrementado en algunos casos cerca del 80%, generando problemas en
el manejo del agua tales como inundaciones y sobrecargas de los sistemas de drenaje. Los sistemas
modulares o las nuevas tecnologías de retención/infiltración tales como Aquacell han surgido como
respuesta ante los problemas inminentes del manejo del agua lluvia ofreciendo control en la fuente
mediante tres opciones [84]:
Control de la escorrentía superficial al ofrecer retención temporal de los excesos de agua
lluvia que se generan en un evento y limitando su descarga a los sistemas de drenaje o
directamente al cuerpo receptor.
Control de la escorrentía superficial al ofrecer infiltración del agua lluvia de exceso que se
genera en un evento. De esta forma se recarga el agua subterránea y se alivia el sistema de
drenaje.
Control de la escorrentía superficial al ofrecer reutilización del agua lluvia en actividades
externas tales como irrigación de jardines y lavado de autos, e internas tales como descarga
de sanitarios y lavandería.
Los sistemas modulares, dada su naturaleza, hacen que sea una alternativa de manejo de agua lluvia
eficiente independientemente de los requerimientos del lugar en el cual se planean instalar. Pueden
ser empelados para proveer almacenamiento para la reducción de volúmenes de agua lluvia y para
reutilización dentro del establecimiento, a la vez que pueden ofrecer infiltración. Pueden ser de
diversos tamaños, pues corresponden a unidades modulares que pueden ser conectadas dependiendo
de los requerimientos específicos del sitio. Igualmente pueden ser empleados a baja escala, es decir
para predios residenciales o para pequeñas áreas de captación, o pueden emplearse a gran escala, es
decir para predios comerciales, institucionales, parqueaderos o para grandes áreas de captación [85].
14
Wavin Overseas B.V., solutions for essentials. Disponible en línea en: www.wavinoverseas.com
15
Pavco – Mexichem. Disponible en línea en: http://www.pavco.com.co/
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El sistema Aquacell corresponde a módulos individuales de polipropileno ensamblados para formar
una estructura sub superficial empleada tanto para la detención del agua lluvia, como para su
infiltración. Estos sistemas brindan una mayor capacidad de retención y atenuación de picos de
caudal que los sistemas activos y pasivos de almacenamiento, pues pueden ser empelados a mayor
escala y para las áreas de captación que se desee.
En la Figura 6-1 se pueden apreciar distintas configuraciones de sistemas modulares de
almacenamiento/infiltración de agua lluvia. En el esquema a) se puede apreciar un sistema
convencional de la tecnología Aquacell desarollada por Wavin. Nótese que se trata de sistemas
modulares tipo caja ensamblados para formar una gran estructura. En el esquema b) se encuentra un
sistema convencional de la tecnología Chamber-Maxx desarrollada por Contech. Nótese que a
diferencia de la primera, ésta se trata de sistemas modulares tipo cilindro, que al igual que la anterior
se ensamblan para generar mayor capacidad de almacenamiento y/o infiltración.
Figura 6-1. Diferentes tipos y configuraciones de sistemas modulares de almacenamiento/infiltración de agua lluvia: a) sistema
típico de Aquacell-Wavin (Fuente: [86]), b) sistema típico de Chamber Maxx-Contech
16
A continuación se va a hacer énfasis en el funcionamiento de este tipo de sistemas y de los
componentes que los conforman. El agua lluvia que excede la capacidad del sistema convencional de
drenaje de una cuenca urbana es atenuado mediante el control de una cámara y canalizado dentro de
la estructura modular de almacenamiento/infiltración. La estructura interna de cada módulo está
diseñada para controlar el agua entrante y brindarle almacenamiento temporal. Si el material
mediante el cual se envuelve la estructura es impermeable, el agua permanece dentro del
almacenamiento hasta un punto en el cual pueda ser canalizada hacia otra cámara de control
mediante la cual se devuelve, a través de un mecanismo de desbordamiento, al sistema de drenaje
existente/convencional. Sin embargo, si la envoltura es permeable, el agua temporalmente retenida
empieza a infiltrarse a través del suelo siempre y cuando las propiedades de éste así lo permitan. Al
controlar el agua lluvia en la fuente y permitir su infiltración, no solamente se está aliviando el
sistema de drenaje tradicional de una cuenca urbana, sino que además, se está beneficiando el medio
ambiente local.
16
Imagen extraída de la red. Disponible en línea en: http://www.conteches.com/products/stormwater-
management/detention-and-infiltration/chambermaxx.aspx#1862188-case-studies. Consultada el 13 de diciembre del
2013.
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y volúmenes de escorrentía
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En la Figura 6-2 se puede apreciar un esquema típico sobre el funcionamiento y los componentes
básicos de un sistema modular de retención/infiltración de agua lluvia. Nótese que este tipo de
tecnologías cuentan con los cuatro componentes básicos de cualquier sistema de captación del agua
lluvia que son: 1) captación y transporte (collecting), 2) separación (separation), 3) sistema de
almacenamiento (detention) y 4) sistema de entrega o distribución (usage). A continuación se
profundiza en estos componentes básicos junto con los elementos que conforman cada uno:
1. Captación y transporte (collecting): La captación corresponde al área a la cual el agua lluvia cae,
y el transporte y recolección corresponde a los elementos mediante los cuales el agua es
transportada y dirigida hacia el almacenamiento. Para este tipo de sistemas, el área de captación
pueden ser techos, pavimentos/parqueaderos y áreas correspondientes a estaciones petroleras o de
manejo de hidrocarburos. Para este caso solo se van a tener en cuenta las dos primeras. En los
numerales 3.2 y 3.4 se especificaron las características detalladas y consideraciones de diseño de
este componente.
Figura 6-2. Esquema típico de un sistema modular de almacenamiento/infiltración de agua lluvia (Aquacell-Wavin) con sus
componentes básicos (Fuente: [44, 86])
2. Separación (separation): Un aspecto muy importante de todo sistema modular de
retención/infiltración es que debe considerar dispositivos de pre tratamiento del agua, con el fin
de evitar que sedimentos, hojas, basura y ciertos contaminantes entren al almacenamiento. Estos
dispositivos deben ser muy fáciles de mantener, y deben existir para asegurar el buen
funcionamiento y eficiencia del sistema. En el numeral 3.4 se mencionaron algunos de estos
dispositivos de pre tratamiento como las pantallas/filtro para hojas, desechos e insectos,
desviadores de primer lavado, tanques sedimentadores y filtros de vórtice.
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Para los sistemas modulares de almacenamiento/infiltración tales como el Aquacell, deben existir
distintos métodos de pre tratamiento dependiendo del origen del sistema de captación y
transporte. Si la captación se realizó en techos, es recomendable emplear un separador de hojas,
que bien pueden ser las pantallas/filtro para hojas y desechos especificados en el numeral 3.4, o
algunas otras un poco más sofisticadas. Igualmente es necesario, aparte del mecanismo de
separación de hojas y desechos, tener un sedimentador o separador de sedimentos (silt separator).
En la Figura 6-3 a-1 y a-2) se puede observar un separador pequeño de sedimentos (desarrollado
por Wavin) y su funcionamiento. Estos se emplean para aplicaciones más reducidas, es decir para
áreas de captación y almacenamientos no tan grandes. Funcionan cuando las velocidades son lo
suficientemente bajas para permitir que se sedimente el material particulado dentro de estos, y si
las velocidades son mayores, pierden su eficiencia y dejan de filtrar al agua adecuadamente [44,
87]. El agua entra por una tubería de entrada, luego de haber pasado por el separador de hojas, e
ingresa dentro de una cámara. Allí, el agua se va acumulando, sube el nivel, y es filtrada
mediante un filtro especial. El agua filtrada, es evacuada mediante una tubería de salida y es
dirigida hacia el elemento de almacenamiento. Por el contrario, en la Figura 6-3 b) se encuentra
un separador hidrodinámico combinado desarrollado por Wavin, el cual se emplea más para
aplicaciones a una mayor escala, es decir cuando el área y el elemento de almacenamiento son
mayores. Estos separadores funcionan mejor para velocidades y volúmenes mayores. Su
funcionamiento es muy similar al del sedimentador pequeño, a diferencia que éste no emplea un
filtro para mejorar la calidad del agua, sino que por el contrario, emplea un mecanismo
hidrodinámico el cual hace que se sedimente el material particulado; el agua relativamente limpia
quede en la parte superior donde es finalmente evacuada. En el Capítulo 7 se profundizará en
aspectos de operación y mantenimiento de estos sedimentadores.
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Figura 6-3. Dos tipos de separadores de sedimentos. a-1) separador pequeño de sedimentos (Silt Trap 6LB600 Wavin) (Fuente:
[84]), a-2) funcionamiento del separador pequeño de sedimentos (Adaptada de: [44]) y b) separador hidrodinámico combinado
de sedimentos (Wavin) (Fuente: [44])
Por otro lado, si la captación se realizó en pavimentos y/o parqueaderos, es recomendable
emplear un separador de hojas/sedimentos denominado “gully”. Esta tecnología es empleada para
evitar que los sedimentos y contaminantes del agua recolectada en pavimentos y parqueaderos
entre a los sistemas de almacenamiento. Funcionan muy parecido al primer separador mostrado
en la figura anterior, pero tienen una zona de separación un poco menor, razón por la cual es
necesario colocar varios de estos a lo largo de un área de captación. Igualmente, pueden recibir el
agua directamente del pavimento mediante un cubrimiento colocado en su parte superior, el cual
se encarga de filtrar el agua para retener sólidos más grandes como hojas y desechos. La cantidad
de metros cuadrados, o el área de drenaje aferente a cada separador tipo “gully” depende de la
naturaleza de la superficie, de la pendiente y de la intensidad de la lluvia. Por ejemplo, para un
área de captación construida en asfalto convencional, el área aferente a cada sedimentador varía
entre 300 y 400 m². Los separadores tipo “gully” de Wavin tienen cámara de retención de sólidos
con una capacidad de 45 litros, para una remoción total de 130 a 140 toneladas de residuos al
año, y tienen dimensiones aproximadas de 53 a 83 cm de alto y 40 cm de ancho [87, 88]. En la
Figura 6-4 a) se puede observar la instalación convencional de un separador de este tipo y en el
esquema b) se puede apreciar una vista exterior, interior y dos cubrimientos típicos de estas
tecnologías ofrecidas por Wavin. La operación y mantenimiento de este tipo de separadores es
muy sencillo y económico, pero en el Capítulo 7 se profundiza en estos aspectos.
