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Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible USO DE LOS SISTEMAS URBANOS DE DRENAJE SOSTENIBLE (SUDS) EN EL MUNICIPIO DE PAIPA OMAR FELIPE PÉREZ HURTADO Ingeniero civil en formación UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL 2020 Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible USO DE LOS SISTEMAS URBANOS DE DRENAJE SOSTENIBLE (SUDS) EN EL MUNICIPIO DE PAIPA OMAR FELIPE PÉREZ HURTADO Ingeniero civil en formación WILSON ALEJANDRO JIMENEZ AVELLA Ingeniero asesor UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL 2020 Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible Tabla de contenido Resumen ........................................................................................................................... 1 Introducción ...................................................................................................................... 2 Objetivos ........................................................................................................................... 6 General .......................................................................................................................... 6 Específicos..................................................................................................................... 6 Alcance y limitaciones ........................................................................................................ 7 Justificación y pertinencia ................................................................................................... 8 Marco teórico .................................................................................................................... 9 Definición de los sistemas urbanos de drenaje sostenible .................................................... 9 Clasificación de los sistemas urbanos de drenaje sostenible ............................................... 14 Zonas de bio-retención. .............................................................................................. 16 Alcorques inundables. ............................................................................................... 17 Techos verdes. .......................................................................................................... 17 Lagunas de retención. ................................................................................................ 19 Cunetas Verdes. ........................................................................................................ 20 Drenes filtrantes ........................................................................................................ 21 Zanjas de infiltración. ................................................................................................ 21 Estanques o depósitos de infiltración. .......................................................................... 22 Pavimentos permeables. ............................................................................................. 22 Tanques de almacenamiento. ...................................................................................... 23 Normatividad y aspectos legales ..................................................................................... 24 Guía de diseño de los sistemas urbanos de drenaje sostenible ............................................ 25 Restricciones de sitio de implementación. .................................................................... 26 1. Cuenca seca de drenaje extendido (CSDE)............................................................. 26 2. Tanques de almacenamiento. ................................................................................ 28 3. Zonas de bio-retención. ....................................................................................... 29 4. Alcorques inundables .......................................................................................... 31 5. Cunetas verdes .................................................................................................... 32 6. Zanjas de infiltración ........................................................................................... 34 7. Pavimentos permeables ....................................................................................... 35 Modelación en SWMM ................................................................................................. 37 Metodología .................................................................................................................... 39 Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible Descripción general del municipio de paipa ........................................................................ 52 Población. .................................................................................................................... 52 Actividades económicas ................................................................................................ 53 Geología y geomorfología. ............................................................................................ 53 Uso de suelo. ................................................................................................................ 54 Caracterización de suelos. .............................................................................................. 54 Hidrografía general. ...................................................................................................... 55 Hidrogeología. ............................................................................................................. 56 División política del municipio de Paipa. ........................................................................ 56 Estaciones del IDEAM. ................................................................................................. 58 Precipitaciones medias. ................................................................................................. 58 Sistema de alcantarillado del municipio de paipa ................................................................. 59 Descripción general. ..................................................................................................... 59 Cobertura del sistema de alcantarillado. .......................................................................... 59 Sistema de alcantarillado residual. .................................................................................. 59 Hidrografía y sistema de alcantarillado pluvial del municipio. ........................................... 62 Sistema de tratamiento de aguas residuales. ................................................................. 64 Componentes del sistema de alcantarillado. ..................................................................... 65 Puntos de Vertimiento de aguas. ................................................................................. 65 Actualizaciones sobre el sistema de alcantarillado del municipio de Paipa. ......................... 67 Problemáticas referenciadas en el sistema de alcantarillado del municipio .......................... 69 Análisis de alternativas con sistemas urbanos de drenaje sostenible ....................................... 71 Selección de sitios......................................................................................................... 71 Consideraciones para el dimensionamiento de los SUDS .................................................. 73 Información de suelos. ............................................................................................... 73 Información de intensidad de lluvia. ............................................................................74 Parámetros de diseño y actividades constructivas con SUDS ......................................... 75 Descripción de sitios dentro del municipio. .................................................................. 78 Resultados de los aspectos técnicos de las alternativas seleccionadas ................................. 79 Barrio Villa Jardín (zona verde y parque)..................................................................... 79 Barrio Villa Jardín (Zona verde en Parque “Colegio El Rosario”) ................................... 80 Barrio Villa Panorama (Predios y zonas verdes) ........................................................... 82 Barrio el bosque (zona verde en parque sector balcones) ............................................... 85 Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible Barrio Centro (Lote en sector calle 21 carrera 22) ......................................................... 87 Barrio Centro (Zona de Andenes sobre la calle 25) ....................................................... 88 Barrio Centro (Sector cruce canal Valencí en la calle 27) .............................................. 89 Barrio Sausalito (separador vial en la calle 21) ............................................................. 93 Aspectos económicos alternativas ................................................................................... 94 Comparación entre las alternativas con SUDS y la propuesta de separación del sistema ........... 96 Descripción de la zona. ................................................................................................. 96 Resultados de modelaciones en software EPASWMM para comparación de aspectos técnicos y económicos ................................................................................................................ 102 Resultados de modelación de escenarios para Tr=10, Dur=15min y simulación de evento 70 minutos .................................................................................................................. 