Descarga la aplicación para disfrutar aún más
Vista previa del material en texto
1 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) ESTUDIO DE ALTERNATIVAS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE SISTEMAS DE DRENAJE URBANO SOSTENIBLE EN LA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES DE LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID TRABAJO FIN DE MÁSTER PARA LA OBTENCIÓN DELTÍTULO DE MÁSTER EN INGENIERÍA AMBIENTAL FEBRERO de 2023 Ariadna López Rodríguez DIRECTOR DEL TRABAJO FIN DE MÁSTER: Jorge Rodríguez Chueca A ri a d n a L ó p e z R o d rí g u e z Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 3 AGRADECIMIENTOS Expreso mi más sincero agradecimiento a la Universidad Politécnica de Madrid por la posibilidad de concederle a este trabajo una beca de sostenibilidad. Además de a todos aquellos trabajadores que me han aportado los datos necesarios para llevarlo a cabo y me han permitido acceder a las instalaciones de la escuela. A mi familia, pareja y amigos por su apoyo incondicional. Resumen 4 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) RESUMEN El rápido crecimiento de la población y de las ciudades ha provocado la impermeabilización del medio urbano provocando una alteración en el ciclo hídrico natural del agua. Esto se debe a que al desaparecer las zonas verdes capaces de captar el agua de lluvia se han incrementado ciertos problemas ambientales como las escorrentías, las inundaciones o la contaminación y los sistemas convencionales son ineficientes ante estas situaciones. Además, esto unido a la creciente demanda de agua constituyen un serio problema en la gestión del ciclo urbano. Para solventarlo se puede recurrir a la aplicación de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS) los cuales se basan en diseños capaces de captar el agua de lluvia, transportarla, almacenarla y reutilizarla disminuyendo así la carga de agua sobrante y favoreciendo a una correcta administración del agua pluvial. Este Trabajo de Fin de Máster tiene como objetivo el estudio de alternativas para implantar estos sistemas en el campus de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid. Se exponen una total de cinco propuestas de las cuales tres se implantarían en azoteas, una se ubicaría en la zona de aparcamiento de vehículos y la última, en las pistas de tenis y pádel de la universidad. Para ello, se han seguido ciertos parámetros de diseño, en primer lugar, conocer las características de la zona entre las que se pueden destacar las condiciones climáticas o el grado de permeabilidad. A partir de esto, se procede a la elección del SUDS que mejor se adapte a dichas condiciones. Si bien se puede optar por una gran variedad de diseños, este proyecto se centra en cubiertas vegetales y pavimentos permeables y un techo, que recoja el agua de lluvia para su almacenamiento, que cuente a su vez con paneles solares en las zonas deportivas. No obstante, existen otros tipos que se podrían aplicar como pozos y zanjas de infiltración o cunetas vegetadas. Finalmente, una vez elegido el emplazamiento y el sistema que se va a construir se procede a su dimensionamiento con el fin de asegurar que el SUDS escogido es capaz de garantizar el almacenamiento de volumen necesario. La finalidad de estas alternativas sostenibles es la de evitar eventos como escorrentías o inundaciones, además de conseguir una mejor gestión del agua al reutilizar la almacenada por los SUDS en usos como el riego de jardines o el lavado de calles, reduciendo así el gasto de agua potable de la universidad. Para ello, se podría emplear un aljibe existente en el campus el cual recogería la carga de agua sobrantes de las cubiertas vegetales y la almacenaría hasta su posterior uso. No obstante, para poder llevarlo a cabo es necesario hacerla pasar por un filtro de arena y, posteriormente, realizar un tratamiento con cloro u ozono para obtener la calidad de agua exigida por la normativa. Palabras clave: Gestión recursos hídricos; Agua de lluvia; SUDS; Sostenibilidad; Economía circular. Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 5 ACRÓNIMOS Y ABREVIATURAS INSTITUCIONES UE: Unión Europea ABREVIATURAS SUDS: Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible AEMET: Agencia Estatal de Meteorología ODS: Objetivos de la Agenda de Desarrollo Sostenible ETSII: Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales UPM: Universidad Politécnica de Madrid EDAR: Estación Depuradora de Aguas Residuales BOE: Boletín Oficial del Estado BMPs: Best Management Practices EE. UU: Estados Unidos de América CIRIA: Construction Industry Research and Information Association CEDEX: Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas Curva IDF: Curva de Intensidad, Duración y Frecuencia CSIC: Consejo Superior de Investigaciones Científicas NCAs: Normas de Calidad Ambiental SO4: Sulfato PO4: Fosfato CaCO3: Carbonato de calcio Cl: Cloro UNIDADES BÁSICAS m: Metro (longitud) m2: Metros cuadrados (superficie) m3: Metros cúbicos (volumen) l: Litros (volumen) ml: Mililitros (volumen) h: Horas (tiempo) min: Minutos (tiempo) s: Segundo (tiempo) m3/s: Metros cúbicos por segundo %: Porcentaje mm/h: Milímetros por hora UFC: Unidades Formadoras de Colonias UNT: Unidad Nefelométrica de Turbidez UPC: Unidades Platino-Cobalto S/m: Siemens por metro mg/L: Miligrama por litro FORMATO "," separador decimales "." separador de miles Índice 6 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) ÍNDICE AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................................ 3 RESUMEN ............................................................................................................................................. 4 ACRÓNIMOS Y ABREVIATURAS ................................................................................................... 5 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES .......................................................................................................... 8 ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................................... 9 1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 10 1.1 El ciclo del agua en las ciudades ......................................................................................... 13 1.2 Gestión de la escorrentía ..................................................................................................... 15 2. OBJETIVOS ................................................................................................................................ 17 3. METODOLOGÍA ....................................................................................................................... 18 4. LOS SISTEMAS URBANOS DE DRENAJE SOSTENIBLE ................................................. 19 4.1 Introducción ......................................................................................................................... 19 4.2 Estado del arte ..................................................................................................................... 20 4.3 Beneficios e inconvenientes de los SUDS ........................................................................... 22 4.4 Emplazamiento de los SUDS .............................................................................................. 23 4.5 Tipología de SUDS ............................................................................................................... 24 4.6 Marco legislativo ..................................................................................................................30 4.7 Proceso de diseño ................................................................................................................. 31 4.7.1 Condiciones del lugar .................................................................................................. 