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Figura 6-4. Separadores de hojas/sedimentos tipo “gully”. a) Gully convencional puesto en campo (Fuente: [88]), b) vista
exterior e interior del colector y dos tipos de cubrimientos de un separador de hojas/sedimentos tipo “gully” (Fuente: [88])
Finalmente, si la captación se realizó en una superficie expuesta a aceites y/o hidrocarburos
(como una estación petrolera, una gasolinera, etc.) es necesario emplear un separador mucho más
especializado que sea capaz de remover estas sustancias. Para eso se emplea un separador de
aceites, pero no se va a profundizar en este tipo de estructuras.
3.
Sistema de almacenamiento (detention): Corresponde a las unidades modulares ensambladas en
las cuales es retenida el agua lluvia proveniente de las estructuras de separación. Es en esencia el
elemento más importante y costoso de este tipo de sistemas. Su capacidad de almacenamiento
total puede ser tan grande como se quiera hasta alcanzar valores entre 1,500 y 2,500 m³ para
macro-proyectos. La unidad de Aquacell (Wavin) es fabricada en polipropileno, es de forma
modular (dimensiones 1.0 m x 0.5 m x 0.40 m), liviana (9 kg de peso) y con una capacidad del
95%, es decir de 185 litros. Las unidades de Aquacell son grapadas en capas simples o
sobrepuestas en múltiples capas. Cuando se requiere solamente retener el agua, es necesario
envolver el sistema modular mediante una geomembrana que evite el intercambio hidráulico
suelo/Aquacell. Cuando se busca, además del almacenamiento, infiltración hacia el terreno, se
debe envolver en un geotextil especial que permita el intercambio hidráulico entre suelo-
Aquacell [84]. En la Figura 6-5 a) se puede apreciar la unidad básica del sistema modular
Aquacell con sus respectivas dimensiones. En el esquema b) se encuentra un ejemplo de
instalación y ensamblaje de este tipo de estructuras, y en el esquema c) se encuentra un sistema
ensamblado con sus respectivos elementos. El sistema de almacenamiento, es decir las unidades
modulares, no requieren de ningún tipo de operación y/o mantenimiento (resulta imposible), por
lo cual el proceso de separación previo debe ser muy eficiente.
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Figura 6-5. a) Unidad básica del sistema Aquacell (Wavin) con sus dimensiones (Fuente: [85]), b) ejemplo de instalación del
sistema modular Aquacell (Wavin) (Fuente: [86]), c) componentes básicos de un sistema ensamblado por unidades Aquacell
(Wavin) (Fuente: [85])
4. Sistema de entrega o distribución (usage): Corresponde al sistema mediante el cual se va a
devolver el agua lluvia al sistema de drenaje (control de escorrentía) o mediante el cual se va a
reutilizar dentro del predio (reuso). Para este caso, solo se va a tener en cuenta la utilización de
esta tecnología para el manejo de la escorrentía y por lo tanto no se profundiza en aspectos de
reutilización. El mecanismo tanto de entrada como de salida corresponde a una cámara de
inspección que tiene un mecanismo de control de flujo, mediante el cual el agua entra desde la
estructura de separación hacia el elemento de almacenamiento o hacia al sistema de drenaje
existente.
Las cámaras de inspección pueden ser de tipo convencional construidas en concreto in-situ, o
pueden ser prefabricadas, siempre y cuando ambas tengan el mecanismo de control de flujo que
envía el agua desde y hacia el sistema de almacenamiento modular. En la Figura 6-6 a) se puede
apreciar una configuración típica de una cámara construida en concreto colocada justo después
del almacenamiento modular Aquacell, y en el esquema b) se encuentra una cámara Novacam-
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100, que recomienda emplear Pavco-Wavin para la entrega del agua hacia y desde la retención
[87].
Figura 6-6. Distintos elementos que componen el sistema de entrega en un sistema modular de almacenamiento/infiltración. a)
Cámara de inspección tradicional construida en concreto y con un mecanismo de control (Fuente: [85]), b) cámara de
inspección Novacam-1000 (Wavin) (Fuente: [89]).
En el Capítulo 7 de este documento se profundiza en los mecanismos direccionados hacia la
adecuada operación y mantenimiento de las estructuras de pre tratamiento de los sistemas modulares
de retención/infiltración de agua lluvia tales como los separadores pequeños, los separadores
hidrodinámicos y los separadores tipo “gully”.
A continuación se mencionan las ventajas y desventajas que presentan este tipo de sistemas.
6.1.2. Ventajas
Las ventajas y/o beneficios que puede generar un sistema modular de almacenamiento/infiltración de
agua lluvia son muchas. A continuación se mencionan algunas de las más importantes [85, 86]:
Al controlar el agua lluvia en la fuente y permitir su infiltración, no solamente se está
aliviando el sistema de drenaje tradicional de una cuenca urbana, sino que además, se está
beneficiando el medio ambiente local.
Reducen significativamente los riesgos de inundación en una cuenca urbana altamente
impermeabilizada, y las consecuencias que estas situaciones generan, pues tienen una
altísima capacidad de almacenamiento.
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Tienen un sistema aeróbico, que junto con la alta sedimentación de material particulado
producto del gran volumen de almacenamiento, mejoran significativamente la calidad de la
escorrentía urbana después de un evento de lluvia.
Reducen más eficientemente los volúmenes de escorrentía y las cargas de contaminantes que
entran al sistema de drenaje reduciendo así los picos de caudal en eventos fuertes de lluvia y
mejorando la calidad del agua.
Proveen una alta infiltración al suelo natural lo que ocasiona una recarga subterránea muy
beneficiosa para la extracción de la misma.
Corresponden a sistemas sostenibles y costo efectivos para el manejo del agua lluvia, pues
son fáciles de instalar, muy resistentes y de alta flexibilidad en su fabricación.
6.1.3. Desventajas
A continuación se mencionan algunas de las desventajas y/o limitaciones que pueden presentar los
sistemas modulares de almacenamiento de agua lluvia:
La capacidad de almacenamiento de estos sistemas necesita estar disponible para cuando se
presenta un evento de lluvia, y por esto, muchos de estos pueden resultar ineficientes para
temporadas muy lluviosas o para situaciones en las cuales no sean fáciles de vaciar
completamente.
Se debe tener especial cuidado con las características del suelo y de las cargas a las cuales
está sometido un sistema modular, pues un mal diseño puede desencadenar una falla
estructural del sistema ocasionando una catástrofe.
Existe un gran número de consideraciones a la hora de ubicar un sistema de almacenamiento
modular de agua lluvia, razón por la cual se puede limitar la viabilidad de esta técnica.
Fugas mal direccionadas de los sistemas modulares pueden generar inestabilidades del
terreno causando problemas estructurales.
El almacenamiento de agua lluvia puede generar un problema si se requiere para consumo
humano y no se tienen los sistemas de potabilización requeridos.
En todos los casos, no pueden ser operados ni mantenidos por el mismo propietario y resultan
mucho más costosos de implementar, operar y mantener que los sistemas activos y/o pasivos.
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6.2. Consideraciones de Diseño
En este capítulo, se van a analizar los parámetros, criterios y el tren de diseño que se tiene que tener
en cuenta para la implementación de un sistema modular de retención/infiltración de agua lluvia.
1. Captación y transporte (collecting)
En primer lugar, es necesario determinar el área de captación. Luego, se calcula el caudal de
escorrentía generado por dicha área teniendo en cuenta las consideraciones de diseño necesarias.
Finalmente se determina el volumen de escorrentía generada para una lluvia de diseño. Se
recomienda emplear el método desarrollado por la NRCS (National Resources Conservation
Service) o el método racional modificado para calcular volúmenes y caudales de escorrentía. En
el numeral 3.4.1 se encuentra más detallado el procedimiento y las referencias de profundización
necesarias para calcular el volumen de escorrentía a almacenar.
En el numeral 3.4.2, se especificaron las consideraciones de diseño a tener en cuenta a la hora de
implementar un sistema de recolección y transporte adecuado para el almacenamiento del agua
lluvia. Si la captación corresponde a áreas pequeñas, como techos residenciales, es recomendable
emplear el sistema de canaletas y bajantes descrito en dicho capítulo. Sin embargo, para los
sistemas modulares de almacenamiento/infiltración para los cuales el área de captación es grande
(estadios, aeropuertos, escenarios, etc.) es recomendable emplear un sistema de flujo rápido
(quickstream system). En la Figura 6-7 a) se puede observar un sistema tradicional de
recolección y transporte compuesto por canaletas y bajantes en el cual se genera una mezcla entre
aire y agua, lo cual produce vórtices al inicio de las bajantes. Lo anterior causa que la acción
sifónica pierda efectividad y el agua llegue mucho más lentamente al elemento de
almacenamiento. En el esquema b) se encuentra el sistema de flujo rápido en el cual solo agua
fluye a través de las canaletas y bajantes. Allí, no existe mezcla con el aire, lo cual hace que no se
generen vórtices al inicio de las bajantes y que la acción sifónica sea mucho más eficiente al
transportar el agua más rápido al elemento de almacenamiento [90, 87]. Sin embargo, para
pequeñas áreas de captación, la diferencia no es tan notoria y por lo tanto con un sistema
convencional es suficiente.