103 Resultados de modelación de escenarios para Tr=10, Dur=180min ............................... 104 Conclusiones ................................................................................................................. 114 Recomendaciones ........................................................................................................... 117 Bibliografía ................................................................................................................... 119 Anexos .......................................................................................................................... 123 Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 1 Resumen El objetivo del trabajo de investigación realizado, fue evaluar el uso de los Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS) para el manejo del agua lluvia en el área urbana del municipio de Paipa. Para ello, se recopiló información teórica y práctica sobre los SUDS, incluyendo manuales y estudios de aplicación de los sistemas en distintos países y se incluyó la información disponible del sistema de alcantarillado dentro del área urbana del municipio de estudio. Esto último, permitió identificar que dentro de la ciudad se están realizando modificaciones al sistema de alcantarillado, en su mayoría (66%) con funcionamiento de tipo combinado, para mejorar entre otras, el manejo del agua lluvia y optimizar el funcionamiento de las redes; no obstante, se encontró que bajo ciertos eventos de lluvia los sistemas presentan reboses y afectaciones dentro del municipio. Así, se identificaron y seleccionaron sitios potenciales con condiciones específicas en cuanto a espacio, infiltración y pendientes longitudinales, para hacerles un análisis de alternativas con SUDS, donde para este caso de estudio se consideraron las siguientes estructuras: 1) Cuencas Secas de drenaje extendido, 2) Tanques de almacenamiento, 3) Zonas de bio-retención, 4) Alcorques inundables, 5) Cunetas verdes, 6) Zanjas de infiltración y 7) Pavimentos permeables. Este análisis, se enfocó en aspectos técnicos y económicos a un nivel de prefactibilidad, que permitieron su comparación, con los proyectos de modificación del alcantarillado que se están ejecutando dentro del municipio y mediante el uso del software “SWMM”, se hicieron modelaciones y comparaciones con tres alternativas seleccionadas del análisis realizado. Como principales resultados, se encontró que dentro del área urbana del municipio se tienen sitios con potencialidad para la aplicación de SUDS, permitiendo el manejo de volúmenes de aguas de escorrentía y con las modelaciones realizadas en el software, se corroboraron algunos principios de los SUDS como reducciones en los caudales pico y volúmenes de escorrentía; de igual forma dentro del análisis económico se encontraron aspectos que pueden ser tenidos en cuenta a la hora de diseñar el sistema de alcantarillado en una determinada zona del municipio. Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 2 Introducción El drenaje urbano es conceptualmente conocido como la gestión del agua lluvia que cae en una determinada zona; pero en muchos casos el drenaje dentro de las ciudades es diseñado para transportar las aguas lluvias de un punto a otro, modificando sustancialmente las condiciones de su manejo al no tener en cuenta el ciclo natural del agua, lo que puede derivar en problemas asociados a inundaciones, reducción de la calidad del agua, entre otros (Franco Calderon, 2015). Así, la inundación urbana comúnmente es el resultado de fenómenos naturales como lluvias intensas, hundimientos de la tierra y su combinación, y otros; pero se ha encontrado que existen contribuciones de factores antropogénicos entre los que se tienen el desarrollo urbanístico no planeado. Respecto a este último, se implementan medidas estructurales de control de inundaciones (colectores) para la protección de las comunidades, sin embargo, su nivel de vulnerabilidad se incrementa cuando dichas estructuras son superadas en su capacidad debido a los fenómenos extremos del clima (Ballatore, Huu Loc, Minh Duyen, Hoang My Lan, & Das Gupta, 2017). Por otro lado, de acuerdo con lo mostrado por Sañudo, Rodríguez y Castro (2013) dentro del ciclo natural del agua a lo largo de un evento de lluvia, parte de la precipitación es interceptada por las plantas y la parte restante, una vez en el terreno, según sus características se infiltra y aumenta la humedad del mismo hasta alcanzar el máximo, por lo que se presentan acumulaciones superficiales y flujos de escorrentía superficial y subsuperficial posibilitando la formación de lagos o recarga de acuíferos. De igual forma, se tiene el proceso de evapotranspiración de la vegetación que, junto con la evaporación por acción del sol, cierra el ciclo en cualquier punto devolviendo el agua a la atmósfera en forma de vapor. Según los mismos autores, para el caso del ciclo del agua en las ciudades este proceso es completamente distinto, ya que en dichos sitios se cuenta con baja cobertura vegetal para interceptar la lluvia y se encuentran espacios impermeables con rangos de escorrentía bajo, lo que conlleva a que la mayoría de la precipitación se transforme en escorrentía superficial que durante ciertos eventos de lluvia pueden concentrarse rápidamente originando grandes caudales punta en poco tiempo. De esta manera, en los sistemas de alcantarillado de las ciudades se manejan los sistemas convencionales de drenaje urbano diseñados para la captación, transporte y entregas de las aguas recogidas a las fuentes receptores con el fin de garantizar la recolección de aguas lluvias y seguridad de los vehículos y personas, lo que facilita la evacuación rápida y puntual de la Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 3 escorrentía generada durante un evento de lluvia. Noobstante, para el diseño de dichos sistemas se contemplan las áreas de drenaje asociadas y con el crecimiento de las ciudades y posteriores procesos de impermeabilización, se aumentan estas áreas de drenaje, que puede tener como resultado que los sistemas actuales de drenaje convencional sean insuficientes al considerar el aumento de los volúmenes de agua a captar, condiciones del sitio y duración de los eventos de lluvia (Franco Calderon, 2015). Teniendo en cuenta lo anterior, para mejorar los problemas asociados con el drenaje urbano convencional y proponer soluciones novedosas se vienen incorporando sistemas de aguas lluvias no convencionales acordes con el desarrollo sostenible. De esta manera, han surgido sistemas no convencionales de drenaje urbano conocidos como sistemas de drenaje sostenible (Sustainable Drainage Systems, SuDS), desarrollo de bajo impacto (Low Impact Development, LID), diseño urbano sensible (Water Sensitive Urban Design, WSUD), mejores prácticas de gestión (Best Management Practices, BMP), entre otros. En la bibliografía de habla hispana se conocen comúnmente como sistemas urbanos de drenaje sostenible (SUDS). Así, dichos sistemas se describen como sistemas de drenaje de agua superficial desarrollados en línea con los ideales del desarrollo sostenible, que aumenta las oportunidades y beneficios para asegurar del manejo de dichas aguas (White Rose, 2015). Para efectos del trabajo presentado, en este documento el termino SUDS se refiere a los sistemas que se ocupan del agua superficial como alternativas y/o complemento al drenaje convencional. Franco Calderón (2015) indica que estos sistemas no buscan interferir en el ciclo del agua previo a la urbanización, sino que su objetivo es mitigar los problemas asociados al drenaje urbano convencional, evacuando de manera espacial la escorrentía generada; minimizando los impactos en el desarrollo urbanístico y maximizando la integración paisajística y los valores sociales y ambientales. Además, estos sistemas proponen un manejo más eficiente del agua lluvia, considerándola un recurso y aprovechándola para su reutilización o infiltración al subsuelo, lo cual garantiza un sistema más eficaz y sostenible ya que con la idea convencional del manejo del agua lluvia de removerla del entorno urbano, puede ser visto también como un recurso utilizable que puede ser aprovechado de una manera distinta y este es otro de los cambio de enfoque que se proponen dentro de los Sistemas urbanos de drenaje Sostenible (Ballatore, Huu Loc, Minh Duyen, Hoang My Lan, & Das Gupta, 2017). Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 4 Numerosas publicaciones sobre la temática de los SUDS (Woods-Ballard et al., 2007; SFPUC, 2010; CIRIA, 2015; SEGAE, 2011), incluyen una amplia gama de actuaciones que pueden implementarse de forma aislada o combinada, y son de principal relevancia, entre estas están: las instalaciones de aprovechamiento del agua de lluvia, aljibes, cubiertas vegetadas (green roofs o vegetated roofs); plantación de árboles; superficies permeables; pozos y zanjas de infiltración; sistemas geocelulares; zonas de biorretención; franjas y drenes filtrantes; cunetas vegetadas; depósitos de infiltración y detención; estanques de retención; y humedales artificiales (constructed wetlands)(Trapote Jaume, 2016). A partir de lo anterior, es importante destacar que el desarrollo urbano implica importantes cambios en los usos del suelo que alteran el ciclo hidrológico natural y agravan los problemas relacionados con el drenaje y la gestión de las aguas pluviales y en este sentido, el aumento de la cantidad de escorrentía superficial (surface runoff) es una de las más importantes consecuencias adversas del proceso de urbanización, junto con la disminución de la calidad de la escorrentía y la desnaturalización del ambiente urbano. Es así que, en el proceso de urbanización, las superficies naturales van siendo progresivamente sustituidas por edificaciones, vías y otras superficies impermeables que impiden o reducen significativamente la infiltración, la interceptación, la detención, la retención y la evapotranspiración; con lo que es notable que incorporar diariamente el agua en nuestras vidas implica que la comunidad puede contribuir con el drenaje sostenible, ya que como lo plantea Sharma (2008) el agua se está convirtiendo en recurso escaso por lo que hay una urgente necesidad de integrar el drenaje y planes de manejo del agua superficial para reducir entre otros, los problemas de contaminación difusa. De esta manera, la solución buscada por SUDS puede contribuir con el mejoramiento ambiental y traer beneficios en la mitigación de inundaciones. Teniendo en cuenta lo expuesto anteriormente, el municipio de Paipa no ha sido ajeno a los procesos descritos y tiene en una gran cobertura como característica de alcantarillado, sistemas de recolección y conducción que durante un evento de lluvia recoge las aguas residuales y las aguas generadas por escorrentía por el mismo sistema conocidos como “Sistemas combinado”, lo que ha generado en ciertos eventos de lluvia, el colapso de las redes generando inundaciones y afectaciones a la población. En consecuencia, el municipio está ejecutando obras para hacer una renovación del sistema de alcantarillado, considerando primordialmente, lograr una separación de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 5 los componentes de la recolección de las aguas lluvias y las aguas residuales; sin embargo, en ciertos sectores del municipio se siguen presentando inconvenientes con las inundaciones. En este sentido, a lo largo del presente documento se muestra una evaluación de los sistemas urbanos de drenaje sostenible aplicados al municipio de Paipa, analizándolos desde un punto de vista técnico y económico y comparando dichos aspectos con respecto a la propuesta de separación de los sistemas y reformulación del plan maestro de alcantarillado que actualmente se está implementando en el municipio. Planteamiento del problema de estudio El sistema actual de alcantarillado de la ciudad de Paipa principalmente se encuentra combinado, lo que tiene como consecuencia que, en eventos de lluvia, se presenten problemas para evacuar la totalidad de la escorrentía generada dentro del casco urbano, debido a limitantes en la capacidad hidráulica del Sistema, presencia de escombros en los cauces, cambios en los patrones de lluvias y usos de suelo, dando como resultado inundaciones en las vías y calles del municipio. Por lo anterior, la administración municipal ha realizado inversiones en el rediseño del plan maestro de alcantarillado, con la construcción de colectores pluviales, para separar las aguas lluvias de las aguas servidas y optimizar el actual sistema de alcantarillado, contemplando instalación de tuberías, pozos de inspección y sumideros laterales, pretendiendo hacer una captación y conducción de las aguas lluvias hacia los sistemas hidráulicos naturales (Municipio de Paipa, 2017); sin embargo, se siguen presentado problemas de inundaciones y encharcamientos en la ciudad. (Sala de Prensa Alcaldia de Paipa, 2017) De esta manera, durante el trabajo se va a evaluar del uso de los Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS) para el manejo de aguas lluvia en zonas potenciales identificadas dentro del casco urbano de Paipa, mediante un análisis técnico-económico de alternativas que permita seleccionarlas y compararlas con la propuesta que se está implementando bajo el proyecto de “Sistema de Alcantarillado Separado”. Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 6 Objetivos General Evaluar el uso de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS) para manejo de aguas lluvia en el área urbana del municipio de Paipa. Específicos Describir las características de la red de alcantarillado existente del municipio de Paipa. Realizarun análisis de alternativas con Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible a nivel de prefactibilidad. Realizar una comparación de aspectos técnico-económicos a nivel de prefactibilidad de tres alternativas seleccionadas bajo el modelo de SUDS y el modelo de Separación del sistema de alcantarillado proyectado. Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 7 Alcance y limitaciones En el siguiente documento se presentan los resultados de la información recopilada de distintas fuentes acerca de los SUDS, enfocando la consulta en tipologías y dimensionamiento. Para este proyecto, el marco de referencia es el perímetro urbano del municipio de Paipa, por lo que se hizo la revisión de información existente relacionada con las características de la ciudad, poniendo énfasis en los planes maestro de alcantarillado y reformulación del sistema de alcantarillado y, en consecuencia, con lo cual se definirán zonas potenciales para implementación de SUDS y visitas de campo. Así, teniendo en cuenta el tamaño del municipio de Paipa, el alcance del trabajo desarrollado está enmarcado en evaluar a nivel de prefactibilidad el uso de los SUDS para el manejo del agua lluvia en la ciudad y la evaluación específica para la comparación se realizó en el sector conocido dentro del municipio como “Villa Panorama”. Por otro lado, para el presente estudio no se realizaron ensayos o mediciones de variables en terreno. Finalmente, en el predimensionamiento de los SUDS, se obtuvieron incertidumbres en los parámetros de diseño, por lo tanto, para el predimensionamiento de las alternativas se utilizaron guías de diseño realizadas en otras regiones del país y del mundo, adaptándolas a las condiciones locales con los mejores criterios con el objetivo de generar mejores recomendaciones. Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 8 Justificación y pertinencia Los cambios en los usos de suelo y desarrollo urbanístico en las ciudades, tienen como resultado una mayor impermeabilización del suelo y una disminución en la infiltración en el terreno, generando en ciertos eventos de lluvia altos volúmenes de escorrentía superficial y caudales picos superiores a la capacidad de los sistemas de alcantarillados, provocando inundaciones y encharcamientos en las vías y calles. Esto exige modificaciones en la gestión actual del agua lluvia. Así, el uso de los SUDS está empezando a ser mencionado en la normatividad colombiana, donde en la resolución 330 del año 2017 se encuentra el artículo 153 “Sistemas Urbanos de drenaje sostenible” y en las guías dadas por el Departamento Nacional de Planeación, se encuentra “Lineamientos para el diseño de Sistemas Urbanos de drenaje sostenible”. De igual manera, se encuentra información en las normas técnicas del acueducto y alcantarillado de Bogotá, lo que hace necesario tener en cuenta los SUDS en la planeación de los proyectos. Por otra parte, el municipio de Paipa ha presentado afectaciones por el manejo del agua lluvia, como las presentadas en los años 2016 (figura 1) y 2017 donde por represamiento de aguas lluvias se generaron afectaciones en distintos puntos de la ciudad, lo que generó emergencias por inundaciones. En consecuencia, esta situación hace considerar que los Sistemas de drenaje actuales no presentan un funcionamiento óptimo, por lo que los SUDS presentan un nuevo enfoque para abordar dichas problemáticas. Figura 1. Evidencia de inundaciones en el municipio de Paipa, Boyacá (RCN Radio, 2016) Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 9 Marco teórico Definición de los sistemas urbanos de drenaje sostenible El manejo de la escorrentía superficial llevado a la implementación de Sistemas de Infraestructura de agua fue diseñado para encargarse de la lluvia diariamente, controlar eventos extremos y tener resiliencia a los impactos del cambio climático (McDonald, 2018). Para el manejo del agua pluvial en las áreas urbanas de las ciudades, se presenta una alternativa que toma en cuenta aspectos hidrológicos, medioambientales y sociales conocida como prácticas de manejo en la fuente o por sus siglas en inglés SMPs ( Source Management Practices), las cuales pretenden tener un control de la lluvia con el fin de reducir la escorrentía superficial y cantidad de contaminantes que ingresan a los sistemas de drenaje convencional; su enfoque principal es controlar el agua en el sitio donde cae y tan pronto como sea posible mediante procesos de detención y/o infiltración para luego ser entregada a las fuentes naturales y subterráneas o a los sistemas de drenaje existentes. Haciendo énfasis en las prácticas de manejo en la fuente de acuerdo a la referencia que se adopte, en el Reino Unido se conocen como Sustainable Drainage Systems (SuDS) o Sistemas de drenaje Sostenible, en Estados Unidos y Canadá se tienen los Best Management Practices (BMPs) o Mejores Prácticas de Gestión y los Low Impact Developments (LIDS) o desarrollo de bajo impacto, que se enfocan en la interacción de los procesos naturales y el ambiente urbano con el fin de preservar ecosistemas para la gestión del agua y para el caso general de Europa y Sudamérica se conocen como Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS), que hacen referencia en diferentes escalas (regional o local) al restablecimiento del ciclo hidrológico natural previo a acciones antrópicas y de urbanización y generar el menor impacto en cuanto a calidad y cantidad de la escorrentía por el desarrollo urbanístico mediante el manejo de procesos de almacenamiento e infiltración (Lovado C., 2015). Específicamente, los SUDS consisten en prácticas e instalaciones de manejo de agua a pequeña escala diseñadas para drenar el agua superficial de una manera más sostenible que las prácticas convencionales de conducir la escorrentía a través de tuberías hacia los cuerpos de agua (McDonald, 2018), además estos sistemas son usados con el enfoque principal