31 4.7.2 Criterios de selección del tipo de SUDS ..................................................................... 35 4.7.3 Dimensionamiento ....................................................................................................... 35 5. APLICACIÓN A UN CASO PRÁCTICO ................................................................................ 38 5.1 Contextualización del caso práctico ................................................................................... 38 5.2 Problemática en la gestión del agua de la Escuela ............................................................ 39 5.3 Criterios de diseño ............................................................................................................... 40 5.4 Criterios de selección del tipo de SUDS ............................................................................. 42 5.5 Alternativas de diseño ......................................................................................................... 43 5.5.1 Aplicación de cubiertas vegetales en el caso práctico ............................................... 43 5.5.2 Implantación de pavimentos permeables en el caso práctico .................................. 53 5.5.3 Implantación de paneles solares y cubierta en las zonas deportivas ....................... 57 5.6 Diseño de las propuestas ..................................................................................................... 60 5.7 Presupuesto de los diseños propuestos .............................................................................. 62 6. REUTILIZACIÓN DEL AGUA ................................................................................................ 67 7. VALORACIÓN DE ASPECTOS DEL TRABAJO ................................................................. 74 8. CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 75 9. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 76 Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 7 10. PLANIFICACIÓN TEMPORAL Y PRESUPUESTO ........................................................ 80 10.1 Planificación temporal ........................................................................................................ 80 10.2 Presupuesto .......................................................................................................................... 81 Índice 8 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Porcentaje de precipitación acumulada con respecto a la media 1981-2010 en el invierno de 2021-2022. ............................................................................................................ 11 Ilustración 2. Porcentaje de precipitación respecto de la media en 1981-2010- julio 2022. .... 11 Ilustración 3. Los 17 Objetivos de la Agenda de Desarrollo Sostenible 2030 ......................... 12 Ilustración 4. Infiltración del agua en función del terreno ....................................................... 13 Ilustración 5. Hidrograma en función de la superficie de escorrentía ...................................... 14 Ilustración 6. Crecimiento mundial de la población frente al volumen de almacenamiento de los embalses .............................................................................................................................. 15 Ilustración 7. Los tres pilares de los SUDS .............................................................................. 19 Ilustración 8. Tren o cadena de gestión. ................................................................................... 20 Ilustración 9. Ejemplos de SUDS en España ........................................................................... 21 Ilustración 10. Ejemplos de emplazamientos de SUDS ........................................................... 23 Ilustración 11. Ejemplo de cubierta vegetal. ............................................................................ 25 Ilustración 12. Ejemplos de pavimentos permeables. .............................................................. 26 Ilustración 13. Ejemplo de pozos y zanjas de infiltración ........................................................ 27 Ilustración 14. Ejemplo de drenes filtrantes ............................................................................. 28 Ilustración 15. Ejemplo de cunetas vegetadas .......................................................................... 28 Ilustración 16. Balsas de detención .......................................................................................... 29 Ilustración 17. Humedales artificiales ...................................................................................... 29 Ilustración 18. Ejemplo de aljibe superficial ............................................................................ 30 Ilustración 19. Zonas climáticas según la variación de la precipitación .................................. 32 Ilustración 20. Coeficientes de permeabilidad en función del drenaje y el tipo de suelo ........ 33 Ilustración 21. Esquema de dimensionamiento. ....................................................................... 35 Ilustración 22. Imagen aérea de la Escuela Politécnica Superior de Ingenieros Industriales ... 38 Ilustración 23. Espacios verdes alrededor de la escuela. .......................................................... 39 Ilustración 24. Alcantarillas estancadas de la universidad. ...................................................... 39 Ilustración 25. Rango de precipitaciones en la estación Retiro (2000-2021) ........................... 41 Ilustración 26. Indicación de los lugares de estudio. ................................................................ 43 Ilustración 27. Imágenes de la primera azotea ......................................................................... 44 Ilustración 28. Imágenes de la segunda azotea ......................................................................... 45 Ilustración 29. Imágenes tercera azotea ................................................................................... 46 Ilustración 30. Capas de la cubierta vegetal. ............................................................................ 48 Ilustración 31. Imágenes del aparcamiento de la ETSII ........................................................... 53 Ilustración 32. Tipos de pavimentos permeables ..................................................................... 54 Ilustración 33. Instalaciones deportivas de la ETSII ................................................................ 57 Ilustración 34. Diseño de la azotea número 1 con cubierta vegetal. ........................................ 60 Ilustración 35. Diseño de la azotea número 2 con cubierta vegetal ......................................... 60 Ilustración 36. Diseño de la azotea número 3 con cubierta vegetal. ........................................ 61 Ilustración 37. Diseño de la cubierta de la pista de tenis ......................................................... 61 Ilustración 38. Diseño de la cubierta de la pista de pádel ........................................................ 62 Ilustración 39. Cubierta vegetal conectada a un aljibe ............................................................. 67 Ilustración 40. Ejemplo de conducto plano .............................................................................. 68 Estudiode alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 9 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.Cantidad de escorrentía en función del tiempo y de la cantidad de precipitación ...... 15 Tabla 2. Curva IDF para tiempo retorno=10. ........................................................................... 32 Tabla 3. Valores de K conforme a la vegetación. .................................................................... 33 Tabla 4. Coeficiente de escorrentía en función del tipo de superficie ...................................... 