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Figura 6-7. a) sistema tradicional de recolección y transporte vs b) sistema de flujo rápido (quickstream system) (Fuente: [90])
Para profundizar en aspectos de diseño del sistema de recolección y transporte de flujo rápido se
recomienda revisar el artículo desarrollado por Frans Alferink de Wavin Overseas [90].
2. Separación (separation): Para lograr el óptimo desempeño del sistema de almacenamiento
usando las Aquacells (Wavin-Pavco), se requiere de estructuras complementarias que
permitan la inspección y limpieza del sistema. Dichas estructuras complementarias
básicamente son dos cámaras de inspección, una con el fin de “romper” el flujo (eliminar el
vacío producido en el sistema sinfónico y convertir el flujo a superficie libre) y otra con el fin
de separar los sedimentos y basuras (estructura que permite la limpieza e inspección) [91,
87]. En la Figura 6-8 se presenta el esquema de conexión (esquema básico de diseño) entre el
sistema de recolección y transporte y el de almacenamiento (Aquacell). Al inicio del sistema
de recolección y transporte se encuentra el separador de hojas y desechos que elimina la
mayor cantidad posible de grandes. Sin embargo, pequeñas partículas sólidas y limos pasan a
través de este filtro.
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Figura 6-8. Esquema básico de diseño/ubicación de estructuras de quiebre y separación en un sistema modular de
retención/infiltración (Adaptada de: [91])
Una vez el flujo a presión atraviesa la bajante, es necesario implementar una cámara de
quiebre encargada de romper el vacío generado por el sistema sinfónico, aquietando el flujo y
convirtiéndolo a flujo por gravedad. Dicha estructura de quiebre puede corresponder a una
cámara de inspección como las que se mencionaron en el capítulo anterior (numeral 6.1.1), y
cada bajante debe tener su estructura de quiebre correspondiente. Posteriormente, se tiene una
cámara de separación que permite la separación de sólidos. Dicha cámara puede corresponder
a una cámara como la anterior de mayor capacidad, o puede corresponder a un separador
pequeño o un separador hidrodinámico combinado si la captación se realizó en techos. Si la
captación se realizó en pavimento, es recomendable solo emplear separadores tipo “gully” a
una distancia según el área aferente (ver numeral 6.1.1 para mayor detalle).
3. Sistema de almacenamiento (detention): Para calcular el número de unidades modulares
requeridas para almacenamiento, simplemente es necesario dividir el volumen de escorrentía
generado (calculado anteriormente) por la capacidad de una celda (185 L). En lo posible y
siempre y cuando haya espacio, se debe buscar una configuración tal que haga que el número
de celdas puestas verticalmente sea mínimo, expandiendo lo máximo posible la ubicación
horizontal del sistema. Debido a diversas consideraciones de diseño, tales como profundidad
mínima y máxima de ubicación, tipo de suelo, carga vehicular, etc., Wavin desarrolló 3
distintos tipos de celdas que deberán ser empleadas dependiendo de las condiciones del sitio
y las consideraciones de diseño mencionadas:
Aquacell plus: Es la celda de color azul claro, empleada para grandes profundidades o
en sitios con gran carga vehicular, pues posee una capacidad de carga mayor. Tiene una
capacidad de carga vertical de 65 ton/m² y lateral de 8.55 ton/m² y una profundidad
máxima de instalación de las celdas base de 5.08 m.
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y volúmenes de escorrentía
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Aquacell core: Es la celda de color azul oscuro, empleada para profundidades medias o
sitios con carga vehicular moderada, pues posee una capacidad media de carga. Tiene
una capacidad de carga vertical de 56 ton/m² y lateral de 7.75 ton/m² y una profundidad
máxima de instalación de las celdas base de 4.25 m.
Aquacell lite: Es la celda de color verde, empleada para profundidades bajas o sitios sin
carga vehicular, es decir para zonas verdes o descubiertas, pues posee una capacidad
baja de carga. Tiene una capacidad de carga vertical de 17.5 ton/m² y lateral de 4.0
ton/m² y una profundidad máxima de instalación de las celdas base de 1.5 m.
Lo primero que se debe hacer es seleccionar el tipo de celda que se ajusta a las condiciones
del sitio en el cual se va a implementar el sistema modular. Para esto, es necesario evaluar los
siguientes aspectos de diseño: 1) carga vertical a la cual va a ser sometido el sistema, 2) nivel
freático del sitio, 3) geometría del sistema dependiendo de la cantidad de celdas a emplear, 4)
profundidad máxima que se requiere (más de 1.5 m o de 4.25 m). En la Figura 6-9 se puede
apreciar el tren de selección del tipo de sistema modular a emplear propuesto para el sistema
Aquacell desarrollado por Wavin Overseas. Nótese que se puede tener una mezcla de los tres
tipos de celdas, siempre y cuando se respeten las profundidades máximas y cargas tanto
verticales como horizontales requeridas para cada uno.
Figura 6-9. Tren de selección del tipo de unidad modular a emplear dependiendo de las consideraciones de diseño del sitio
(Fuente: [84])
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y volúmenes de escorrentía
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Luego de seleccionar el tipo de celdas a emplear, es necesario determinar las profundidades a
las cuales se van a instalar. Es posible que se tenga una combinación de los tres tipos de
celda. Para mayor profundidad se recomienda revisar el manual técnico de la tecnología
Aquacell desarrollado por Wavin e implementado en Colombia por Pavco-Mexichem [84].
4. Sistema de entrega o distribución (usage): Existen distintas configuraciones al momento de
implementar un sistema modular de almacenamiento/infiltración: 1) configuración de
colector (manifold configuration), 2) configuración de caja (box configuration) y 3)
configuración de tubería central (central pipe configuration). Igualmente cada una de estas,
puede tener la condición de almacenamiento “on-lne” u “of-line” explicados anteriormente.
La configuración mayormente empleada es la de colector “on-line”, y es la que se ha venido
implementando en Colombia, razón por la cual no se va a profundizar en los detalles
correspondientes a las demás. A continuación se presenta el esquema típico de una
configuración de colector “on-line”.
Figura 6-10. Esquema típico de una configuración de colector “on-line” desarrollada por Wavin Overseas (Fuente: [85])
El mecanismo tanto de entrada como de salida corresponde a una cámara de inspección que
tiene un mecanismo de control de flujo, mediante el cual el agua entra desde la estructura de
separación hacia el elemento de almacenamiento o hacia al sistema de drenaje existente. Las
cámaras de inspección pueden ser de tipo convencional construidas en concreto in-situ, o
pueden ser prefabricadas, siempre y cuando ambas tengan el mecanismo de control de flujo
que envía el agua desde y hacia el sistema de almacenamiento modular.
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6.3. Desempeño y Eficiencia
Una vez conocidas las características generales, los componentes y los tipos de sistemas modulares
de almacenamiento de agua lluvia (Aquacell), es necesario analizar el desempeño, la eficiencia y la
influencia que estas tecnologías presentan en cuanto a la cantidad y calidad del agua lluvia. Se
realizó una exhaustiva consulta bibliográfica acerca de estudios que permitieran evaluar el
desempeño y eficiencia de este tipo de tecnologías. Lastimosamente, se trata de una práctica muy
reciente, y prácticamente no se encuentran estudios específicos académicos, sino estudios realizados
por las compañías que implementan este tipo de sistemas los cuales están sesgados por cuestiones
comerciales. Aun así, los resultados mostrados en el numeral 5.2 caracterizan bastante bien el
desempeño de sistemas modulares, pues en estos se lleva a cabo almacenamiento activo. Es decir,
que si dichos estudios cuantificaron la eficiencia en cuanto a calidad y cantidad del agua lluvia para
sistemas activos de retención, se esperaría que la eficiencia para sistemas modulares fuera mucho
mejor, pues estas tecnologías presentan mayor volumen de almacenamiento y mayores controles de
calidad del agua. Lo que si faltaría estudiar en profundidad sería el efecto que tiene la infiltración en
los sistemas modulares, pues no se encontró bibliografía que la caracterizara.
A pesar de lo anterior, Frans Alferink e Inés Elvira Wills (altos funcionarios de Wavin Overseas y
Pavco-Mexichem) [87], muy cordialmente suministraron un par de estudios realizados por ellos, pero
que por cuestiones de confidencialidad no se detallan en este capítulo. Sin embargo, las conclusiones
más importantes a las que se puede llegar en cuanto al desempeño de los sistemas modulares de
retención/infiltración se resumen a continuación:
Los sistemas modulares de almacenamiento activo tienen la mayor influencia en la reducción
de volumen de escorrentía y picos de caudal, hasta del 100% para lluvias no tan intensas, y
cerca de los 30-40% para lluvias con periodos de retorno muy altos si se aplican masivamente
a una cuenca urbana de drenaje. Dichas reducciones dependen de muchos factores como el
tamaño del almacenamiento, el área impermeable de la cuenca, el periodo seco antecedente, y
la escala de implementación, etc.