del mantenimiento de la salud pública, protección de los recursos hídricos de la contaminación, preservando la diversidad biológica y los recursos naturales para futuras necesidades (Qianqian Zhou, 2014). En el presente estudio, se adoptó la denominación de los Sistemas Urbanos de drenaje Sostenible Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 10 (SUDS), ya que es el nombre preferiblemente usado en Colombia, de acuerdo con la Resolución 330 de 2017. De esta manera, las técnicas con sistemas urbanos de drenaje sostenible, reúnen un conjunto de componentes que conforman parte de la infraestructura verde de una ciudad cuya finalidad es la captación de la escorrentía superficial generada tras un evento de lluvia para luego ser almacenada, filtrada, reutilizada y/o infiltrada en el terreno natural, brindando la posibilidad de disminuir los volúmenes de agua en superficie, además de reducir las cargas contaminantes, antes de introducirla al sistema de alcantarillado (Loro Cubel, 2016). Así, el uso de los SUDS puede abrir nuevos panoramas en la configuración de redes combinadas entre éstos y los sistemas convencionales, procurando así un mayor control sobre la calidad y cantidad de la escorrentía superficial generada en entornos urbanos, reduciendo así riesgos de inundación y de contaminación. Por lo tanto, en la planeación de proyectos, se deben estudiar distintos factores físicos, climáticos, sociales y económicos que condicionen el diseño, construcción y comportamiento de los SUDS. Además, estos sistemas integran las aguas pluviales dentro de los paisajes urbanos, con lo que los sistemas urbanos de drenaje Sostenible, son también definidos como elementos integrantes de la infraestructura que relaciona los componentes urbano, hidráulico y paisajístico, con el fin de captar, filtrar, retener, transportar, almacenar e infiltraral terreno el agua, minimizando su pérdida de calidad y permitiendo en parte la eliminación de forma natural de contaminantes por procesos de escorrentía urbana (Perales Momparler, 2008). Según lo planteado por Butler y Davies (2011) en algunos casos el resultado del uso de los SUDS implica que todo el drenaje de aguas lluvias sea conducido hacia los cursos naturales llegando incluso a no necesitar de los alcantarillados pluviales, pero en la mayoría de casos esto es difícil de lograr. Por ende, lo que se busca reducir primordialmente es la descarga de las aguas pluviales a los sistemas convencionales e influir necesariamente en el diseño de los mismos, ya que la reducción de cargas de escorrentía brinda la posibilidad de considerar sistemas de alcantarillados pluviales con dimensiones menores y no tan extensos. Además, en el caso de sistemas de alcantarillados ya instalados, minimiza el riesgo de sobrecargas a los sistemas y en el caso de alcantarillados combinados, reduce los caudales de ingreso del agua pluvial, así como también la reducción de combinación con vertimientos y aguas residuales recogidas por los sistemas. Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 11 En Colombia, los sistemas urbanos de drenaje sostenible(SUDS) se definen como un conjunto de soluciones que se aplican al sistema de drenaje urbano con el fin de retener el mayor tiempo posible las aguas lluvias en donde son generadas, minimizando riesgos de inundación, reducción de impactos en la calidad y cantidad de escorrentía (Ministerio de Vivienda, 2017). Por esta razón, entre los beneficios que tiene el uso de los SUDS, cabe mencionar: a) protección de las personas e infraestructura del riesgo de inundación resultante de áreas desarrolladas; b) protección de la calidad de aguas subterráneas de la escorrentía contaminada por procesos de escorrentía, así como su posible recarga; c) integración de las aguas lluvia en el paisaje y en los entornos urbanos; y d) disminución de la carga que llegan directamente a las plantas de tratamiento y puede solucionar incapacidad hidráulica de la red de colectores del sistema convencional. Para lograr la sostenibilidad deseada de los SUDS, se debe garantizar un apropiado diseño, construcción y mantenimiento de cada uno de sus elementos que lo conforman; es por ello que se diseñan para maximizar beneficios y oportunidades que se puedan asegurar de la gestión del agua de escorrentía. La organización CIRIA (Construction Industry Research and Information Association) o la Asociación de Información e Investigación de la Industria de la Construcción, define cuatro pilares para el diseño de SUDS, como se relaciona en la tabla 1. Tabla 1 Pilares para el diseño de SUDS Pilares para el diseño de los SUDS Ítem Descripción Cantidad de agua Control de la cantidad de agua de escorrentía para apoyar la gestión del riesgo de inundación y entre otras proteger el ciclo natural del agua. Calidad de agua Manejo de la calidad de la escorrentía para prevenir la contaminación de la misma Amenidad Contempla la creación y mejor mantenimiento de lugares para las personas. Biodiversidad Contempla la creación y mantenimiento de espacios para la naturaleza. Fuente: Elaboración propia a partir de la revisión de CIRIA (2015). Por lo anterior, se pueden establecer algunos objetivos para el uso de SUDS, entre los que están: a) disminuir la cantidad de agua de escorrentía de lluvia en términos de volumen y caudal, permitiendo una reducción de incrementos de caudal punta causados por zonas urbanizadas y riesgo de inundaciones aguas abajo; b) mejorar la calidad de agua conducida por los procesos de escorrentía, ya que en parte reduce la carga y concentración de contaminantes a los que está expuesta el agua lluvia protegiendo los cuerpos receptores de agua; c) generar beneficios al entorno Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 12 en términos de valor añadido y biodiversidad ya que se aumenta el valor del entorno y se provee hábitat para distintas especies animales y vegetales en áreas urbanas; d) minimizar la perturbación del suelo y la vegetación existente; e) reducir demanda de agua potable, con la gestión integral de recursos hídricos al fomentar la reutilización de agua en origen de las aguas lluvia y las aguas grises; f) incorporar múltiples usos al sitio intervenido; g) involucrar a la comunidad en el proceso de selección para el uso de los Sistemas. De acuerdo con CIRIA (2015) los procesos que se asocian al control de la escorrentía en áreas desarrolladas para la disminución del riesgo de inundación, conservación del agua y recargas subterráneas, se resumen en la tabla 2, que se presenta a continuación. Tabla 2 Procesos para el control de la escorrentía Procesos para el control de la escorrentía Proceso Definición Infiltración Inmersión o remojo de agua a través de las capas de suelo, transfiriendo el agua a diferentes partes del ambiente reduciendo el volumen de escorrentía drenada. Los procesos de infiltración varían de acuerdo al tipo de suelo y a los antecedentes de humedad que se tengan en el sitio de implementación. Atenuación Ralentización del flujo superficial de agua previo a su transporte aguas abajo, reduciendo el caudal pico de escorrentía Transporte Transferencia de la escorrentía superficial de un sitio o sistema a otro. Captación de agua, cosecha de agua o “Water harvesting” Captura directa y uso de la escorrentía en el sitio de captación dando un uso doméstico al agua de lluvia recolectada Sistemas de tratamiento componentes que remueven ciertos contaminantes o facilitan la conversión de ciertas sustancias en sus partes más simples Sistemas de superficie permeables Estructuras superficiales que permiten la penetración del agua en ellas disminuyendo la proporción de escorrentía transportada por y hacia los sistemas de drenaje. Fuente: Elaboración propia a partir de la revisión de CIRIA (2015). Por otro lado, un término que se encuentra al hacer referencia a los sistemas urbanos de drenaje sostenible, es el de la cadena de drenaje sostenible o tren de tratamiento (Fernández Escalante, Doménech, & Perales-Momparler, 2014), ya que se considera que dichos sistemas no deberían ser pensados como elementos individuales, sino en la medida de lo posible, deben proponerse combinaciones entre distintos SUDS o como complemento de los Sistemas convencionales existentes. En otras palabras, el tren de tratamiento hace referencia al uso de una secuencia de componentes con una función específica que en conjunto hacen una gestión integral y completa al agua de escorrentía desde su captación hasta su descarga al medio acuático receptor. Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 13 Con lo anterior, desde un punto de vista hidrológico, los SUDS se caracterizan de acuerdo al impacto que hacen sobre la escorrentía de agua y sus procesos de encausamiento, de acuerdo con lo planteado por Qianqian Zhou (2014), como se relaciona en la tabla 3. Tabla 3 Procesos de encausamiento Tipos de Procesos de encausamiento Proceso Definición Control en el sitio Enfoca sus medidas en la prevención y reducción de impactos por inundación. En estos pueden ser incluidos elementos y medidas concernientes al uso del adecuado diseño y limpieza de áreas locales o sitios en específico. Control en la fuente Presenta medidas destinadas a la detención y atenuación de los excesos de escorrentía aguas arriba o a una distancia cercana a su fuente de generación permitiendo su infiltración o proporcionando un volumen de retención en superficies. Controles aguas abajo o control regional En este se incluyen medidas aguas abajo relacionadas a la capacidad de transporte de los Sistemas y pueden ser aplicadas directamente a la red de alcantarillado con áreas tributarias de apreciable tamaño. Fuente: Elaboraciónpropia a partir de la revisión de Qianqian Zhou (2014). En suma, los conceptos anteriores se relacionan para formar la cadena de drenaje sostenible de la gestión del agua donde se propone en primer lugar, la prevención en el sitio o control de la contaminación de la escorrentía mediante programas de sensibilización, educación, buena gestión de residuos, planificación y diseño urbano; posteriormente se agregan las medidas para la gestión en origen o control en la fuente hacia el manejo de la escorrentía lo más cerca posible del lugar donde se genera evitando su contaminación y concentración de volúmenes de agua en un punto. Finalmente, se pasa a la gestión del entorno urbano o control en el sitio para hacer una gestión de áreas mayores a través de sistemas que permitan la retención, infiltración o estructuras de transporte, proponiéndose la gestión en cuencas o control aguas abajo, concernientes a los sistemas robustos y que requieren espacios que permiten gestionar la escorrentía de grandes áreas (Rodriguez Arbelo, 2017). En conclusión, para la implementación de SUDS algunas de las consideraciones que se tienen en cuenta son las condiciones del sitio de análisis, para lo que se debe contar con un entendimiento de las condiciones del lugar y usarlas como base para la selección apropiada de sistemas de control. Algunos de los elementos que se consideran para ello son el clima local, el tamaño de la tormenta de diseño, los suelos, la erosión, la pendiente además del control de inundaciones y drenajes Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 14 procurando hacer un diseño integral de dichos Sistemas (Bay Stormwater Management Agencies Association, s.f.) Clasificación de los sistemas urbanos de drenaje sostenible Los Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible pueden ser diferenciados entre medidas no estructurales y medidas estructurales (Perales & Domenech, 2007). La figura 2 muestra una clasificación general de las tipologías más comunes que encuentran de los SUDS. Figura 2. Clasificación general de los SUDS. Fuente: elaboración propia a partir de la revisión de Franco Calderón (2015). Teniendo en cuenta lo anterior, en la figura 2 se muestran como medidas no estructurales aquellas que previenen la contaminación del agua y el transporte total de las escorrentías aguas abajo, reduciendo su contacto con contaminantes, por lo que estas no actúan directamente sobre las redes de alcantarillado con obras. Además, según Rodriguez Arbelo (2017) se encuentran programas de participación ciudadana para la concientización y socialización de problemáticas de la gestión del agua y sus soluciones y controles del planeamiento urbanístico y del crecimiento de las ciudades donde se contemplen sistemas de drenaje efectivo en conjunto con la salud pública, la seguridad y el ambiente. De igual manera, se encuentran también el diseño y gestión de los usos del suelo, programas de gestión de residuos en casa, prevención y limpieza de vertidos y reutilización de aguas de escorrentía en usos no domésticos, entre otros (Anta, Suarez, Puertas, Del Rio, & Hernaez, 2008). Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible Medidas no- estructurales Programas de aseo de elementos de drenaje para reducir contacto de la escorrentia con contamiinantes. Programas de particiapicion ciudadana con uso de normas y leyes. Medidas estructurales Sistemas de Control en Origen Zonas de bio- retencion Alcorques inundables Techos verdes Sistemas de Tratamiento Pasivo Estanques de retencion Laguna de retención Sistemas de filtracion y transporte Cunetas verdes Drenes filtrantes Sistemas de infiltracion Zanjas de infiltracion Estanques o depósitos de infiltración Pavimentos permeables Otras medidas Tanque de Almacenamien to Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 15 Respecto a las medidas estructurales, se encuentran aquellas alternativas o medidas que toman y requieren elementos constructivos para la gestión de la escorrentía, por lo que necesitan un diseño y construcción de obras. En cuanto a la cadena de drenaje sostenible, entre las técnicas con SUDS se encuentran los Sistemas de control en origen donde se toman medidas en el lugar donde la cae la lluvia permitiendo su infiltración, se establecen los sistemas de transporte que permiten la conducción de la escorrentía y por último se encuentran los sistemas de almacenamiento y tratamiento pasivo, ubicados al final de la red que facilitan alargar la estancia de la escorrentía para su aprovechamiento o retención antes de verterlo al medio. En la tabla 4, se muestran algunas medidas estructurales. Tabla 4 Medidas estructurales con SUDS. Medidas estructurales Figura 3. Ejemplo de Zona de bio-retención Figura 4. Ejemplo de Alcorques Inundables Figura 5. Techos verdes Figura 6. Ejemplo Estanque de retención Figura 7. Ejemplo de Lagunas de retención Figura 8. Ejemplo de cunetas verdes Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 16 Figura 9. Ejemplo de drenes filtrantes Figura 10. Ejemplo de Zanjas de Infiltración Figura 11. Ejemplo de depósito de Infiltración Figura 12. Ejemplo de Pavimentos Permeables Figura 13. Ejemplo tanques de almacenamiento Fuente: Elaboración propia a partir de la revisión de Zorrilla Martínez (2015) y Centro de Investigaciones en Ingenieria Ambiental (2017). A continuación, se hace una breve descripción de los sistemas mencionados en la tabla 4. Zonas de bio-retención. Permiten que la escorrentía sea infiltrada en zonas deprimidas con suelos de permeabilidad alta o capas filtrantes y drenes de arena o gravilla, además cuentan con vegetación en su superficie para mejorar procesos de mejoramiento de la calidad del agua. Los procesos que se dan en este tipo de sistema son la interceptación de la lluvia, detención, evapotranspiración, infiltración y eliminación de contaminantes, permitiendo principalmente la reducción de volúmenes de escorrentía en la zona (Trapote & Fernandez, 2016). Pueden ser implementados en separadores de zonas viales, andenes, áreas de uso residencial, parqueaderos, zonas recreativas y áreas comerciales (Centro de Investigaciones en Ingenieria Ambiental, 2017). Por otro lado, brindan biodiversidad y paisajes atractivos que son auto-irrigantes y fértiles además de ayudar al enfriamiento de microclimas locales debido a procesos de evapotranspiración. (CIRIA, 2015). Algunas limitaciones que se tienen para el uso de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 17 estos sistemas son en sitios de baja pendiente que permitan un adecuado mantenimiento y así mismo pueden requerir la implementación de estructuras de pretratamiento. (Rey Valencia, 2019) Alcorques inundables. Según Borrero García, Giraldo González & Vega Salazar (2016) los alcorques indudables permiten el control y tratamiento biológico de la escorrentía captada, en donde la interacción de plantas y microorganismos remueven cierto tipo de contaminantes. Se componen por una caja o contenedor por lo general de concreto, vegetación en su superficie y un medio poroso por donde se infiltra el agua; para la vegetación se usan los árboles, ya que estos tienen la capacidad de absorber nutrientes, permiten evapotranspirar parte de la escorrentía y filtrar parte de los contaminantes además de retener el agua de lluvia. De igual forma, los autores anteriormente mencionados especifican que, en esta tipología, la escorrentía entra por una estructura de conducción (rejilla), parte de esta se retiene en el suelo o se evapotranspira y otra parte puede ser infiltrada a través de las capas del medio poroso hacia las aguas subterráneas, sistemas de drenaje o depósitos para aprovechar su uso. Finalmente, se utilizan en las aceras o andenes de las calles y no tienen gran capacidad de manejo de volúmenes de escorrentía; de igual forma algunas limitacionesque presentan estos sistemas son las pequeñas áreas de drenaje y volúmenes de escorrentía que son capaces de manejar, altos costos de mantenimiento y terrenos planos para su instalación. Techos verdes. Son sistemas livianos también considerados como sistemas de filtración y transporte que cuentan con una cobertura delgada de vegetación y sustrato instalado sobre el techo de las edificaciones, por lo general se usan en bajas pendientes de diseño y entre sus beneficios se encuentra la mejora en regulación de temperatura en el sitio y la generación de zonas verdes para recreación y uso social. Estos están en la capacidad de tratar, balancear y reducir caudales pico de escorrentía, donde en un período de lluvia el agua puede ser evaporada, evapotranspirada o drenada lentamente gracias a las capas de cobertura vegetal presente, además los excesos de lluvia pueden ser conducidos mediante tuberías perforadas al sistema de drenaje del edificio (Vega Piña, 2015). En estos sistemas, el agua de escorrentía ingresa de manera directa al del techo verde donde es detenida temporalmente por las capas de cobertura vegetal y los sustratos incorporados, y pueden diseñarse diferentes configuraciones en el sitio de implantación para mejorar la estética de los inmuebles y generar alimentos a través de prácticas de agricultura urbana (Martinez Acosta, Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 18 2017). Para el diseño de estos sistemas se requiere que la vegetación a utilizar este en condiciones de soportar periodos de calor y frío, además de que debe ser perenne, resistente a la sequía, con poco requerimiento de agua después de que ya se encuentra establecida con preferencia por suelos bien drenados y autosustentables, donde no se requiera el uso de fertilizantes o herbicidas (Martinez Candelo, 2013). Según Trapote y Fernández (2016) se pueden encontrar tres tipos de techos verdes: 1) techos verdes extensivos, si la vegetación es baja y ocupa la totalidad de la superficie; 2) Techos verdes intensivos, donde se incluyen elementos de un jardín convencional como lugares de reunión