34 Tabla 5. Valores de precipitación. ............................................................................................ 40 Tabla 6. Peso estimado de diferentes tipos de cubiertas vegetadas. ......................................... 48 Tabla 7. Estimación de los caudales y volúmenes de lluvia de las cubiertas vegetales ........... 50 Tabla 8. Resultados de los volúmenes de escorrentía .............................................................. 51 Tabla 9. Parámetros para las cubiertas vegetales. .................................................................... 51 Tabla 10. Estimación de los caudales y volúmenes de lluvia de los pavimentos permeables . 56 Tabla 11. Estimación de los volúmenes y caudales de lluvia en las zonas deportivas............. 59 Tabla 12. Ejemplo criterios económicos de cubierta vegetal. .................................................. 63 Tabla 13.Ejemplo criterios económicos de pavimento permeable ........................................... 64 Tabla 14. Estimación de los criterios económicos de la cubierta de las pistas de tenis y pádel. .................................................................................................................................................. 65 Tabla 15. Estimación criterio económico de los paneles solares. ............................................ 66 Tabla 16. Consumo de suministro de agua en m3 .................................................................... 69 Tabla 17. Volumen de agua potable que ahorraría la universidad. .......................................... 69 Tabla 18. Resultados de la calidad de agua de lluvia de un estudio en Colombia. .................. 70 Tabla 19. Criterios de calidad de las aguas para uso urbano. ................................................... 71 Tabla 20. Resultados de calidad del agua de lluvia después del tratamiento de un estudio en Colombia. ................................................................................................................................. 72 Tabla 21. Cronograma del trabajo ............................................................................................ 81 Tabla 22. Presupuesto de recursos humanos ............................................................................ 81 Tabla 23. Presupuesto de los recursos materiales .................................................................... 81 Tabla 24. Presupuesto total asumido por el alumnado ............................................................. 81 Introducción 10 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 1. INTRODUCCIÓN El agua es un recurso esencial para garantizar la vida de los seres vivos. El 70% del planeta está formado por este recurso distribuido en masas de agua tanto salada como dulce. Actividades humanas como la alimentación, la salud, la producción de energía, las industrias, y la naturaleza dependen de este recurso. Por ello, el correcto aprovechamiento del agua y su reutilización son temas fundamentales puesto que, en ocasiones, una mala gestión desemboca en una escasez del recurso. Asimismo, la disponibilidad, calidad y cantidad de agua se están viendo afectadas por el cambio climático generando un riesgo para el disfrute del agua de millones de personas. Este fenómeno provoca variaciones en las precipitaciones y caudales de los ríos y embalses al igual que en el agua destinada a los cultivos; además de incrementar el riesgo del aumento del nivel del mar e inundaciones causadas por el desbordamiento de lagos glaciares (1). Sin embargo, uno de los efectos más devastadores generados por el cambio climático es la alteración del ciclo hídrico natural lo que provoca grandes movimientos de agua que incentivan las catástrofes naturales, como inundaciones o sequías, incluso en zonas donde el riesgo siempre ha sido mínimo. Es importante tener en cuenta que estos efectos del cambio climático afectan más gravemente a las zonas menos desarrolladas puesto que carecen de las herramientas necesarias para paliar dichos impactos. En 2020, se indicaba que el uso mundial de agua se había duplicado por seis en el último siglo y su aumento constante es de un 1% anual. El gasto pronunciado y rápido de recursos hídricos se debe tanto al auge de la población como al desarrollo económico, como los más destacados (2). Asimismo, hoy en día el agua es uno de los factores afectados por el cambio climático puesto que se han visto incentivadas tanto las sequías como las inundaciones. Según ha informado la Agencia Estatal de Meteorología, el 2022 en España se considera el tercer año más seco de lo que va de siglo y el cuarto desde 1961 (3). El invierno se ha caracterizado por ser cálido y seco, alcanzando las precipitaciones solamente el 45% del valor habitual y con temperaturas por encima de lo normal, tal y como puede verse en la Ilustración 1. Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 11 Ilustración 1. Porcentaje de precipitación acumulada con respecto a la media 1981-2010 en el invierno de 2021-2022. Fuente: (3) En el caso de la primavera, el mes de mayo ha sido extremadamente seco, no obstante, la estación en su conjunto se considera bastante lluviosa, aunque no lo suficiente para paliar la sequía de los meses anteriores. El verano se ha caracterizado por la aparición de una ola de calor cuya temperatura media peninsular ha sido de 25,6 ºC y la precipitación media de 8,6 mm. Tal y como se puede observar en la Ilustración 2, las precipitaciones en la mayor parte del país fueron escasas, no obstante, en zonas como Aragón, Cataluña o la Rioja, se llegaron a superar los 40 mm en el mes de julio (3). Ilustración 2. Porcentaje de precipitación respecto de la media en 1981-2010- julio 2022. Fuente: (3) Introducción 12 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) Según indica el Informe Mundial de las Naciones Unidas sobre el Desarrollo de los Recursos Hídricos 2020, es necesario adaptarse para poder mitigar el cambio climático mediante una adecuada gestión hídrica con el fin de cumplir con el Acuerdo de París, el Marco de Sendai para la Reducción del Riesgo de Desastres y los Objetivos de la Agenda de Desarrollo Sostenible 2030 (ODS), véase en la Ilustración 3. Ilustración 3. Los 17 Objetivos de la Agenda de Desarrollo Sostenible 2030 Fuente: (4) El ODS número 6 tiene como metas la mejora de la gestión del agua, encontrando soluciones que permitan un uso eficiente, responsable y sostenible del recurso. No obstante, es importante tener en consideración otros objetivos relacionados con el uso responsable del agua como son los números 3, 11, 12 y 14. El primero está focalizado en garantizar la salud y el bienestar de todos los seres humanos. Para ello, es necesario contar con un mayor saneamiento y una mejor higiene, es decir, facilitar el acceso a toda la población a una buena calidad del agua. Por otro lado, el objetivo número 11, orientado en lograr que las ciudades y las comunidades sean más sostenibles, se enfrenta a la rápida urbanización y, como consecuencia, a servicios inadecuados y sobrecargados como los sistemas de agua y saneamiento o la recogida de residuos. En cuanto al 12, producción y consumo responsables, se basaen lograr un uso adecuado tanto del medio natural como de los recursos. Actualmente, tanto las aguas costeras como los océanos se ven sometidos a diversas situaciones adversas que desembocan en problemas, tanto para los seres vivos como para el propio ecosistema. Con el fin de paliar esta situación, surge el objetivo número 14 referente a la vida submarina, el cual pretende proteger el medio marino, así como la vida que habita en ellos. Para ello, se plantean propuestas como la reducción de la sobrepesca, la contaminación y la acidificación de estos hábitats (4). En este Trabajo se propone como medio para mitigar y adaptarse a la problemática causada por el cambio climático, el emplazamiento de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS) en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid. Los SUDS poseen funciones de drenaje, filtración y almacenamiento que contribuyen a la mejora de la gestión del agua urbana, disminuyendo las escorrentías y recuperando los ciclos hídricos. Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 13 1.1 El ciclo del agua en las ciudades El ciclo hidrológico comienza con la evaporación de masas de agua como consecuencia del calor aportado por el Sol. Las corrientes ascendentes de aire elevan el vapor el cual se condensa al mezclarse con las bajas temperaturas formando nubes. De estas últimas, cae precipitación en forma de lluvia, aunque también en forma de nieve o granizo. Parte de la precipitación termina en los océanos y el resto, en la superficie terrestre generando escorrentía. Por un lado, esta escorrentía alcanza los ríos desembocando posteriormente en los océanos y, por otro lado, se infiltra en el suelo recargando los acuíferos. Cabe destacar que la vegetación cumple una función esencial en este proceso al interceptar y devolver la lluvia a la atmósfera a través de la evapotranspiración (5). Este ciclo puede verse afectado en el marco urbano debido a la impermeabilidad existente donde el aumento de la población urbana acarrea el crecimiento de las ciudades y con ello, la transformación del paisaje natural en uno urbano (5). Entre otros, uno de los inconvenientes derivados de ello es la reducción de la cubierta vegetal cuyos efectos más relevantes son (6): - Reducción de la infiltración - Aumento de los volúmenes de escorrentía - Incremento de las inundaciones - Aumento de caudales pico y disminución de caudales base Al aumentar la escorrentía y disminuir la infiltración, se impide que el agua de lluvia penetre en el terreno. Además, en algunas ciudades pueden existir acuíferos los cuales debido a esta falta de infiltración se impide la recarga de la zona subterránea dejándola sin agua suficiente para la urbe (Ilustración 4) (6). Además, el incremento de la escorrentía puede acarrear riesgo de inundación en los ámbitos urbanos lo que provocaría daños a personas, bienes o servicios. Ilustración 4. Infiltración del agua en función del terreno Fuente: (45) Introducción 14 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) En cuanto a los caudales punta, estos sucesos provocan que sean distintos a los de las cuencas naturales. En la Ilustración 5 se muestra una gráfica en la que se compara una superficie impermeable con una superficie vegetada teniendo en cuenta el caudal frente al tiempo. El área impermeable se representa mediante líneas discontinuas de color naranja mientras que la zona con vegetación se muestra con líneas rectas de color verde. Comparando ambas superficies, en la zona impermeable se observa que se genera un pico de caudal muy elevado en un periodo corto de tiempo, esto se debe a que apenas existe cobertura vegetal para interceptar la lluvia, lo que provoca que gran parte de la precipitación se concentre y se transforme rápidamente en escorrentía superficial. Además, provoca una disminución del caudal base final. Por otro lado, en la superficie con vegetación, los cambios no son tan acentuados, sino que el caudal sigue una continuidad a lo largo del tiempo puesto que el agua de lluvia se infiltra evitando su acumulación y la formación de escorrentías. Ilustración 5. Hidrograma en función de la superficie de escorrentía Fuente: (46) Otro inconveniente que ocasiona el crecimiento de la población es la necesidad de aumentar los servicios básicos, como agricultura o industrias, generando la extracción de una mayor cantidad de agua con el fin de satisfacer las necesidades de la población. Sin embargo, la recarga de los embalses no sucede con la misma rapidez que el aumento de los habitantes, véase en la Ilustración 6. Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 15 Ilustración 6. Crecimiento mundial de la población frente al volumen de almacenamiento de los embalses Fuente: (2) 1.2 Gestión de la escorrentía La evolución de los sistemas de drenaje y saneamiento de las ciudades comenzó con el fin de controlar las aguas residuales y las escorrentías producidas por las aguas pluviales disminuyendo así el riesgo de inundaciones (7). De esta forma, se ha llegado a emplear, como sistema tradicional de gestión, las conducciones subterráneas diseñadas para transportar el agua lo más rápido posible evitando con ello escorrentías en las zonas urbanas. El agua que procede de las precipitaciones alcanza la red de saneamiento a través de las alcantarillas donde se mezcla con las aguas residuales y ambas se transportan a la Estación Depuradora de Aguas Residuales o EDAR, donde se tratan y, posteriormente, se devuelven al medio. (8) En función de la zona de estudio la cantidad de agua de escorrentía y la infiltración son diferentes. En áreas urbanas, tiende a predominar el suelo impermeable reduciendo la infiltración y favoreciendo la escorrentía superficial causando variaciones tanto en la cantidad (inundaciones) como en la calidad de las aguas (contaminación). Por otro lado, si el área de estudio corresponde con el medio natural, será lo contrario que en las ciudades, siendo mucho mayor la cantidad infiltrada y mucho menor el agua almacenada en la superficie, véase en la Tabla 1. Tabla 1.Cantidad de escorrentía en función del tiempo y de la cantidad de precipitación. Fuente: (8) Cantidad estimada de escorrentía y de infiltración según el grado de urbanización Zona urbanizada Zona residencial (urbanización media) Zona rural Medio natural Escorrentía 95% 70% 30% 5% Infiltración 5% 30% 70% 95% Introducción 16 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) En lo referente a la cantidad, como consecuencia del cambio climático las lluvias son más intensas y, por tanto, las inundaciones se generan con mayor frecuencia. Por su parte, en la calidad de las aguas cabe destacar que las aguas de lluvia son una fuente importante de contaminación. Hay que tener en cuenta que tanto en los canalones de los edificios como en los pavimentos se acumula bastante suciedad y al entrar en contacto con las aguas pluviales, éstas la absorben convirtiéndose en aguas contaminadas (8). Otro medio contaminante de estas aguas es el aire, la lluvia en su trayecto absorbe los contaminantes atmosféricos, que pueden llevar a desembocar en problemas como la lluvia ácida. Asimismo, en algunas zonas la escorrentía superficial se mezcla con aguas residuales lo cual puede suponer un problema en el tratamiento de estas últimas al aumentar el caudal de la red de saneamiento (8). Por tanto, como consecuencia del crecimiento urbano, se generan diferentes problemas tanto de calidad como de cantidad (inundaciones, contaminación difusa, desaparición de cubiertas verdes) los cuales hay que controlar mediante procesos como (5): - Detención - Infiltración - Transporte - Recoleccióndel agua Estos procesos se llevan a cabo al aplicar lo conocido como Sistemas de Drenaje Urbano Sostenible. Con este concepto se da paso a un nuevo diseño urbano cuya función es gestionar las aguas pluviales de una manera más sostenible que la convencional minimizando los problemas relacionados con la escorrentía en las ciudades y reutilizando la mayor cantidad de agua posible (8). Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 17 2. OBJETIVOS Los SUDS son estructuras muy útiles a la hora de luchar contra el cambio climático, reducir la consecuencia de las acciones humanas y prevenir ciertas catástrofes climáticas. Por ello, en este Trabajo Fin de Máster se va a informar a la población de cuál es la finalidad de estas estructuras, sus beneficios, así como de su eficacia al implantarlas en las ciudades. Cabe mencionar que este Trabajo está asociado a una beca de la universidad, concretamente, a las “Becas de Trabajo de Finde Grado y Trabajo de Fin de Máster en 2022 para la Sostenibilidad de los Campus UPM”. Se considera que tanto las universidades como sus campus poseen las características y potencial necesarios para afrontar diversos retos del desarrollo sostenible. En este contexto, la Escuela se ha acogido a un Plan Estratégico de Sostenibilidad Ambiental, cuya aprobación fue en 2018, y a una declaración de compromiso en la acción contra el cambio climático que fue aprobada en 2019 en Consejo de Gobierno. Como consecuencia de ello, se ofertan becas para 25 Trabajos de Fin de Titulación que tengan relación con la sostenibilidad de los campus universitarios. El objetivo principal es generar una guía de diseño con el fin de que cualquier escuela sea capaz de aplicar los pasos e incorporar SUDS en sus campus. Además, para que sea más realista, dichos conocimientos serán aplicados a un caso de estudio particular en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (ETSII). Dicho caso consiste en la implantación de SUDS en diferentes instalaciones del campus como azoteas de edificios, aparcamientos del establecimiento o zonas deportivas con el objetivo de conseguir una mayor sostenibilidad en la universidad. Para alcanzar este fin general, se plantean una serie de objetivos secundarios: − Implantación de techos verdes en tres de las azoteas de la ETSII respetando la maquinaria presente y creando caminos de acceso para su posible revisión o reparación, así como el mantenimiento de la cubierta vegetal. − Sustitución del aparcamiento interior actual por un pavimento de tipo permeable con el fin de evitar escorrentías y acumulación de aguas pluviales. − Instalación de una cubierta en las zonas deportivas exteriores con el fin de poder utilizarse con independencia de las condiciones meteorológicas. Además, se propone colocar paneles solares en la parte superior de dicha cubierta con el fin de obtener autonomía energética lo que supondría un ahorro económico para la universidad. − Minimizar el consumo de agua potable de la ETSII reutilizando la procedente de las precipitaciones en usos como el riego o sistemas de saneamiento. Objetivos 18 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 3. METODOLOGÍA La metodología que se ha seguido en este trabajo presenta dos partes bien diferenciadas, una bibliográfica y otra experimental: - Por un lado, el trabajo es mayoritariamente bibliográfico, no obstante, la información que se ha podido encontrar es escasa puesto que los SUDS son una tecnología poco desarrollada tanto nacional como internacionalmente. Sin embargo, cada vez hay una mayor cantidad de guías con pautas a seguir para su correcta introducción en el medio urbano. Teniendo esto en cuenta, la información recopilada de diferentes publicaciones se ha analizado minuciosamente con el fin de aplicarla a un caso real. - Por otro lado, se ha procedido a aplicar lo recogido del análisis bibliográfico a un caso práctico, concretamente, en el campus de la universidad politécnica de Madrid. Para ello, se han realizado varias visitas a dicho campus con el fin de obtener información más precisa como cuál podría ser la mejor ubicación de los SUDS, cuáles eran los problemas que se podrían resolver con estas técnicas, cuántos obstáculos habría para proceder a dicha implantación o en qué se emplea actualmente el agua del aljibe y cuál es su capacidad. Además, gracias al empleo de herramientas como el telemetro, se han podido realizar medidas tanto de las diferentes áreas elegidas como de los obstáculos presentes en cada zona de estudio. Asimismo, en estas visitas se ha podido hablar con trabajadores de la zona los cuáles han colaborado en la aportación de información y han facilitado el acceso a diferentes lugares a los que el alumnado no puede acceder por su propio pie. Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 19 4. LOS SISTEMAS URBANOS DE DRENAJE SOSTENIBLE 4.1 Introducción Los SUDS tienen la función de gestionar las aguas pluviales y los riesgos que conllevan contribuyendo, en la medida de lo posible, a la protección del medio ambiente. Estos diseños se emplean para captar el agua de lluvia, transportarla, almacenarla y tratarla, reduciendo así la escorrentía y disminuyendo el riesgo de inundaciones, así como de contaminación (6). Además, no solamente evitan problemas relacionados con la gestión del agua, sino que también funcionan como un medio de ahorro en la climatización de edificios, es decir, actúan como medio aislante reduciendo el consumo energético tanto de la calefacción como del aire acondicionado. Con el fin de alcanzar la solución ideal y de mejorar la biodiversidad, el diseño de drenaje sostenible pretende centrarse, principalmente, en tres objetivos (Ilustración 7): - Calidad del agua: con el fin de evitar la contaminación. - Cantidad de agua: controlar la escorrentía y las inundaciones. - Amenidad y biodiversidad: crear un entorno favorable para los seres vivos. Ilustración 7. Los tres pilares de los SUDS Fuente: (6) Los sistemas de gestión del agua se basan en transportar el agua de lluvia desde su lugar de origen hasta la red general. Por ello, en momentos de fuertes precipitaciones el sistema puede colapsar provocando inundaciones y superando la capacidad de agua que pueden tratar las depuradoras. Con el fin de evitar estas catástrofes, a la hora de diseñar SUDS, se establece una estrategia para la gestión del agua de lluvia actuando en cada uno de los tramos de su recorrido, desde el inicio, cuando la lluvia alcanza la superficie, hasta el final, cuando se introduce en la red de saneamiento o se infiltra en el terreno. A este recorrido se le denomina “tren o cadena de gestión” en el cual se emplean una serie de técnicas de forma sucesiva cuyo objetivo es reducir la contaminación, el caudal y los volúmenes de agua (Ilustración 8). Las técnicas que se tienen en cuenta son cuatro: la prevención, el control de la fuente de origen, el control en el entorno y el control regional, de las cuales se describe su función a continuación (6). - Prevención Tal como su nombre indica, se trata de prevenir o evitar la escorrentía y la contaminación a través de técnicas como la limpieza o la reutilización del agua. - Control de la fuente de origen Su función es controlar la escorrentía captando el agua cerca de la fuente de origen. De esta forma, se reduce la cantidad de agua que se transporta al siguiente tramo. - Control en el entorno Trata de gestionar zonas de mayor tamaño, como pueden ser los barrios, mediante sistemas de gestión o de infiltración. - Control regional En esta última fase, se gestiona la escorrentía de zonas más grandes como los humedales. Ilustración 8. Tren o cadena de gestión. Fuente: (47) La sostenibilidad que aportanlos SUDS al medio la consiguen de diferentes formas: - Reduciendo la escorrentía y con ello, el riesgo de inundación. - Reduciendo los volúmenes adicionales de escorrentía - Fomentando la recarga de acuíferos - Reduciendo la contaminación de las aguas - Impidiendo la sobrecarga de agua que alcanza el alcantarillado 4.2 Estado del arte El estudio de las diferentes técnicas de drenaje urbano sostenibles comenzó en los Estados Unidos de América (EE.UU) en la década de 1970 con el nombre de Best Management Practices (BMPs), con el fin de encontrar una solución a la problemática de las inundaciones y la contaminación difusa expuestos en la Clean Water Act, primera ley federal en EE.UU. que regulaba la contaminación del agua (9). Desde ese momento, diversos países han optado por leyes y normativas para fomentarlos como en Australia o en India. Por su parte, en Europa se extendió a finales de 1980 por países del https://www.um.es/documents/3456781/10486227/20181005%2BJornada%2BCAS%2BSUDS%2BIgnacio%2BAndres%2BDomenech.pdf/9f54bdbd-eb3a-42d5-b2e6-e2203482880e Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 21 norte y del centro del continente dando lugar a la aparición de manuales y guías para facilitar su diseño en