Es de esperarse que a medida que incrementa la intensidad y duración de la lluvia, la
eficiencia de los sistemas modulares de retención se reduzca, pero a una tasa mucho menor a
la cual decrece la eficiencia de los sistemas de alamcenamiento activo. Lo anterior permite
concluir, que los sistemas modulares, resultan en una técnica mucho más efectiva que el
almacenamiento activo, si ambos se aplican masivamente a una cuenca urbana de drenaje.
Los sistemas modulares de almacenamiento/infiltración resultan en la mejor alternativa
cuando se tienen áreas de captación muy grandes, o para localizaciones en las cuales se tiene
un régimen hidrológico con lluvias de gran intensidad y/o duración.
Existe un impacto considerable en el mejoramiento de la calidad del agua almacenada que
llega al sistema de drenaje debido al gran volumen de almacenamiento que se puede tener en
un sistema modular de detención/infiltración. Por otro lado, los sistemas de pre-tratamiento
corresponden a tecnologías muy sofisticadas mediante las cuales se obtiene una calidad del
agua superior a la que se puede alcanzar con el almacenamiento activo.
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El porcentaje de reducción en cuanto a TSS, TN y TP no depende del tamaño del tanque a
diferencia de los sistemas activos, los cuales mejoran su reducción a medida que hay más
capacidad de almacenamiento. Por otro lado, las reducciones de contaminantes en los
sistemas modulares dependen directamente de la eficiencia y cantidad de estructuras de pre-
tratamiento (separación) que se tengan
El agua almacenada en un sistema modular de retención/infiltración puede constituir en una
fuente de agua limpia, segura y confiable siempre y cuando se tenga en consideración un tren
de tratamiento posterior al almacenamiento.
Es necesario profundizar en cuanto a la eficiencia en cantidad y calidad de la escorrentía
atenuada de los sistemas modulares de retención/infiltración, pues no existe bibliografía
específica sobre todo en cuanto al fenómeno de infiltración que presenta este tipo de
tecnología.
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7. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
En este capítulo se van a mencionar los procedimientos y prácticas necesarias para asegurar una
buena operación y mantenimiento de los sistemas de retención de agua lluvia a nivel predial. Dado
que cada tipo de sistema (pasivo, activo y modular) tiene sus propias características, es necesario
analizarlos por separado.
7.1. Almacenamiento Pasivo
Los barriles de agua lluvia pueden ser fabricados por el mismo beneficiario, o pueden ser adquiridos
comercialmente. Para el primer caso, existen numerosas guías oficiales, que contienen información
precisa de cómo construir un barril propio. Para el segundo caso, existen en Estados Unidos
numerosos programas y campañas que entregan y venden barriles de lluvia a los propietarios de los
predios, o pueden conseguirse comercialmente mediante fabricantes certificados para tal fin. En
general, y sea cual sea la opción de instalación, los sistemas de almacenamiento pasivo (barriles de
lluvia) requieren de muy poca operación y mantenimiento, y todo debe llevarse a cabo por el
propietario del predio [57]. De acuerdo a la literatura consultada, guías, manuales y estudios [57, 69,
71, 70], la operación y mantenimiento que debe llevarse a cabo para un adecuado manejo de los
barriles de agua lluvia se resume a continuación:
Anualmente, se debe vaciar y limpiar el interior del barril de agua lluvia mediante un
limpiador que no sea tóxico. Se debe limpiar adecuadamente las paredes, el fondo y las
salidas del mismo.
Regularmente, es recomendado chequear las pantallas/filtro de desecho, hojas y mosquitos.
Se debe verificar que no existan huecos o aberturas, y que esté debidamente sellado para que
no se permita la entrada de este tipo de agentes. De igual forma, es necesario realizar un
mantenimiento regular de estas estructuras para evitar estancamientos o crecimiento de
mosquitos o algas. Por otra parte, dos veces al año (una antes y otra durante la temporada de
lluvias) se deben limpiar los componentes del sistema de transporte y recolección (canaletas y
bajantes) para asegurar su buen funcionamiento durante el año.
Después de cada evento de lluvia, es necesario vaciar el barril de lluvia y el desviador de
primer lavado (en caso de contar con uno) con el fin de prepararlo para el siguiente evento.
Para ello, se debe operar el mecanismo de salida (a través de un grifo o manguera) el cual se
encuentra en la parte inferior de dichas estructuras.
Anualmente, es recomendado revisar el mecanismo de desbordamiento del barril, y el sitio al
cual se está dirigiendo el agua sobrante. Lo anterior se realiza con el fin de evitar que se estén
presentando fugas, o que el agua esté impactando algún elemento estructural circundante.
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Para temporadas de invierno, los barriles de lluvia no funcionan. Por lo anterior, deben ser
vaciados y guardados adentro del establecimiento antes de la llegada del invierno para evitar
daños estructurales del mismo.
Durante la instalación o construcción, asegurarse que el interior del barril no quedó expuesto
y que los materiales del barril no permiten la entrada de luz solar. Lo anterior es muy
importante para evitar el crecimiento de algas en el interior de este, lo cual empeoraría la
calidad del agua y las estructuras de salida.
Durante la instalación o construcción es necesario verificar que el filtro para desechos y
mosquitos quedó correctamente instalado y funciona adecuadamente para prevenir el
florecimiento de vectores dentro del barril. Si el barril se ubica en localizaciones con
problemas de mosquitos (trópico), es necesario ubicar tabletas larvicidas en su interior, las
cuales evitan el crecimiento de vectores y son inofensivas para la calidad del agua y/o la
salud humana.
Si se emplea un barril comercial, verificar y aplicar los lineamientos recomendados por el
fabricante sobre aspectos de operación y mantenimiento.
7.2. Almacenamiento Activo
Básicamente, para los sistemas activos de retención de agua lluvia, se deben seguir los mismos
lineamientos que los sistemas pasivos en cuanto a su operación y mantenimiento. Aun así, y dado
que los sistemas activo son de mayor tamaño y pueden estar constituidos de más elementos, algún
tipo de operación y/o mantenimiento adicional puede llevarse a cabo dependiendo del diseño del
sistema. Por ejemplo, y a diferencia de los sistemas pasivos, los dispositivos de retención activa,
aparte del desviador de primer lavado, requieren de algún mecanismo pre tratamiento (tanques
sedimentadores y/o filtros de vórtice). Este tipo de estructuras requieren de una inspección periódica
para asegurar su buen funcionamiento. De igual forma, y teniendo en cuenta que los sistemas activos
proveen mayor volumen de almacenamiento lo cual puede generar problemas de crecimiento de
algas o bacterias, es necesario emplear dispositivos de aireación [57].
Igualmente, se recomienda inspección periódica del tanque o cisterna y una adecuada desinfección
dependiendo del diseño del sistema. Para casos en los cuales exista reutilización del agua o bombeo,
es necesario realizar el adecuado mantenimiento a la(s) bomba(s) involucrada(s) dependiendo del
tipo, configuración y regularidad de operación de la(s) misma(s). También existen consideraciones
importantes para el sistema de potabilización o de pos tratamiento, pero no es de interés en este
documento.
De acuerdo a la literatura consultada, guías, manuales y estudios [57, 92, 93], la operación y
mantenimiento que debe llevarse a cabo para un adecuado manejo de los sistemas activos de
almacenamiento de agua lluvia se resume a continuación:
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Tabla 7-1. Resumen de la operación y mantenimiento para sistemas activos de almacenamiento (Adaptada de: [57, 93])
Actividad
Operación
Frecuencia
Vaciar el desviador de primer lavado operando su mecanismo de
salida (grifo o manguera)
D
Después de cada
evento de lluvia
Limpiar e inspeccionar los componentes del sistema de transporte y
recolección (canaletas y bajantes)
D
2 veces al año
Limpiar e inspeccionar las pantallas/filtro de desecho, hojas y
mosquitos y el desviador de primer lavado
D
4 veces al año
Revisar el mecanismo de desbordamiento del tanque/cisterna y el
sitio al cual se está dirigiendo el agua sobrante
D
1 vez al año
Vaciar y limpiar los accesorios del tanque/cisterna mediante un
limpiador/desinfectante que no sea tóxico
D
1 vez al año
Drenar, limpiar e inspeccionar las tuberías de entrada, de salida y el
mecanismo de desbordamiento
D
1 vez al año
Limpiar e inspeccionar la formación de sedimentos que puedan
taponar o reducir la capacidad del tanque/cisterna
AE/D
1 vez al año
Limpiar e inspeccionar las estructuras de pre-tratamiento tales
como los tanques sedimentadores o los filtros de vórtice
AE
1 vez al año
En caso de presentar problemas con insectos o roedores, realizar el
respectivo control pesticida
AE
1 vez al año
Cortar hojas y ramas que puedan estar encima del área de captación
AE
1 vez cada 3 años
Inspeccionar la integridad estructural del tanque, sistema de
bombeo y sistema eléctrico
AE
1 vez cada 3 años
Remover y sustituir elementos dañados del sistema
AE
1 vez cada 3 años
En caso de ser tanque/cisterna sub superficial, inspeccionar
estabilidad del terreno (raíces, fugas, inestabilidades, etc.)
AE
1 vez cada 3 años
La tabla anterior resumen los cuidados de operación y mantenimiento que se deben tener en cuenta si
se cuenta con un sistema activo de almacenamiento de agua lluvia mediante tanque(s) o cisterna(s).
La segunda columna corresponde al encargado de realizar dicha labor. La letra “D” corresponde al
dueño del predio, mientras que las letras “AE” corresponden a un agente externo, que bien puede ser
la empresa prestadora del servicio de agua y saneamiento básico o una empresa independiente
certificada por las regulaciones. Nótese que en esencia, el dueño de un predio debe tener los mismos
cuidados de operación y mantenimiento que para los sistemas pasivos. Aun así, se requiere de cierta
ayuda especializada cuando se trata de otros aspectos u elementos adicionales que tiene este tipo de
sistema con respecto al anterior. De todas formas, resulta una práctica relativamente fácil y
económica de operar y mantener.