e iluminación por lo que suponen una mayor carga para la estructura; y 3) techos verdes intensivos simples, son muy ligeras y la vegetación corresponde a plantas tapizantes como césped. Estanques de retención. Estos sistemas corresponden a un volumen de almacenamiento disponible en un sitio que se encuentra vacío la mayor parte del año, excepto en la ocurrencia de periodos de lluvia donde se llena y vacía en pocas horas permitiendo su uso para otras actividades (Ministerio de vivienda y urbanismo Chile, 2005). Entre las ventajas que se encuentran por el uso de estos sistemas están: 1) la reducción del caudal punta en un determinado evento; 2) el tratamiento de volúmenes de aguas de escorrentía permitiendo la degradación de contaminantes y de metales pesados; y 3) la posibilidad de crear espacios con valor paisajístico y de uso social para recreación. De igual manera, estos sistemas cuentan con capacidad de gestión de tormentas con período de retorno alto, pero no garantizan una reducción significativa en el volumen de escorrentía y requieren de grandes áreas para su implementación por lo que en algunos casos los costos de mantenimiento son altos. (Borrero Garcia, Giraldo Gonzalez, & Vega Salazar, 2016). De acuerdo con lo planteado por el Ministerio de vivienda y urbanismo Chile (2005) los estanques de retención se diseñan para la reducción del caudal máximo aguas abajo, así como también para permitir la remoción de sedimentos que se van acumulando en el fondo. Estos sistemas comúnmente reciben el agua de escorrentía proveniente de techos, calles, estacionamientos, conjuntos residenciales, áreas comerciales e industriales y pueden ser empleados junto con otras tipologías de SUDS. Estos se pueden encontrar también bajo la denominación de depósitos de detención o estanques secos, teniendo estos últimos el mismo criterio de ser diseñados para la reducción de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 19 caudales punta, laminación del hidrograma de entrada a la estructura y almacenar la escorrentía por un periodo corto de tiempo, variando únicamente en su nomenclatura (Anta, Suarez, Puertas, Del Rio, & Hernaez, 2008). En otros países, los estanques de retención son conocidos también cuencas de detención (CIRIA, 2015), correspondiendo a elementos en línea con salida restringida, donde la escorrentía superficial es conducida a través de la cuenca y cuando se presenta un aumento en los flujos de la misma, la cuenca se llena posibilitando el almacenamiento de la escorrentía y atenuación del flujo. Estas cuencas pueden ser depresiones con cobertura vegetal brindando tratamiento al agua con la remoción de sedimentos, materiales flotantes y ciertos metales. Lagunas de retención. También son llamados pondajes húmedos vegetados y son utilizados para el almacenamiento temporal del agua generada por procesos de escorrentía con el fin de proporcionar una laminación y atenuación de caudales pico del hidrograma además de un tratamiento adecuado a los volúmenes de agua captados, permitiendo mejorar la calidad del agua por procesos de retención. Por lo general, son áreas deprimidas que además de permitir el almacenamiento temporal del agua cuentan con una piscina permanente o estacional, la cual ayuda a mejorar la calidad del agua por procesos de sedimentación de partículas finas e incluye otros procesos físicos, químicos y biológicos que garantizan el adecuado tratamiento del agua de escorrentía (Vega Piña, 2015). En períodos secos o entre períodos de lluvia, es posible que la laguna requiera de alimentación externa para mantener dichos volúmenes permanentes. Estas lagunas pueden recibir el agua de escorrentía proveniente de calles, estacionamientos, barrios residenciales, áreas comerciales y sitios industriales (Borrero Garcia, Giraldo Gonzalez, & Vega Salazar, 2016). De igual forma, en estos sistemas se permite la proliferación de flora y fauna de ambiente acuáticos, donde el volumen de agua constante oculta los sedimentos almacenados y permite eliminación de nutrientes, metales pesados, coliformes y materia orgánica (Rodriguez Arbelo, 2017). Las lagunas de retención también se denominan estanques de retención húmedos, donde estrictamente se limitarían a evaporar o infiltrar el agua almacenada, pero el término de retención aplicado en estanques, relaciona el almacenamiento de volúmenes de escorrentía hasta que es desplazado por precipitaciones posteriores por lo que existe cierto volumen de agua que se almacena de forma permanente (Anta, Suarez, Puertas, Del Rio, & Hernaez, 2008) Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 20 En otros países, las lagunas de retención son relacionados con los estanques de retención “ponds” y humedales “wetlands”, igualmente definidos como capas de suelo, con una “piscina” permanente de agua que provee tanto atenuación como tratamiento al agua de escorrentía superficial, estas pueden tener vegetación a lo largo de sus bordes y en la superficie, por lo cual ayuda al mejoramiento de los procesos de tratamiento del agua, beneficios de amenidad y biodiversidad en el sitio de implementación (CIRIA, 2015). Cunetas Verdes. Son consideradas como sistemas de filtración y transporte, y corresponden a canales trapezoidales o triangulares, con alta vegetación que tiene pendientes laterales y transversales bajas, son implementadas para la conducción de la escorrentía hacia otras estructuras de drenaje. La vegetación usada puede corresponder a pastos densos y resistentes a las sequias, y se usan para aumentar la rugosidad de la cuneta y disminuir la velocidad a la cual se transporta la escorrentía. Son ubicadas de manera lateral a las carreteras, zonas adyacentes a parqueaderos u otros espacios públicos asi mismo debido a la ocupacion superficialque requieren para su uso presentan restricciones en entornos urbanos muy consolidados o con poco espacio disponible aunque por su alto valor estetico resultan apropiados para ser usados en zonas residenciales. (Rodriguez Bayon, Rodriguez Hernandez , Gomez Ullate Fuente, & Castro Fresno ) Estos sistemas no garantizan una reducción significativa del volumen de escorrentía ni de atenuación de los caudales pico, pero permiten procesos de sedimentación y la eliminación de cierto tipo de contaminantes, pero ante errores en la construcción pueden generar problemas de erosión (Borrero Garcia, Giraldo Gonzalez, & Vega Salazar, 2016). Así mismo pueden encontrarse restricciones en el sitio como su implementación en zonas con pendientes longitudinales menores a 4%, requerimientos mayores de área superficial para intervenir y una necesidad de mantenimiento constante para su funcionamiento (Rey Valencia, 2019) Las cunetas verdes presentan algunos beneficios aguas abajo del sitio, cuando son usadas para la recolección y transporte de escorrentía, como lo es la protección de cuerpos receptores frente a eventos extremos y control de velocidades en las entregas (Centro de Investigaciones en Ingenieria Ambiental (CIIA), 2017), además están compuestos de tuberías de entrada y salida para manejo de la escorrentía, disipador de energía, taludes laterales para el manejo de escorrentía superficial y distribuidores de flujo para abarcar el ancho de las cunetas. Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 21 Drenes filtrantes Por otro lado, se asocia el concepto de drenes filtrantes, que son franjas de pendiente suave cubiertos por capas vegetales que tratan la escorrentía que ingresa por flujo laminar, proveniente de áreas impermeables adyacentes. Los procesos que se presentan en estos sistemas son la reducción de la velocidad de flujo y filtración de solidos suspendidos y contaminantes además de permitir la infiltración al suelo circundante (Vega Piña, 2015). Así que, estos sistemas permiten la filtración y almacenamiento de las aguas lluvias captadas que permiten gestionar y dar un tratamiento a los volúmenes captados (Codolá Roselló, 2015). Estos sistemas son zanjas poco profundas recubiertas de geotextil y rellenadas con material filtrante de tipo granular o sintético, que permiten captar la escorrentía de superficies impermeables adyacentes y el transporte de aguas abajo del sitio, permitiendo procesos de filtración y laminación de los volúmenes captados donde se incorporan elementos de drenaje para su transporte. Además, dependiendo de la ubicación de los elementos de drenaje se conocen bajo la denominación de drenes franceses, empleados en el drenaje de carreteras para la captación y drenaje de aguas subterráneas (Sañudo Fontaneda, Rodriguez Hernandez , & Castro Fresno, 2012). Por esta razón, su uso se recomienda en terrenos de baja permeabilidad o en lugares donde la infiltracion de agua al terreno provoque riesgo de estabilidad a estructuras cercanas, debido al transporte y conduccion de la escorrentía. Zanjas de infiltración. Estos sistemas corresponden a excavaciones lineales, de forma cuadrada y que son rellenadas con material granular, donde la escorrentía se capta primero temporalmente, luego es almacenada en el material granular atenuando los caudales pico y posteriormente de acuerdo a las condiciones del sitio, es infiltrada en el suelo circundante. Los materiales granulares usados le brindan la capacidad para mejorar la calidad del agua (Centro de Investigaciones en Ingenieria Ambiental (CIIA), 2017) . Se diseñan principalmente para infiltrar total o parcialmente la escorrentía captada dependiendo las condiciones del sitio a intervenir, por lo que en algunos casos se usan geotextiles y estructuras complementarias como tuberías para el manejo del agua que no es infiltrada a través de suelo. Dentro de los beneficios que trae su uso, se encuentra la preservación el balance hídrico, recarga de acuíferos y preservación de caudales base de arroyos y cauces, pero