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7.3. Nuevas Tecnologías Retención/Infiltración (Aquacell)
Los sistemas modulares de retención/infiltración requieren de una operación y mantenimiento muy
específico para asegurar su buen desempeño. En cuanto al área de captación y al sistema de
recolección y transporte, se deben seguir en general los mismos lineamientos de operación y
mantenimiento que los sistemas pasivos y activos de almacenamiento, es decir que regularmente, es
recomendado chequear las pantallas/filtro de desecho, hojas y mosquitos. Se debe verificar que no
existan huecos o aberturas, y que estén debidamente sellados para que no se permita la entrada de
este tipo de agentes. De igual forma, es necesario realizar un mantenimiento regular de estas
estructuras para evitar estancamientos o crecimiento de mosquitos o algas. Por otra parte, dos veces
al año (una antes y otra durante la temporada de lluvias) se deben limpiar los componentes del
sistema de transporte y recolección (canaletas y bajantes) para asegurar su buen funcionamiento
durante el año.
Para las estructuras de pre tratamiento se requiere de un trato especial. Independientemente del tipo
de separador que se emplee (separador pequeño, separador hidrodinámico combinado o separador
tipo “gully”), el mantenimiento a estas estructuras debe realizarse periódicamente (después de un
evento de lluvia significativo) y mediante un agente externo al dueño del predio. Dicho agente puede
ser una empresa certificada dedicada a la limpieza de elementos de los sistemas de acueducto y
saneamiento básico, o la misma empresa prestadora del servicio. Generalmente se emplea un camión
tipo Vactor, un equipo de succión móvil que en pocos segundos y a un costo de €0.40 por año por
separador, remueve los sedimentos y desechos que pueden taponarlos [87]. Estos camiones pueden
remover entre 130 a 160 toneladas de sedimentos/desechos por año. Es indispensable que se
mantengan e inspeccionen los separadores regularmente, pues son estas estructuras las encargadas de
darle un buen funcionamiento y desempeño al sistema modular de almacenamiento; si éstas se
empiezan a taponar, el sistema puede colapsar. A las celdas ensambladas no les debe entrar agua
contaminada o con alta carga particulada, pues esto haría que se sedimenten en el fondo, reduciendo
la tasa de infiltración, la capacidad de almacenamiento y la calidad del agua dentro de estas.
En cuanto a la estructura de almacenamiento, es decir las celdas ensambladas, no se debe hacer
ningún tipo de mantenimiento. Dadas las características de estos sistemas y a la falta de espacio,
resulta prácticamente imposible intentar cualquier tipo de intervención. Lo anterior, es la razón por la
cual las estructuras de pre tratamiento deben funcionar adecuadamente durante toda la vida útil del
sistema, pues deben asegurar que no entre material particulado dentro de las celdas. Aun así, se
puede realizar una inspección mediante un circuito cerrado de televisión (CCTV) en cada cámara de
inspección que llegue al sistema de almacenamiento. Es recomendable hacer este tipo de práctica
después de cada evento de lluvia significativo o regularmente dependiendo de las condiciones del
sitio, pues de esta forma se regula el desempeño y se controla la eficiencia de estos sistemas
modulares de retención/infiltración [84].
En cuanto al mecanismo de desbordamiento y entrega, anualmente es recomendado mantenerlo e
inspeccionar el sitio al cual se está dirigiendo el agua sobrante. Lo anterior se realiza con el fin de
evitar que se estén presentando fugas, o que el agua esté impactando algún elemento estructural
circundante. En general, las prácticas de inspección y mantenimiento de esta estructura corresponden
a las mismas mencionadas anteriormente para los sistemas pasivos y activos.
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8. CASOS Y EXPERIENCIAS REALES DE APLICACIÓN
En los Estados Unidos, al igual que en muchos otros países desarrollados del mundo, durante
muchos años se enfocó la legislación en materia de drenaje urbano al problema de las inundaciones.
Aun así, en la década de los 70s se reconoció el problema de la contaminación de la escorrentía,
reflejando en 1987 esta problemática en la Clean Water Act, que derivó en programas específicos de
actuación para resolver este problema. La progresiva concienciación durante las dos últimas décadas
de la necesidad de mejorar la calidad de las aguas condujo a la aparición del concepto de Best
Management Practices (BMPs) [41]. Desde el desarrollo de las BMPs, varios estados y gobiernos
locales han adoptado un gran número de leyes, normativas y legislación para fomentarlos u obligar a
su utilización. Un proceso similar se produjo en Australia a finales de la década de los 90, país que
cuenta actualmente con normativa, legislación y manuales de diseño propios.
En Europa, la gestión de la escorrentía urbana se ha centrado en el control de las inundaciones, y no
ha sido sino hasta hace aproximadamente una década cuando se ha empezado a tomar conciencia del
problema de la contaminación de la escorrentía y crecimiento en los volúmenes de agua [41]. A
partir de entonces, se comenzaron a adoptar criterios combinados de cantidad y calidad, y se
empezaron a regular normativas y prácticas sostenibles para el manejo del agua lluvia.
En Colombia, y en general en Latinoamérica, el manejo sostenible de la escorrentía urbana mediante
la implementación de las SMPs (SUDs, BMPs y LIDs), ha sido muy poca y en algunos casos
inexistentes. Actualmente no se cuenta con una normativa o legislación que apruebe su instalación y
manejo, o que obligue a la ciudadanía y/o empresas urbanísticas a aplicar su práctica. En mucha
menor proporción en cuanto a la práctica específica del almacenamiento/retención del agua lluvia a
nivel predial. Es un tema muy nuevo para esta parte del mundo, y por lo tanto se debe aprender de la
experiencia de zonas más desarrolladas del planeta que ya han venido implementando estos sistemas
durante algunos años. De acuerdo a lo anterior, a continuación se van a mencionar algunos casos o
experiencias reales de aplicación de estas tecnologías que se han reportado en la literatura. La idea es
poder apreciar que la práctica del almacenamiento/retención del agua lluvia a nivel predial es algo
real, que se ha venido aplicando en muchas otras partes del mundo, y que es algo de lo cual se puede
aprender para su futura implementación en Latinoamérica, especialmente en Colombia.
8.1. Almacenamiento Pasivo
La práctica de retención del agua lluvia mediante barriles (almacenamiento pasivo) es una práctica
que debe ser implementada masivamente para obtener beneficios en cuanto al control de la
escorrentía en una cuenca urbana de drenaje. Si bien es cierto que cualquier dueño de un predio
puede fabricar su propio barril de lluvia (existen numerosas guías técnicas para su construcción), en
esta sección se van a discutir los programas implementados por autoridades locales para lograr su
masificación.
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Seattle - King County
En la ciudad de Seattle ubicada en el condado King del estado de Washington se lleva a cabo un
programa de barriles de agua lluvia para reducir el exceso de volumen de escorrentía que se presenta
en la ciudad. En la página oficial de la oficina de sostenibilidad y ambiente (Office of Sustainability
and Environment)
17
se encuentra detallado el programa. En dicho programa se encuentra toda la
información que un ciudadano necesita saber para su implementación y correcto funcionamiento, los
beneficios económicos, ambientales y sociales (educación) e incluso se ofrecen recompensas
económicas (reducción del servicio de agua) por su implementación. Por otra parte, se ofrecen los
mismos barriles para su compra, o se recomiendan las compañías mediante las cuales las personas
pueden adquirir el suyo. En un estudio desarrollado por el departamento de recursos naturales del
contado de King (King County Department of Natural Resources) [94], se caracterizan las
condiciones hidrológicas y medioambientales anteriores a la puesta en marcha del programa de
barriles de lluvia, y de alguna forma se intenta evaluar su posible efecto y eficiencia en cuanto a la
reducción de volúmenes de escorrentía.
Cumberland County – Pennsylvania
De igual forma, en el condado de Cumberland del estado de Pennsylvania, se implementó un
proyecto de barriles de agua lluvia similar al anterior. El proyecto consiste en que cada año, el
distrito de conservación del condado de County construye cierto número de barriles de agua lluvia
(55 galones cada uno) y los distribuye entre los ciudadanos, incentivándolos económicamente
mediante reducciones en las tarifas del servicio de agua y saneamiento básico. De igual forma, el
programa incluye la propia fabricación del barril, y para esto se encuentran en la página del distrito
de conservación del condado de Cumberland (Cumberland County Conservation District)
18
, los
documentos necesarios que un ciudadano común y corriente puede leer para construir su propio
barril. Asimismo se encuentra un documento guía, mediante el cual se especifica el valor económico
de construir un propio barril. De igual forma se encuentran documentos que incentivan y educan al
ciudadano en cuanto a los diversos beneficios que traen consigo las prácticas para la recolección y
almacenamiento del agua lluvia.
Cedar Rapids – Iowa
Las inundaciones del 2008 han sido uno de los peores desastres naturales de los últimos 30 años de la
historia de los Estados Unidos. La ciudad de Cedar Rapids no fue la excepción, pues el agua cubrió
el 14% de la ciudad y dejó a más de 10,000 damnificados. Aunque esta ciudad, la segunda más
grande del estado de Iowa, ha intentado lo imposible para recuperarse de esta situación, no ha sido
17
Office of Sustainability and Environment. Disponible en línea en:
https://www.seattle.gov/dpd/GreenBuilding/Resources/TechnicalBriefs/DPDP_021935.asp. Consultada el 6 de
Diciembre de 2013.
18
Cumberland County Conservation District. Disponible en línea en: http://www.cumberlandcd.com/rainbarrel.html.
Consultada el 6 de Diciembre de 2013.
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y volúmenes de escorrentía
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del todo fácil, pues su topografía y sistema de drenaje ya no dan abasto con los volúmenes crecientes
de agua lluvia.
Con el fin de educar a los ciudadanos acerca de la importancia de las prácticas LID aplicadas a nivel
predial, para la reducción de volúmenes de escorrentía y alivio del sistema de drenaje de la ciudad, el
Indian Creek Natural Center
19
creó un programa llamado “Every Gallon Counts” en el 2010. Fue tal
la promoción del programa, que después de los primeros 3 meses ya se habían vendido más de 600
barriles de lluvia y se estaban empezando a ver los resultados. Adicionalmente, este programa
empleó una campaña educativa recordándole a los ciudadanos de Cedar Rapids que podían tomar un
rol activo para reducir la escorrentía urbana de sus propiedades empleando barriles de lluvia,
pavimentos porosos y jardines de lluvia. Finalmente, la masificación de estas prácticas LID se vio
reflejada, pues hasta el momento nunca se ha vuelto a presenta run desastre asociado a inundaciones.
Oakland – California
La cuenca urbana de Oakland, California cuenta con la laguna de Merrit. En el 2009, la laguna fue
listada como una de las más deterioradas de la región debido a su gran concentración de nutrientes,
bajo nivel de oxígeno disuelto y altos niveles de desechos. Los desechos que entraban a la laguna lo
hacían principalmente a través del canal que conducía la escorrentía urbana. Apenas se listó la
laguna, The Clean Water Act le estableció a la ciudad de Oakland una carga diaria mínima de
contaminantes. Forzados a cumplir estos requerimientos, la ciudad de Oakland mediante el Oakland
Watershed & Stormwater Mangement Rain Barrel Program
20
, lanzó un programa de barriles de agua
lluvia con el fin de mejorar la escorrentía urbana.
Se realizó una promoción de barriles de lluvia con el fin de que los ciudadanos los pudieran adquirir
a un bajo costo, y adicionalmente se incentivó económicamente a la población mediante reducciones
en las tarifas de los servicios de saneamiento básico. En los primeros 16 meses, se vendieron más de
1,200 barriles de lluvia. El programa tenía la suficiente documentación para enseñarle a los usuarios
a cómo instalar, mantener y operar su barril. Luego de su masificación se empezaron a ver los
resultados: para cada evento de lluvia se recolectan 80,000 galones de agua lluvia (sobre todo de
primer lavado) que ayudaron a la laguna de Merritt a recuperar sus condiciones aeróbicas y salir de
la lista de las lagunas en estado crítico por su contaminación.
8.2. Almacenamiento Activo
A continuación se van a mostrar algunos casos de aplicación de los sistemas de almacenamiento
activo (tanques y cisternas), la mayoría de los cuales fueron extraídos del manual de almacenamiento
de agua lluvia del estado de Texas y de Virginia, USA [53, 95].
19
Creek Natural Center. Disponible en línea en: http://www.indiancreeknaturecenter.org/creekside-shop/rain-barrels-
accessories/. Consultada el 6 de Diciembre de 2013.
20
City of Oakland, Rain Barrel Program. Disponible en línea en:
http://www2.oaklandnet.com/Government/o/PWA/o/FE/s/ID/OAK025822. Consultada el 6 de Diciembre de 2013.
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Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 114
J.M. Auld Lifetime Learning Center – Kerrvile, Texas
El instituto educativo, J.M. Auld Lifetime Learning Center, implementó en el 2003 dos tanques de
concreto con capacidad de 3,300 galones cada uno para recolectar agua lluvia de escorrentía de sus
techos con un área aproximada de 5,000 pies cuadrados. Los tanques fueron colocados en la parte
trasera del establecimiento, y conectada a una tubería de 3 pulgadas, encargada de traer el agua
recolectada de los techos. Igualmente, se instalaron desviadores de primer lavado en cada esquina del
sistema de transporte y recolección, con el fin de capturar los sedimentos y contaminantes
principales derivados del primer lavado.
El agua lluvia almacenada, sirve para irrigación de jardines circundantes y para la reducción de
volúmenes de escorrentía. El costo total de haber implementado este sistema fue cercano a los
$10,500, de los cuales ambos tanques costaron $4,766, la mano de obra $2,800, el equipo y tanque
de bombeo $1,535 y el sistema de canaletas y bajantes $541, entre otros costos.
Lady Bird Johnson Wildflower Center – Austin, Texas
El agua recolectada de tres diferentes áreas de captación provee cerca del 15% del agua necesaria
para irrigación de jardines del Lady Bird Johnson Wildflower Center en la ciudad de Austin, Texas.
El área de captación de este sistema de recolección y almacenamiento de agua es de 17,000 pies
cuadrados y puede almacenar más de 70,000 galones de agua mediante cisternas superficiales. Uno
de los componentes más admirables de este sistema es la cisterna de 43 pies de altitud y 5,000
galones de capacidad construida en piedra nativa (ver Figura 8-1 a).
Los techos, construidos en metal, recolectan el agua de los 17,000 pies cuadrados y la drenan hacia la
cisterna de 5,000 galones y a dos tanques más de 25,000 galones de capacidad cada uno, obteniendo
un almacenamiento anual promedio de 300,000 galones de agua lluvia. Un sistema presurizado de
distribución, dirige el agua lluvia de los tanques hacia actividades de irrigación.
Claude Moore Educational Complex - Roanoke, Virginia
El establecimiento comercial Claude Moore Educational Complex, necesitaba ser renovado. El
diseñador de la renovación se encontró con aspectos y retos muy importantes que tenía que
solucionar. Una de estas preocupaciones era el poco presupuesto y espacio con el que contaba, y el
otro era que debía implementar un sistema de almacenamiento de agua lluvia con el fin de cumplir
con los requerimientos de drenaje de la ciudad. Adicionalmente, solo una pequeña parte del sistema
de recolección y transporte del agua lluvia podía ser comprada, es decir que se debía ubicar el
sistema teniendo en cuenta las canaletas y bajantes existentes. Por otro lado, las autoridades de la
ciudad tenía dentro de su regulación, que cada predio comercial debía contar con un sistema de
manejo del agua lluvia que se ajustara a los requerimientos de espacio, y que además fuera eficiente
en la reducción de escorrentía urbana y contaminantes.
Para solucionar los anteriores inconvenientes se empleó un sistema sifónico para la recolección y
transporte del agua lluvia. El empleo de este tipo de sistema, a comparación del convencional,
permitió llevar toda el agua a un mismo sitio sin necesidad de instalar más tuberías. El agua lluvia
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Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 115
fue filtrada mediante filtros de vórtice antes de su entrada a las estructuras de almacenamiento, las
cuales correspondieron a dos tanques sub superficiales de polietileno de 2,500 galones de capacidad
(ver Figura 8-1 b). El agua lluvia retenida fue empleada para aliviar los volúmenes de escorrentía, y
para suplir demanda interna de agua (baños y lavandería). Actualmente, el lugar en el cual se
implementaron los tanques corresponde a una zona de esparcimiento, lo cual refleja la eficiencia del
almacenamiento activo sub superficial instalado en sitios con poco espacio.
Figura 8-1. a) Sistema de almacenamiento activo del Lady Bird Johnson Wildflower Center – Austin, Texas (Fuente: [53]), b)
sistema de almacenamiento activo del Claude Moore Educational Complex – Roanoke, Virginia (Fuente: [95]) y c)
Complejo multifamiliar Charlottesville – Virginia
La administración de un complejo de viviendas multifamiliares propuso un sistema de
recolección/almacenamiento del agua para suplir necesidades de irrigación y atenuar los volúmenes
de escorrentía. En lugar de tener que pagar por agua adicional, la administración decidió
implementar en cada casa uno de estos sistemas. Los retos para su diseño fueron básicamente dos: 1)
debido a que las propiedades son privadas, los dueños de éstas deberían estar en capacidad de operar
y mantener los sistemas en caso de ser necesario, y 2) los tanques tendrían que ser puestos de tal
forma que no interfieran con el espacio y la arquitectura de las casas.
Se implementaron tanques de almacenamiento en cada casa con una capacidad de 1,000 galones cada
uno, recolectando agua de la mitad de los techos mediante una canaleta y una bajante, y un desviador
de primer lavado. Los tanques seleccionados se ajustaban a los retos del diseño, puesto que eran de
un tamaño tal que no bloqueaban ningún espacio y eran estéticamente adecuados. Los mecanismos
de desbordamiento fueron instalados sub superficialmente, y dirigidos a un mismo tanque colector
mediante el cual (empelando una bomba) se realizó la irrigación del complejo.
Brazilian Ball Pre-Filter System
En una zona rural de Brasil, se llevó a cabo la construcción de un sistema activo de almacenamiento
de agua lluvia, el cual buscaba explicar el sistema de pre retratamiento o de primer lavado mediante
la bola flotante. Para dicho proyecto, se recolectó el agua lluvia de un establecimiento rural mediante
canaletas y bajantes, para luego ser transmitida hacia un desviador de primer lavado. El elemento de
almacenamiento correspondía a un tanque de 1,500 galones fabricado en fibra de vidrio y a partir del
cual se extraía agua para suplir necesidades domésticas tales como irrigación de jardines, lavado y
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baños (ver Figura 8-1 c). En el reporte final de dicho proyecto [63], se encuentra mayor información
acerca de los detalles técnicos del mismo.