están limitadas en cuanto a la operación, captación y tratamiento de cierto tipo de contaminantes por lo que requieren Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 22 mantenimiento frecuente y estructuras de pretratamiento para remoción de sedimentos (Borrero Garcia, Giraldo Gonzalez, & Vega Salazar, 2016). El uso de las zanjas de infiltración se recomienda en áreas residenciales ya que estas presentan baja concentración de sedimentos o aceites, aunque igualmente pueden recibir el agua proveniente de franjas de césped que actúan como filtros. Algunos de los elementos que componen estos sistemas son cámara de entrada, alimentación superficial, zanja, relleno, geotextil, cámara de rebose y tubería de distribución (Ministerio de Vivienda y urbanismo Chile, 1996). Estanques o depósitos de infiltración. De acuerdo con Vega Piña (2015) son zonas superficiales en depresión o baja pendiente, donde el agua es almacenada para su posterior infiltración a través de su fondo y lados. Pueden ser de bajas profundidades ubicados en suelos permeables o en depresiones naturales ubicadas en áreas abiertas o recreacionales, excavados en el terreno. También se conocen como cuencas de infiltración y capturan un volumen de diseño o tratamiento donde al agua lluvia se infiltra a través del fondo de la cuenca en el suelo circundante en un periodo de tiempo posterior, además en los períodos cuando se supera dicho volumen de diseño, se añaden elementos de drenaje aguas abajo para descargar los excedentes. Ayudan a disminuir los caudales máximos o pico en un determinado evento, disminuyen el volumen escurrido por la escorrentía que llegan a los sistemas de drenaje, recargan fuentes subterráneas de agua y mejoran la calidad del agua en el estanque, de igual forma entre períodos de lluvia ofrece espacios de uso para fines recreacionales y demás. Estos sistemas pueden aprovechar espacios de jardines, zonas verdes, lugares públicos, institucionales o privados donde se capta la escorrentía generada por techos o elementos de urbanizaciones (Ministerio de Vivienda y urbanismo Chile, 1996). En estos sistemas, los flujos superficiales que se captan se convierten en subterráneos y los procesos que permiten el mejoramiento de la calidad de agua son la filtración, adsorción y transformaciones biológicas (Rodriguez Sanchez, 2013). Pavimentos permeables. Estos sistemas proveen un pavimento adecuado para tráfico peatonal y vehicular mientras permiten que el agua de lluvia se infiltre en sus capas, donde es temporalmente almacenada antes de usarse, infiltrarse al suelo o controlar la descarga aguas abajo. Pueden ser de tipo poroso, donde el agua se infiltra a través de sus capas superficiales, de tipo concreto poroso o asfalto poroso y de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 23 tipo pavimentos permeables que están compuestos en su superficie por capas que son impermeables al agua (CIRIA, 2015). Son recomendados para zonas donde hay tráfico bajo y trafico liviano, debido a su sensibilidad frente a peso y velocidad del tráfico, y generalmente están compuestos por una capa de pavimento permeable, una capa de sustrato, una capa de depósito de agregados y un drenaje perforado subterráneo. Su funcionamiento empieza con la infiltración de la escorrentía captada reduciendo volúmenes y disminuyendo los caudales pico, parte de estos volúmenes pueden ser dirigidos hacia aguas o drenajes subterráneos donde por procesos de absorción se mejora la calidad del agua y pueden encontrarse pavimentos continuos en hormigón o asfalto y pavimentos discontinuos mediante elementos modulares, los cuales pueden ser usados en espacios como carreteras, aparcamiento, aceras, parques, terrazas entre otros. (Borrero Garcia, Giraldo Gonzalez, & Vega Salazar, 2016). Estos sistemas pueden necesitar mantenimiento desde etapas constructivaspara evitar obstrucciones en los poros de acuerdo al tipo de pavimento y pueden generar riesgo de contaminación del agua subterránea en función de las condiciones del suelo y uso de la tierra (Rey Valencia, 2019). Tanques de almacenamiento. Son estructuras rígidas con forma prismática que permiten la retención de un volumen de escorrentía de un determinado evento de lluvia, que luego puede ser usada para fines no domésticos o que no requieran calidad de agua potable. La entrada de escorrentía a estos sistemas puede darse a través de sistemas de drenaje convencional, sistemas de captación y conducción puntual. Estos sistemas son generalmente empleados para interceptar, conducir y almacenar agua lluvia procedente de techos, parqueaderos, entre otros; su capacidad varía desde tanques de lluvia o residenciales hasta grandes depósitos para usos comerciales, institucionales o industriales (Vega Piña, 2015). Entre sus limitaciones pueden mencionarse el riesgo de afectaciones a la salud pública por la generación de hábitats de reproducción de mosquitos por lo que se requiere realizar mantenimientos frecuentes a los elementos (Rey Valencia, 2019). Este tipo de estructuras pueden ser de tipo superficial a través de la captación de agua de techos de las casas en depósitos plásticos, y de tipo subterráneo ubicado por debajo grandes vías, fábricas de producción o de grandes proyectos; su uso se recomienda al final de trenes de tratamiento con SUDS o complementaria a otras tipologías. Estos sistemas no cuentan con capacidad de tratamiento de la calidad del agua y es recomendado el uso de rejillas en la entrada Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 24 de los sistemas para minimizar el ingreso de contaminantes. (Centro de Investigaciones en Ingenieria Ambiental (CIIA), 2017). Normatividad y aspectos legales Teniendo en cuenta la información recopilada, se encuentran distintas guías y manuales con diferente nivel de detalle que abordan el tema de los Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible exponiendo sus conceptos, tipologías, dimensionamientos y recomendaciones de diseño y construcción. Así, en primer lugar, en el reino Unido se encuentra, “The SuDS Manual”, CIRIA C753 del año 2015 (CIRIA , 2015), donde se exponen varios de los sistemas expuestos al inicio de este capítulo de acuerdo a las consideraciones y criterios que se tienen. En Estados Unidos se encuentran varias referencias bajo el nombre de “Low Impact Developments (LID)”, como el manual de gestión del agua pluvial, “Stormwater Management Manual” de la ciudad de Atlanta publicado en el año 2016 ("Department of watershed management, City of Atlanta ", 2016) y el manual de diseño de aguas pluviales “Stormwater Design Manual VOLUME II”, de Maryland del año 2000 (Department of the environment Maryland, 2009), ambos correspondientes a guías metodológicas para el diseño de los Sistemas. Además, se encuentra “Stormwater Best Management Practices: Guidance Document” publicado en el año 2013 por la Comisión de Agua y Alcantarillado de Boston donde se muestran herramientas y elementos de diseño para potenciales aplicaciones de los SUDS (Boston water and sewer commmission, 2013). En España, se tienen diversos documentos como artículos, trabajos de grado y estudios con ejemplos de aplicación de los SUDS en el país, donde exponen criterios y recomendaciones de diseño. Dentro de estos se destacan: “Estudio de alternativas para la construcción de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS) en el campus de las Llamas de la Universidad de Cantabria (Zorrilla Martinez, 2015); “SUDS: Metodología de cálculo y experiencias en áreas urbanas” publicado en la Escuela de caminos de la UPC Barcelona (Codolá Roselló, 2015); “Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible, Hacia una gestión integral del ciclo urbano del agua” publicado en la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid (Rodriguez Arbelo, 2017); y “Nuevas tendencias en la gestión de drenaje pluvial en una cuenca urbana”, que es una tesis de la Universidad de la Rioja publicada en el año 2013 (Rodriguez Sanchez, 2013). Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 25 Por otro lado, en el contexto latinoamericano, en Chile puede encontrarse guías metodológicas de diseño de los SUDS como la titulada “Técnicas alternativas para soluciones de aguas lluvias en Sectores Urbanos” publicada en el año 1996 por el Ministerio de Vivienda y urbanismo (Ministerio de Vivienda y urbanismo Chile, 1996), además de la “Guía de diseño y especificaciones de elementos urbanos de infraestructura de aguas lluvias”, publicada en el año 2005 por el Ministerio de Vivienda y Urbanismo (Ministerio de vivienda y urbanismo Chile, 2005) Finalmente, para Colombia se encuentran documentos y guías metodológicas del diseño de los SUDS, entre la que se destaca el documento técnico de soporte llamado “Sistemas urbano de drenaje sostenible SUDS para el plan de ordenamiento Zonal norte POZN” donde en una zona de análisis con problemáticas del drenaje se hace una revisión bibliográfica y posterior análisis de aplicación de SUDS (Secretaria distrital de Ambiente, 2011); se encuentra también la “Guía técnica de diseño y construcción de Sistemas Urbanos de drenaje Sostenible (SUDS)” realizada en colaboración entre la Universidad de los Andes, la Alcaldía Mayor de Bogotá y la empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá (Centro de Investigaciones en Ingenieria Ambiental (CIIA), 2017); esta guía hace parte de la investigación de las tipologías y/o tecnologías de sistemas urbanos de drenaje sostenible que más se adapten a las condiciones de Bogotá y se encuentra también reglamentados por la norma técnica de servicio, denominada “Criterios para diseño y construcción de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible” (Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogota, 2018). Así mismo, se encuentra el