8.3. Nuevas Tecnologías Retención/Infiltración (Aquacell)
La experiencia en la implementación de los sistemas modulares de retención/infiltración de agua
lluvia se ha dado más que todo en países desarrollados (Estados Unidos y Europa). El desarrollo que
estas tecnologías han tenido en Latinoamérica (especialmente Colombia), ha sido muy poca y
prácticamente inexistente. Por esta razón, inicialmente se analizarán algunos de los proyectos más
relevantes que ha desempeñado Wavin Overseas
21
alrededor del mundo mediante su tecnología
Aquacell [84, 86]. Específicamente en Colombia, algunas empresas como Pavco – Mexichem
22
y
Atlantis
23
, han venido dando los primero pasos en cuanto al diseño e instalación de estos sistemas,
razón por la cual posteriormente se mencionarán algunos de sus proyectos. Por cuestiones de
confidencialidad no se profundiza mucho en estos proyectos [87].
Estadios de Futbol en Alemania (Frankfurter Waldstadion y Olympiastadion de Berlín)
El estadio de Frankfurt fue remodelado en el 2005 para servir de sede al mundial que se realizó en
Alemania en el 2006. El techo del estadio, con un área de captación de 25,000 m², fue restaurado
mediante el sistema QuickStream de acción sifónica, mediante el cual se aseguró que el agua se
evacuara muy eficientemente tanto de la cancha como de las tribunas del estadio. Igualmente, en
lugar de evacuar toda esta cantidad de agua directamente hacia el sistema de drenaje, se instalaron
9,000 unidades modulares de Aquacell, para un volumen total de almacenamiento de 1,712 m³, y que
se emplearon para almacenar e infiltrar el agua (ver Figura 8-2 a).
De igual forma, Wavin Overseas implementó un sistema de almacenamiento modular en el estadio
olímpico de Berlín en el año 2003. En este proyecto, para un área de 40,000 m² se instaló un
volumen de almacenamiento total de 2,500 m³ de agua, mediante la tecnología Aquacell (ver Figura
8-2 b). Los principales objetivos eran la reutilización (irrigación al campo de futbol y áreas verdes
circundantes), infiltración y alivio del sistema de drenaje de la ciudad.
Ilchester Cheese Company – Somerset, Inglaterra
En
Somerset,
Inglaterra,
Wavin
Overseas
desarrolló
un
sistema
modular
de
almacenamiento/infiltración para una compañía de quesos (Ilchester Cheese Company). La idea era
poder reducir el volumen de agua lluvia, dado que en esa localización siempre existían problemas
asociados a inundaciones y excesos de escorrentía. Con el fin de lograr controlar el problema de las
inundaciones en el sector y proveer almacenamiento temporal de la lluvia, se instalaron 1,352
21
Wavin Overseas B.V., solutions for essentials. Disponible en línea en: www.wavinoverseas.com
22
Pavco – Mexichem. Disponible en línea en: http://www.pavco.com.co/
23
Atlantis Corp. Disponible en línea en: http://www.atlantis-america.com/
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y volúmenes de escorrentía
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unidades de Aquacell para generar un volumen total de agua de 256 m³. Mediante esta
implementación, el sector en el cual se encuentra la compañía Ilchester Cheese Company nunca
volvió a sufrir problemas de inundación.
Figura 8-2. a) Sistema modular de almacenamiento/retención de agua lluvia - estadio de Frankfurt (Fuente: [86]), b) sistema
modular de almacenamiento/retención de agua lluvia - estadio Olímpico de Berlín (Fuente: [86])
Complejo multifamiliar Byholm – Dinamarca
Este complejo multifamiliar está compuesto por 42 viviendas y un área total de 10,000 m² compuesto
por oficinas, que contaba con un lago cercano, pero que no contaba con un sistema de drenaje pluvial
y por esta razón siempre tenía problemas asociados a inundaciones y excesos de volúmenes de
escorrentía. Era necesario idearse de alguna manera un sistema mediante el cual se descargara el
agua lluvia proveniente de las superficies impermeables hacia el lago existente.
Como solución a dicho problema, se instaló un sistema modular sub superficial compuesto por 1500
unidades Aquacell en tres capas, para obtener una capacidad de almacenamiento de 300m³. Las
unidades fueron recubiertas mediante una geomembrana impermeable para solo cumplir con la
función de almacenamiento. El agua es retenida en esta estructura y es bombeada hacia el lago
existente a una tasa de 5 litros por segundo. Correspondió a un proyecto ambientalmente muy
amigable, pues empleó el cuerpo de agua existente para ayudar a mejorar las necesidades de drenaje
de este complejo multifamiliar.
Proyectos desarrollados en Colombia
En Colombia, existe una compañía (Pavco – Mexichem) que ha venido estudiando e implementando
los sistemas de almacenamiento modular de retención/infiltración. Por ejemplo, realizaron el diseño
y construcción de esta tecnología en una de sus bodegas principales, el diseño y construcción de otro
sistema para almacenamiento de agua en un edificio residencial en el municipio de Chía,
Cundinamarca, y el diseño de otro sistema de retención/infiltración para una bodega en el municipio
de Tocancipá, Cundinamarca. A continuación se profundizará en cada uno de dichos proyectos:
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Retención de aguas lluvias a nivel predial para reducir picos
y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 118
Bodega Compañía Pavco Mexichem – Bogotá, Cundinamarca [87, 91]: Se llevó a cabo el
diseño y construcción de un sistema de almacenamiento temporal mediante el uso de la
tecnología Aquacell con el fin de disminuir el pico de caudal, evitando colapsos en el sistema
de alcantarillado pluvial local, incluyendo la posibilidad de re-uso de las aguas lluvias
recolectadas provenientes de la cubierta de una de las bodegas de la compañía. El volumen a
almacenar correspondió a 74.9 m³, es decir que se requirieron de 405 celdas modulares las
cuales se instalaron en 3 filas recubiertas con una geomembrana de 40 mm y geotextil no
tejido 2500. Para el área de captación se empleó el sistema QuickStream desarrollado por
Wavin, y después de cada bajante se ubicó su respectiva estructura de quiebre (cámara de
inspección Novacam de 600 mm). Luego de las estructuras de quiebre se instaló una
estructura de separación (cámara de inspección Novacam de 1000 mm), la cual se encargaba
de separar el material particulado y contaminantes provenientes del área de captación. Luego
se ubicaron las 405 celdas ensambladas, para finalmente ubicar un pozo eyector mediante el
cual se pretendía drenar gradualmente el agua hacia el sistema de drenaje pluvial. A grandes
rasgos, el presupuesto de obra correspondió a un valor cercano a los 75.000.000 COP. En la
Figura 8-3 se puede apreciar el esquema general del diseño en perfil.
Figura 8-3. Esquema general de diseño en perfil sobre la implementación de un sistema modular de almacenamiento en una
bodega de la compañía Pavco – Mexichem de Colombia (Fuente: [91]).
Bodega Femsa - Tocancipá, Cundinamarca [87, 96]: De igual forma, se llevó a cabo el diseño
de un sistema de almacenamiento temporal mediante el uso de la tecnología Aquacell con el
fin de disminuir el pico de caudal y evitar desbordamientos del sistema de drenaje pluvial
local, con opción de reutilización en riegos y sanitarios, de las aguas lluvias recolectadas de
una bodega de la compañía Femsa. El área de captación correspondía a 68,500 m² y se diseñó
empleando una intensidad de lluvia de 108 mm/hora. Al igual que el anterior, se diseñó el
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y volúmenes de escorrentía
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sistema QuickStream para la recolección y transporte y se diseñaron cámaras Novacam de
600 y 1000 mm para las estructuras de quiebre y separación. El volumen total de
almacenamiento correspondía a 3,465 m³, para un total de 18,750 celdas modulares. La idea
era ubicar los sistemas modulares en bloques de tres celdas en cuatro niveles, en el perímetro
de la bodega a una profundidad de 1.56 m. Se recubrirían en geomembrana de HDPE y
geotextil NT 2500. La construcción no se llevó a cabo por parte de Pavco-Mexichem.
Edificio Residencial Arboreda – Chía, Cundinamarca [87]: De igual forma, Pavco-Mexichem
realizó el diseño y la implementación de un sistema modular de almacenamiento de agua
lluvia en un edificio residencial (Arboreda) en el municipio de Chía, Cundinamarca. El
objetivo del proyecto era exclusivamente el alivio del sistema de alcantarillado al reducir
volúmenes de escorrentía y retrasar el pico de caudal. Por cuestiones de confidencialidad no
se profundiza en el proyecto, pero en la Figura 8-4 se pueden apreciar dos fotografías acerca
de su instalación y culminación.
Figura 8-4. a) Instalación del sistema Aquacell en el edificio residencial Arboreda - Chía, Cundinamarca y b) proyecto
culminado. (Fuente: [87])
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y volúmenes de escorrentía
Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 120
9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
9.1. Conclusiones
Teniendo en cuenta el recorrido hecho a través de la problemática del drenaje urbano pluvial actual,
y de los sistemas de almacenamiento/retención del agua lluvia a nivel predial, se puede concluir lo
siguiente:
En Colombia y en general en América Latina a partir del siglo XX, es claro que ha existido
un déficit en cuanto al crecimiento e inversión de la infraestructura de drenaje con respecto al
crecimiento de la población; la tasa de crecimiento demográfica se encuentra por encima de
las tasas de crecimiento de la inversión y de la cobertura de este servicio.
Cambios en el uso del suelo producto de la urbanización (impermeabilización), generan un
profundo impacto en el ciclo hidrológico de las cuencas urbanas: mayores volúmenes de
escorrentía, menor tiempo de concentración y reducciones en las tasas tanto de infiltración
como de evapotranspiración.
Fenómenos ambientales y producto de la actividad antropogénica como el cambio climático y
las islas de calor, han aumentado el forzante radiativo incrementando el cambio en el
equilibrio entre la radiación entrante a la atmósfera y la radiación saliente. Lo anterior ha
provocado un incremento en las tasas de evaporación aumentando así la capacidad de la
atmósfera para contener vapor de agua. Esto ha hecho que de una u otra forma se haya
intensificado el ciclo hidrológico aumentando considerablemente la precipitación y
nubosidad (sobre todo cerca de los grandes centros urbanos).
El aumento de la precipitación global a causa del cambio climático y la urbanización, junto
con el déficit de infraestructura de drenaje con respecto al crecimiento poblacional y
económico, han hecho que las ciudades en expansión de los países en desarrollo
experimenten mayores y más frecuentes inundaciones con relación a periodos pasados.,
siendo este desastre el más común en los últimos años.
En el mundo ha surgido la necesidad de afrontar la gestión de las aguas pluviales desde una
perspectiva diferente a la convencional, que
combine aspectos
hidrológicos,
medioambientales y sociales. El empleo de prácticas de manejo en la fuente (SMPs por
Source Management Practices) para el control de la lluvia, pretende reducir la escorrentía y
los contaminantes de exceso que ingresan dentro de los sistemas de drenaje convencionales.
La ventaja es que usualmente, este tipo de alternativas resultan mucho más eficientes en el
manejo de la escorrentía, y mucho más costo-efectivas en cuanto a aspectos de construcción y
mantenimiento que los sistemas convencionales de drenaje urbano.
La implementación de los SMPs ha tenido un boom alrededor del mundo debido a las
constantes y cada vez más seguidas sequías e inundaciones. Muchos gobiernos han
establecido las regulaciones, estándares y guías para su instalación, operación y
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Juan Sebastián Lovado C. Proyecto de Grado 121
mantenimiento, e inclusive han establecido toda clase de incentivos para que la población los
adopte. En los países en vías de desarrollo, todavía no se encuentra bien regulado o la
regulación que existe no es lo suficientemente clara para que se empiece a adoptar esta
tecnología de forma masiva.
A pesar de lo anterior, se han expuesto tres posibles riesgos que podrían presentar las
medidas de control en la fuente (medidas descentralizadas) si se implementan masiva y
separadamente de los sistemas convencionales de drenaje: 1) el conocimiento limitado acerca
de sus posibles desventajas a largo plazo, 2) la tentación que representan estas tecnologías
para ser usadas por las autoridades locales como forma económica de manejar el agua urbana,
sin seguir invirtiendo en los sistemas convencionales que también son necesarios, y 3) las
dificultades de mantenimiento y costos que resultarían al tener un sistema descentralizado (en
la fuente) funcionando junto con un sistema centralizado (convencional).
La retención/almacenamiento del agua lluvia corresponde a una de las tantas prácticas de
manejo en la fuente (SMP). Es una tecnología ambiental y económicamente sostenible muy
fácil de instalar y operar. Además cuenta con una gran cantidad de propósitos y beneficios
dentro de los cuales se destacan: 1) reducción en volúmenes de escorrentía y picos de caudal,
2) capacidad de reutilización del agua (sanitarios, irrigación, lavado, etc.), 3) recarga de
acuíferos mediante infiltración, 4) reducción de contaminantes y material particulado de la
escorrentía, entre otros.
El almacenamiento pasivo es mucho más efectivo en la reducción de volúmenes de
escorrentía y picos de caudal a medida que la intensidad del evento de lluvia es menor. A
medida que incrementa la intensidad y duración de la lluvia, la eficiencia de los barriles de
almacenamiento se reduce significativamente. Un simple barril de agua lluvia (50 galones)
instalado en cada predio de una cuenca urbana no genera impactos considerables en cuanto al
volumen de agua lluvia atenuada (2-4%) al sistema de drenaje para eventos fuertes (lluvias
con periodo de retorno de 50 años o más). Cuando se trata de un barril con mayor capacidad
(100 galones), este valor puede llegar hasta el 14% para eventos menos fuertes (lluvias con
periodo de retorno de 2 años o menos).
A medida que incrementa la intensidad y duración de la lluvia, la eficiencia de los sistemas
activos de almacenamiento se reduce, pero a una tasa mucho menor a la cual decrece la
eficiencia de los barriles de agua lluvia. A pesar de que el almacenamiento activo solo
alcanza reducciones entre el 10% y 17% del volumen de escorrentía aun para eventos muy
intensos de lluvia, resulta una técnica mucho más efectiva que el almacenamiento pasivo, si
ambos se aplican masivamente a una cuenca urbana de drenaje.
Los sistemas modulares de almacenamiento activo tienen la mayor influencia en la reducción
de volumen de escorrentía y picos de caudal, hasta del 100% para lluvias no tan intensas, y
cerca de los 30-40% para lluvias con periodos de retorno muy altos si se aplican masivamente
a una cuenca urbana de drenaje. Dichas reducciones dependen de muchos factores como el
tamaño del almacenamiento, el área impermeable de la cuenca, el periodo seco antecedente, y
la escala de implementación, etc. Al igual que los otros sistemas, a medida que incrementa la
intensidad y duración de la lluvia, la eficiencia de los sistemas modulares de retención se
reduce, pero a una tasa mucho menor a la cual decrece la eficiencia de los demás.
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El rendimiento de los sistemas de almacenamiento/retención de agua lluvia en cuanto a la
reducción de contaminantes y sólidos suspendidos, es mayor a medida que el volumen de
almacenamiento es mayor, o a medida que se tenga una mejor estructura de pre tratamiento.
Igualmente, se obtienen mejores resultados en cuanto a calidad y cantidad de la escorrentía,
cuando se operan junto con otras tecnologías LID como pavimentos permeables, jardines de
lluvia, etc.
Tanto el almacenamiento pasivo como activo, requieren de una operación y mantenimiento
muy sencilla y en ambos casos puede ser realizado por el dueño del predio (a excepción de
las estructuras de pre tratamiento en el activo). Los principales factores a tener en cuenta son
el adecuado mantenimiento de las pantallas filtro (hojas, desechos y vectores), el sistema de
recolecciín y transporte (canaletas y bajantes), el interior del elemento de almacenamiento
(tanque o barril), los desviadores de primer lavado, y los elementos de entrada y salida al
almacenamiento (mecanismo de desbordamiento).
En los sistemas modulares de almacenamiento, la clave para obtener un buen desempeño es
el adecuado mantenimiento de las estructuras de pre tratamiento. Independientemente del tipo
de separador que se emplee (separador pequeño, separador hidrodinámico combinado o
separador tipo “gully”), el mantenimiento a estas estructuras debe realizarse periódicamente
(después de un evento de lluvia significativo) y mediante un agente externo al dueño del
predio. Dicho agente puede ser una empresa certificada dedicada a la limpieza de elementos
de los sistemas de acueducto y saneamiento básico, o la misma empresa prestadora del
servicio. Generalmente se emplea un camión tipo Vactor o un equipo de succión móvil.
En general, la experiencia en la implementación de los sistemas de retención/infiltración de
agua lluvia a nivel predial se ha dado más que todo en países desarrollados (Estados Unidos y
Europa). El desarrollo que estas tecnologías han tenido en Latinoamérica (especialmente
Colombia), ha sido muy poca y prácticamente inexistente. Aun así, actualmente existen
empresas como Pavco – Mexichem y Atlantis, las cuales han venido dando los primero pasos
en cuanto al diseño e instalación de estos sistemas.
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9.2. Recomendaciones
Este
proyecto
de
investigación
permitió
conocer
a
fondo
las
tecnologías
de
almacenamiento/retención del agua lluvia a nivel predial mediante el almacenamiento activo, pasivo
y modular. Sin embargo a continuación se presentan algunas recomendaciones que deberían ser
tenidas en cuenta para continuar su estudio teórico:
Es necesario realizar una búsqueda exhaustiva de experiencias y casos de aplicación
adicionales a las mostradas en este documento en cuanto a la implementación de estos
sistemas. Lo anterior, acompañado con algún trabajo de campo, permitiría comprender aún
mejor como ha sido su desempeño en cuanto a aspectos de instalación, operación y
mantenimiento.
La implementación de sistemas de almacenamiento/retención de agua lluvia a nivel predial
debe hacerse siguiendo una normatividad local y debe ajustarse a ciertas reglas y/o estándares
impuestas por la sociedad. Por lo anterior, es recomendable profundizar en aspectos
regulatorios y legislativos, es decir detallar en cuanto a las normas que regulan la instalación
de este tipo de prácticas.
Como se ha mencionado numerosas veces, los sistemas de almacenamiento/retención de agua
lluvia a nivel predial se han venido implementando más que todo en países desarrollados
(Estados Unidos y Europa). El desarrollo que estas tecnologías han tenido en Latinoamérica
(especialmente Colombia), ha sido muy poca y prácticamente inexistente. Debido a esto, es
fundamental establecer un estudio socioeconómico o análisis de pre factibilidad que permita
establecer si la implementación de estas tecnologías es viable para el contexto
latinoamericano, especialmente el colombiano.
Es posible profundizar aún más en cuanto a la forma mediante la cual se han venido
implementando estos sistemas en la sociedad y la forma como han sido aceptados por la
misma. Es decir, establecer bien cuáles han sido las estrategias empleadas por
administraciones locales, como por ejemplo incentivos económicos al reducir costos en la
tarifa de la prestación del servicio de saneamiento básico y/o agua potable, entre otros.
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y volúmenes de escorrentía
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