proyecto “50 lineamientos para el diseño de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible” publicado por el Departamento Nacional de Planeación y Ministerio de Ambiente en el año 2018. Guía de diseño de los sistemas urbanos de drenaje sostenible Teniendo en cuenta las características del trabajo desarrollado y la necesidad de incluir en detalle el funcionamiento y dimensionamiento de los SUDS, así como sus materiales constructivos y componentes estructurales, se estableció que la guía para llevar a cabo la investigación es principalmente, el documento realizado por la Universidad de los Andes, ya que este permite profundizar y conocer en detalle las características de los SUDS allí considerados dada la similitud entre las condiciones climáticas y urbanísticas de Bogotá y el altiplano cundiboyacense. De igual manera, se hizo uso de la norma técnica de servicio de la empresa del Acueducto y Alcantarillado Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 26 de Bogotá “NS-166” (Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogota, 2018), que permitió complementar los conceptos de los SUDS en base al primero. Por lo tanto, en concordancia con las medidas estructurales mencionadas para el municipio de Paipa, se consideran los siguientes Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible: 1) Cuencas secas de drenaje extendido (CSDE); 2) Tanques de almacenamiento; 3) Zonas de bio-retención; 4) Alcorques inundables; 5) Cunetas verdes; 6) Zanjas de infiltración; 7) Pavimentos permeables. A continuación, se muestran los aspectos relevantes de los SUDS mencionados en la guía y que sirven de base para hacer análisis de alternativas. Restricciones de sitio de implementación. De acuerdo a la NS-166 del acueducto y alcantarillado de Bogotá, las tipologías anteriormente expuestas presentan las restricciones de sitio como se relaciona en la tabla 5. Tabla 5 Restricciones de sitio para SUDS Ítem Tipologías 1 2 3 4 5 6 7 (P) Pendiente longitudinal (%) 1 – 15 >1 < 10 < 10 1 – 10 1-5 0.5 -5 Distancia al nivel freático(m) > 3 > 2 > 1.8 > 1 > 1.5 > 3 > 3 Tasa de infiltración del Suelo (mm/hr) > 7 - > 7 > 7 > 13 > 7 > 13 Distancia a cimientos (m) > 6 - > 6 > 2 > 4 > 6 > 6 Fuente: (Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogota, 2018) A continuación, se hace una descripción de las consideraciones que se mencionan de cada una de las tipologías seleccionadas. 1. Cuenca seca de drenaje extendido (CSDE) Corresponde a depresiones de terreno extensas en terreno permeable, que almacenan temporalmente el agua de escorrentía. Cuenta con taludes laterales que permiten la captación y detención temporal de un volumen de agua, para posteriormente drenar o evacuar el agua almacenada con el fin de mantener secos estos sistemas entre períodos de lluvias, lo cual permite su uso como zonas recreativas. Se recomienda utilizarla para nuevos desarrollos urbanos o espacios públicos amplios con el fin de asegurar su planeación y cobertura y son representadas como una geometría prismática de área rectangular con pendiente lateral (Z) (Centro de Investigaciones en Ingenieria Ambiental (CIIA), 2017). En la figura 14, se muestra un esquema de los elementos de la cuenca seca de drenaje extendido. Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 27 Figura 14. Esquema en planta de cuenca seca de drenaje extendido (Centro de Investigaciones en Ingenieria Ambiental (CIIA), 2017). De acuerdo con la CSDE y la NS-166 EABB (2018) algunos de los materiales y elementos que conforman las cuencas secas de drenaje extendido se mencionan a continuación en la tabla 6. Tabla 6 Materiales y elementos que conforman cuencas secas de drenaje extendido Material y/o elemento Descripción 1. Estructura de entrada Se requiere tener una antecámara para permitir sedimentación antes del ingreso a la zona de inundación, se recomienda que esta sea de fondo firme para remoción de sedimentos. 2. Canal de caudales bajos Este elemento lleva los flujos bajos a la micropiscina, su material de diseño puede ser en base de concreto o de base suave o vegetados, cualquiera de las que se use se requiere una pendiente entre 0.004 m/m y 0.01 m/m; las de base en concreto ayudan a la estabilización del fondo de la cuenca y las de base suave son de fácil construcción además mejoran la calidad de agua y requieren tener un mantenimiento adecuado. 3. Micropiscina Esta se ubica antes de la estructura de salida del sistema para reducir zonas húmedas y zonas para mosquitos. Su material en el fondo se recomienda sea de concreto o una capa de arena de mínimo 45 cm con una tubería perforada anexa, rodeada de una capa de grava de 25 cm de espesor para permitir filtración de agua antes de permitir la salida. 4. Estructura de salida Para estos Sistemas la estructura más usada en una placa perforada de acero inoxidable de 0.6 cm de grosor, se usa además una malla del mismo material antes de la placa perforada para evitar la obstrucción de la placa. 5. Superficie de la cuenca Se debe procurar el uso de vegetación nativa como pastos perennes en el fondo y pendientes laterales. 6. Tubería de salida Como sistema de drenaje se requiere el uso de cloruro de polivinilo (PVC) o de polietileno de alta densidad (HDPE). Fuente: elaboración propia a partir de la revisión de (Centro de Investigaciones en Ingenieria Ambiental (CIIA), 2017) y (Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogota, 2018) De igual manera, en la tabla 7 se presentan los parámetros de diseño recomendados para el dimensionamiento de las Cuencas Secas de drenaje Extendido. 1 2 3 4 5 6 Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 28 Tabla 7 Parámetros de diseño cuenca seca drenaje extendido Estructura Parámetros Valor Unidad Cuenca seca de drenaje extendido Razón l/w superficial ≥ 2 m/m Pendiente lateral máxima (Z) ≥ 3 m/m Pendiente longitudinal de fondo (Sf) 1 % Pendiente transversal de fondo 1 % Profundidad de diseño (d) 0.25 < d < 3 m Ancho mínimo de fondo (Wf) 45 m Tiempo de drenaje 24 – 48 h Pendiente de canal de caudales bajos 0.0004 – 0.01 m/m Fuente: (Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogota, 2018) En este mismo sentido, se recomienda como actividades de operación y mantenimiento las mostradas en la tabla 8. Tabla 8 Actividades de operación y mantenimiento CSDE Actividad Frecuencia Remoción de residuos acumulados en estructuras de entrada, salida, en la misma cuenca y en las estructuras de pretratamiento y rebose si son usadas Mensual De acuerdo a las condiciones climáticas del sitio realizar el riego de la vegetación asociada a la Cuenca y el barrido de áreas circundantes Quincenal Fuente: (Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogota, 2018) Para estos sistemas se debe hacer actividades de inspección continua de cada uno de sus componentes, vegetación asociada, control de plagas y de los sustratos. 2. Tanques de almacenamiento. En la figura 15, se muestra un esquema de los tanques de almacenamiento. Figura 15. Esquema en perfil de tanque de almacenamiento (Centro de Investigaciones en Ingenieria Ambiental (CIIA), 2017) Así, se recomienda que el material del depósito de almacenamiento sea sólido e impermeable. Respecto a los tanques que son superficiales, es necesario que su material sea plástico y para tanques subterráneos sean concreto; en ambos casos se requiere sellar los depósitos Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 29 con un impermeabilizante no tóxico. Para controlar los procesos de sedimentación y acumulación de materia orgánica, se recomienda el uso de rejillas a la entrada del sistema o dispositivos de primer lavado y filtros de mangas, y así mismo se recomienda el uso de mallas a la entrada para evitar entrada de mosquitos y otros animales (Centro de Investigaciones en Ingenieria Ambiental (CIIA), 2017). De manera general, se sugieren como actividades de operación y mantenimiento las mostradas en la tabla 9. Tabla 9 Actividades de operación y mantenimiento tanques de almacenamiento Actividad Frecuencia Remoción de residuos acumulados en los canalones, bajantes y rejillas según sea el caso, remoción de residuos acumulados en las estructuras de salida y entrada y remoción de residuos acumulados en los Sistemas de pretratamiento y rebose. Mensual Inspección cada componente del sistema Mensual Fuente: (Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogota, 2018) 3. Zonas de bio-retención. Estos sistemas ofrecen la posibilidad de infiltración completa cuando las tasas de infiltración en suelos son altas. El caso de la infiltración parcial se presenta cuando se requiere reducir parte del drenaje en la zona de infiltración nula cuando no se cuenta con posibilidad de infiltración en el sitio, para lo cual se requiere tubería perforada al fondo de la capa de drenaje y recubrimiento con geomembranas. En las figuras 16 y 17, se muestra un esquema de las zonas de bio-retención. Figura 16. Esquema de zona de bio-retención (Centro de Investigaciones en Ingenieria Ambiental (CIIA), 2017) 1 2 Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible 30 Figura 17. Perfil de una zona de bio-retención (Centro de Investigaciones en Ingenieria Ambiental (CIIA), 2017). Por otro lado, algunos de los materiales y elementos que conforman las zonas de bio- retención son: 1) geometría de la zona: el ancho de fondo (Wr), largo de fondo (lr), ancho superficial (Ws), muro de retención, disipador de energía, estructura de entrada estructura de rebose; 2) cobertura vegetal asociada correspondiente a arbustos, cercas o cerramientos de ser necesario; 3) sustrato o medio filtrante (dm): esta se ubica en la parte superior del sistema y permite filtrar el material fino, ayudar al crecimiento de plantas y absorción de nutrientes
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