otros lugares del mundo (9). Fue en Reino Unido donde adoptaron el nombre de “Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible” y, actualmente, es el país europeo donde están más desarrollados y en el cual destaca la organización “CIRIA” (Construction Industry Research and Information Association) que se encarga del estudio de las técnicas de drenaje urbano y publica manuales tanto de diseño como de gestión con el fin de servir de guía para el resto de los países (10). Otros lugares como Francia desarrollaron proyectos siguiendo estos diseños como el “Porte des Alpes” en Lyon donde se emplearon SUDS para frenar la mala gestión del agua. En el caso de España, estas estructuras fueron estudiadas por primera vez en la Universidad de Cantabria por el grupo de investigación “GITECO” en 1993 (11). No obstante, no fue hasta el año 2003 cuando se desarrolló el primer SUDS en España “Desarrollo de nuevos pavimentos permeables hechos con materiales reciclados para zonas de aparcamiento”. En los años 2008 y 2009, el Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX) publicó dos guías de SUDS sobre España: “Gestión de Aguas Pluviales: Implicaciones para el diseño de saneamiento y drenaje urbano” y “Guía Técnica para el diseño y gestión de los estanques y otros sistemas de retención de contaminantes en las carreteras” (9). Cabe destacar cuál fue la primera técnica más desarrollada en España, los depósitos de laminación y/o retención. Actualmente, gran parte de las ciudades de España cuentan con la implantación de SUDS en sus calles y, además, con sus propias guías de diseño entre ellas Madrid, Valencia o Barcelona. Como ejemplo, en la Comunidad de Madrid se ha llevado a cabo la sustitución de un pavimento completamente impermeable por uno con un 60% de superficie permeable en el Estadio Metropolitano. En el caso de Barcelona, se pueden observar jardines de lluvia como el de la Zona Franca, entre muchos otros diseños, véase en la Ilustración 9. Ilustración 9. Ejemplos de SUDS en España: pavimento permeable Estadio Wanda Metropolitano (izda..) y jardín de lluvia en Barcelona (dcha.) Fuente: (12) 4.3 Beneficios e inconvenientes de los SUDS Como se ha mencionado anteriormente, los dos principales beneficios que aportan estos diseños sostenibles son un aumento en la calidad y una disminución en la cantidad de las aguas de escorrentía que discurren por las ciudades. No obstante, también son importantes en otros ámbitos como el social, el ambiental, el paisajístico, el hidrológico o el económico, tal y como se detalla a continuación (13). - Beneficios sociales En cuanto a la labor social que desempeñan este tipo de diseños, se considera la disminución del riesgo de inundación en las ciudades gracias a la captación del agua por parte de estas estructuras. Además, favorece el desarrollo urbano en lugares con el sistema de alcantarillado colapsado. - Beneficios ambientales Además, el aumento de la flora provoca el enriquecimiento de la biodiversidad en las ciudades y ayuda a hacer frente a los cambios en el clima y reduce el efecto de “la isla de calor” contrarrestando el aumento de temperatura generado por superficies asfaltadas. A su vez, permiten recolectar las aguas y reutilizarlas, reduciendo el consumo de la red de abastecimiento. También evita el colapso y desbordamiento de las redes de alcantarillado, así como las de tratamiento de las aguas. - Beneficios paisajísticos La creación de entornos naturales puede mejorar la calidad de vida en las ciudades a la vez que llenarlas de atractivo para las personas atrayendo el turismo local. - Beneficios hidrológicos Los SUDS mejoran la calidad de las aguas superficiales y subterráneas, al reducir los contaminantes que llegan a ellas ya sea mediante asentamiento o descomposición biológica. Gracias a ello, mejoran la calidad de las masas de aguas como ríos, lagos y arroyos. Asimismo, permiten la recarga de los acuíferos al aportar mayor permeabilidad a las ciudades posibilitando que el agua de la superficie se infiltre en el suelo manteniendo, o bien, recuperando el ciclo natural del agua. También aportan la posibilidad de reutilizar el agua y conseguir una mejor gestión. - Beneficios económicos Son estructuras que requieren menor inversión en su construcción comparado con los sistemas de tuberías subterráneas. Además, los SUDS reducen la cantidad de contaminación existente en las aguas y disminuyen la escorrentía evitando el colapso de los sistemas de tratamiento de aguas y con ello, los costes que acarrean. En suma, disminuyen las pérdidas económicas provocadas por catástrofes naturales como inundaciones y el valor añadido de las edificaciones aumenta al verse mejoradas por estas estructuras. Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 23 - Inconvenientes A pesar del elevado número de ventajas que presentan los SUDS, también es importante tener en cuenta que es una técnica que ha surgido hace poco tiempo y, por tanto, también presentan ciertos inconvenientes (14): − La escasez de referencias limita su aplicación por parte de los diseñadores − La falta de confianza frente al drenaje convencional por ser la novedad − Algunas técnicas requieren de mantenimiento específico − Existen guías de diseño para pocas ciudades − No hay indicadores de rendimiento a largo plazo 4.4 Emplazamiento de los SUDS Los SUDS pueden implantarse en cualquier zona sin importar su tamaño, si es un lugar nuevo o uno ya existente. Sin embargo, hay que tener en cuenta que no todos los tipos de SUDS son aplicables para todos los emplazamientos puesto que no se utilizará el mismo tipo en la fachada de un edificio que en la pavimentación de un aparcamiento. Algunas zonas que se pueden considerar: - Las azoteas de los edificios pueden recubrirse de vegetación siendo su función principal la captación de las aguas pluviales, a la vez que actúan como aislante térmico de los edificios, lo que se conoce como “isla de calor” (Ilustración 10). - Los pavimentos de las ciudades pueden diseñarse de tal forma que sean permeables permitiendo la infiltración del agua a través de ellos y evitando la acumulación de agua en la superficie. - Implantar más zonas ajardinadas en el medio urbano lo que, además de retener el agua favorece la biodiversidad y el paisaje urbano, tal y como se observa a continuación. Ilustración 10. Ejemplos de emplazamientos de SUDS: Cubierta vegetal en el supermercado Mercadona en Madrid (izda.) y zonas ajardinadas de Valdebebas (dcha.) Fuente:(12) 4.5 Tipología de SUDS Debido a los diversos emplazamientos existentes, los SUDS cuentan con una gran variedad de tipologías. No obstante, en primer lugar, hay que distinguir entre dos categorías: medidas no estructurales y medidas estructurales (6). Medidas no estructurales Son aquellas que se llevan a cabo sin ningún tipo de estructura. En este caso, se incluye: - Educación y programas de participación ciudadana donde se conciencia a la población acerca del problema y se le hace partícipe con el fin de que se involucren y propongan posibles soluciones. Se les enseña a gestionar el agua de una forma adecuada o a cuidar del entorno en el que viven. - Diseñar minimizando las superficies impermeables. - Mantenimiento y limpieza en las cuales se toman medidas a la hora de recoger agua pluvial y almacenarla. Además, así también se reduce la acumulación de contaminantes. - Limitar el riesgo de que la escorrentía entre en contacto con las aguas residuales - Recogida y reutilización de las aguas pluviales Medidas estructurales Se trata de diseños de SUDS que gestionan la escorrentía mediante algún elemento constructivo o elementos urbanísticos. Al elegir las técnicas que más se adapten al diseño, hay que tener en cuenta principalmente cuatro factores: el mantenimiento de las condiciones naturales, la disminución de la escorrentía, la eliminación de contaminantes y, finalmente, la retención que provoca. Dentro de esta categoría se diferencian distintas técnicas estructurales: - Sistemas de infiltración y control en el origen: La finalidad de este tipo de estructuras se basa en infiltrar el agua en el terreno y su función es la de prevenir la formación de escorrentía en el ámbito urbano. Engloba los siguientes tipos de SUDS: a) Cubiertas verdes: Se trata de sistemas multicapa que cuentan con una capa de vegetación situada sobre una capa drenante y una membrana impermeable. Se colocan en la parte superior de los edificios recubriendo tejados o azoteas con el objetivo de interceptar las aguas pluviales. En temporadas cálidas puede llegar a retener entre el 70 y el 90% de las precipitaciones mientras que en invierno puede retener entre un 25 y un 40%. Además, compensan el efecto de isla de calor actuando como aislante térmico en el edificio. Según el tipo de vegetación y el espesor de la capa de sustrato, se pueden clasificar en cubiertas extensivas (con plantas tipo Sédum o césped), e intensivas (con vegetación de mayor porte, incluso arbolada) (Ilustración 11). Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 25 Ilustración 11. Ejemplo de cubierta vegetal. Fuente: (48) Se pueden escoger dos tipos de techos verdes en función de las características que se busquen: Cubiertas extensivas Presentan una cubierta ligera con una capa de sustrato de entre 5 y 15 cm pudiendo ser instalados en cualquier tipo de azotea sin variaciones y con refuerzos mínimos. La vegetación que posee es natural requiriendo pocos cuidados. Es importante destacar que la flora que hay que emplear debe tener sistemas de raíces de poca profundidad y ser muy resistentes para poder soportar las condiciones adversas que pueda presentar la zona de emplazamiento. Las más empleadas son las del género Sédum, se trata de plantas que se regeneran fácilmente, poseen raíces poco agresivas y son resistentes a la sequía al presentar follaje con alto contenido en humedad y pocas resinas. El método para su plantación puede ser mediante semillas o esquejes o incluso pueden ser plantadas una vez hayan crecido. Este tipo de techo aporta una carga adicional de entre 60 y 180 kg/m2 (15). Cubiertas intensivas Se caracterizan por estar condicionadas con una capa de sustrato superior a 60 cm y precisan de un mantenimiento regular de riego, limpieza, fertilización y poda. El tipo de vegetación que destaca son las plantas perennes, herbáceas arbustivas e incluso árboles. Son cubiertas que pueden emplearse para actividades recreativas como organización de eventos. El inconveniente es que tienden a ser más caros que las cubiertas extensivas puesto que requieren un mayor cuidado y, en suma, la carga adicional es de entre 180 y 400 kg/m2 por lo que el edificio debe soportar una carga más pesada (15). b) Pavimentos permeables: Se consideran superficies capaces de infiltrar agua y almacenarla en su capa inferior. Permite el paso tanto de vehículos como de peatones y puede estar compuesta por diferentes componentes como gravas, celdas o cajas reticulares. Se distinguen tres tipos: en las que el agua se infiltra en el terreno, en las que se almacena y en las que el agua alcanza el sistema de drenaje convencional. Se distinguen tres tipos de pavimentos permeables en función de cómo se transmite el agua a la parte inferior (Ilustración 11): Pavimentos permeables discontinuos La permeabilidad de este tipo de pavimento se consigue mediante juntas entre baldosas, o mediante celdas permeables. Un ejemplo de pavimento discontinuo serían los adoquines o las baldosas. Pavimentos permeables continuos En este tipo de diseños el agua se infiltra a través de los poros del material que compone el pavimento. El hormigón poroso, la tierra compactada con presencia de aditivos, los bituminosos porosos y los pavimentos de caucho forman parte de esta categoría. Pavimentos disgregados y vegetales Alcanzan la permeabilidad gracias a la disgregación del material que lo compone. La velocidad de infiltración depende de la granulometría, es decir, del tamaño de los elementos que lo conforman. Destacan los de grava, las superficies vegetadas y los cantos rodados. Ilustración 12. Ejemplos de pavimentos permeables. (A) pavimento permeable por junta. (B) pavimento permeable mediante celda. (C) pavimento disgregado mulch. (D) pavimento disgregado vegetal. Fuente: (8) Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 27 c) Pozos y zanjas de infiltración: Consisten en excavaciones del terreno que interceptan y almacenan temporalmente la escorrentía hasta que se termina infiltrando en el subsuelo. Dicho almacenamiento temporal se lleva a cabo excavando el terreno y rellenándolo con un material drenante que posea gran cantidad de huecos (16). La diferencia entre uno y otro se basa en que las zanjas son excavaciones lineales y con poca profundidad que pueden estar cubiertas por vegetación o arena mientras que los pozos son excavaciones verticales profundas (Ilustración 13). Ilustración 13. Ejemplo de pozos y zanjas de infiltración Fuente: (16) - Sistemas de captación y transporte: El objetivo de dichas estructuras consiste en captar el agua y conducirla consiguiendo mejorar su calidad y minimizar su cantidad al producirse la filtración, evaporación e infiltración de esta durante el trayecto. Se encuentran los siguientes tipos: d) Drenes filtrantes Consisten en zanjas de poca profundidad rellenas de grava que suelen presentar un dren perforado en la base. No obstante, también pueden estar formadas por celdas y cajas reticulares envueltas en geotextiles y material granular (17). La escorrentía, que suele alcanzar la zanja por sus laterales, se filtra y se almacena temporalmente en el material de relleno. Posteriormente, es transportada aguas bajo del sistema a través del dren (Ilustración 14). Ilustración 14. Ejemplo de drenes filtrantes Fuente: (16) e) Cunetas vegetadas Las cunetas vegetadas son estructuras anchas, de poca profundidad y cubiertas de vegetación diseñadas específicamente para captar, filtrar y transportar el agua. La función que ejerce la vegetación es la de ralentizar la escorrentía. Se suelen utilizar en paseos, caminos o aparcamientos, donde es conveniente captarla escorrentía. Es una técnica capaz de reemplazar el uso de tuberías. (Ilustración 15). Ilustración 15. Ejemplo de cunetas vegetadas Fuente: (16) - Sistemas de detención y retención: Su función consiste en recoger el agua presente en las cuencas urbanas y depurarla con ayuda de procesos naturales. Dentro de esta sección encontramos dos tipos: f) Balsas de detención: Almacenan el agua temporalmente y, posteriormente, la evacúan por el desagüe. Una ventaja que acarrea es que facilita la deposición de sedimentos. Para conseguir un buen funcionamiento de dicho diseño, la balsa debe de estar vacía en 48 horas (Ilustración 16). Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 29 Ilustración 16. Balsas de detención Fuente: (17) g) Humedales artificiales: Se trata de zonas cubiertas de agua cuya finalidad es mejorar la calidad de estas. Poseen una lámina de agua permanente cuyo caudal cambia debido a las aportaciones que recibe de zonas impermeables. Su diseño también presenta una estructura de rebose cuyo objetivo es evacuar el agua de forma controlada y así evitar excesos (Ilustración 17). Ilustración 17. Humedales artificiales Fuente: (16) h) Aljibes: Son depósitos de agua capaces de aprovechar el agua pluvial al captarla de tejados o superficies impermeables y almacenarla para, posteriormente, reutilizarla en otros usos que no requieran agua potable como el riego de jardines (Ilustración 18). Pueden ser prefabricados de polietileno lo que les aporta ligereza y facilidad al transportarlos o pueden ser de hormigón y construirse in situ. Se clasifican en dos tipos: Subterráneos: se sitúa bajo tierra y precisan de un sistema de bombeo Superficiales: se coloca a ras del suelo y funcionan mediante gravedad. Ilustración 18. Ejemplo de aljibe superficial Fuente: (16) 4.6 Marco legislativo El Reglamento de Dominio Público Hidráulico establece en su artículo 126 ter. 7 la obligatoriedad de emplear SUDS en el medio urbano (18). Además, es importante tener en cuenta la Directiva 2000/06/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 23 de octubre de 2000, por la que se establece un marco comunitario de actuación en el ámbito de la política de aguas (19) y el Real Decreto Legislativo 1/2001, de 20 de julio, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Aguas (20). La preocupación por el riesgo de inundación en las ciudades se ha incrementado y como consecuencia, se han establecido leyes a nivel europeo como la Directiva 2007/60/CE, del Parlamento Europeo y del Consejo, de 23 de octubre de 2007, relativa a la evaluación y gestión de los riesgos de inundación (21) y, también a nivel estatal como la Directiva 2007/60 de evaluación y gestión de los riesgos de inundación. Asimismo, no solamente existen leyes que controlen la cantidad de agua, sino que también hay normativas enfocadas a la calidad de éstas. Para establecer un marco en la calidad de las aguas que se infiltran en el suelo y se mezclan con las subterráneas, el 12 de diciembre de 2006 surge la Directiva 2006/118/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, relativa a la protección de las aguas subterráneas contra la contaminación y el deterioro (22). Una de las posibles ventajas que pueden aportar los SUDS es la posibilidad de reutilizar el agua, para ello existen algunas normativas tanto europeas como estatales que regulan el uso de este agua como Real Decreto 140/2003 por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano (23) o Directiva (UE) 2019/1024 del Parlamento Europeo y del Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 31 Consejo, de 20 de junio de 2019 relativa a los datos abiertos y la reutilización de la información del sector público (24). Son varias las ciudades que cuentan con sus propias ordenanzas en las que se referencia el uso y diseño de SUDS, a continuación, se nombran algunas de ellas. - Ordenanza de Gestión y Uso Eficiente del Agua en la Ciudad de Madrid (2006) - Ordenanza de Saneamiento del Ayuntamiento de Valencia (2016) - Ordenanza Municipal sobre el Ahorro de Agua en Eskoriatza, Guipúzcoa (2009) 4.7 Proceso de diseño A la hora de implantar SUDS en los ámbitos urbanos hay que tener en cuenta una serie de factores con el fin de establecer estructuras eficaces que se adapten a las características del entorno. En primer lugar, es importante realizar un estudio del lugar para, acto seguido, seleccionar los SUDS que mejor se adapten a la zona de emplazamiento. En tercer lugar, se procede al dimensionamiento del diseño y, finalmente, la tramitación administrativa de la autorización del vertido, aunque este último paso no se va a reflejar en este trabajo. Es importante tener en cuenta que algunos diseños requieren de un mantenimiento continuado de los elementos. 4.7.1 Condiciones del lugar En primer lugar, se procede a analizar las condiciones del lugar. A continuación, simplemente se menciona el proceso a seguir, más adelante se atribuirán a un caso práctico concreto. Características climáticas: las diferencias climatológicas que presenta España conllevan la necesidad de adoptar diferentes estrategias frente a las precipitaciones las cuales varían su cantidad recogida y su distribución temporal. Además, otros condicionantes climatológicos a tener en cuenta son la temperatura, la evaporación y la desertificación. Para poder gestionar el agua de manera eficiente, la climatología española se divide en tres zonas: zona A, zona B y zona C (Ilustración 19). - Zona A: en la cual se incluyen los lugares en los que las precipitaciones son frecuentes, el riesgo de inundaciones es medio y las lluvias torrenciales son puntuales. - Zona B: las precipitaciones son habituales, la torrencialidad esporádica y existe un riesgo medio tanto en inundaciones como en sequías y desertificación. - Zona C: precipitaciones esporádicas, elevado riesgo de sequía y desertificación y alta probabilidad de lluvias torrenciales e inundaciones. Ilustración 19. Zonas climáticas según la variación de la precipitación Fuente: (25) Adicionalmente, es importante tener en cuenta la intensidad, duración y la frecuencia (curva IDF) para un periodo de retorno, en este caso, se aportan datos para el de 10 años a partir de un estudio pluviométrico realizado por AEMET en 2003 de la Estación Madrid Retiro, véase en la tabla 2. Tabla 2. Curva IDF para tiempo retorno=10. Fuente: (12) Intervalo (min) 5 10 15 20 30 60 120 180 360 720 Intensidad (mm/h) 87 65 55 48 38 22,2 13 9,4 5,9 3,6 Precipitación (mm) 7 11 14 16 19 22 26 28 35 43 El grado de permeabilidad: se define según su capacidad de drenaje y depende del coeficiente de permeabilidad K (m/seg). Este parámetro se considera alto cuando la K es superior a 10-2, baja cuando es inferior a 10-5 y media para valores intermedios de K (25) (Ilustración 20). Para obtener dicho valor de permeabilidad y el coeficiente de infiltración, se considera esencial la realización de ensayos de permeabilidad en zanja los cuales consisten en realizar un ensayo in situ en las zonas donde se va a construir una infraestructura de infiltración. Para llevar a cabo el ensayo, se suele realizar una excavación en suelos secos o medianamente saturados que se rellenan de agua y se procede a medir los tiempos de infiltración hasta que la zanja se vacía. El experimento se realizará tres veces en un mismo día. Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 33 Ilustración 20. Coeficientes de permeabilidad en función del drenaje y el tipo de suelo Fuente: (25) Geología: conocer las características que presenta el terreno ayudaa reducir el volumen de escorrentía implantando unos u otros SUDS. También ayuda a conocer los sedimentos o contaminación que puede haber en las aguas o explorar las dificultades que presenta el terreno a la hora de su construcción como la existencia de vegetación. Es importante realizar un estudio de la topografía del terreno con la finalidad de identificar los patrones naturales de la zona de estudio, prestando especial atención a los puntos bajos y la pendiente que presenta la zona. Vegetación autóctona: muchos de los diseños de SUDS cuentan en su superficie con cubiertas vegetales para captar el agua de lluvia. Por ello, se debe de conocer cuál es la flora que mejor se adapta al medio donde se quiere plantar. Así se evita un uso excesivo de plaguicidas, la muerte de la vegetación por no adaptarse al clima de la zona y se facilita el mantenimiento de estas áreas. También se puede relacionar la vegetación con valores de K, obteniendo lo siguiente (Tabla 3): Tabla 3. Valores de K conforme a la vegetación. Fuente: (25) Valores de K 20 15 10 5 Vegetación Ninguna Poca (menos del 10% de superficie) Bastante (hasta el 50% de superficie) Mucha (hasta el 90% de superficie) En cuanto a la elección de una vegetación correcta, son decisivos diferentes criterios: - El espesor del sustrato - La capacidad de almacenamiento de agua - La inclinación del techo - La exposición al viento - Su orientación - La sombra - Cantidad de precipitación de la zona 𝑖=1 No obstante, además de lo anterior, hay que prestar atención a su resistencia a las sequías y heladas, la altura que pueden llegar a alcanzar y que sus punto de floración no sean mayores a 40 cm (26). Para esta sección puede ser de utilidad el uso de la guía: “Guía del jardín sostenible. Mucho más que un jardín”. Coeficiente de escorrentía: se describe como “la lámina de agua que circula sobre la superficie en una cuenca de drenaje”. Este parámetro varía en función de la superficie, a continuación, se muestra una tabla general que incluye muchos tipos diferentes de superficie, véase Tabla 4. Tabla 4. Coeficiente de escorrentía en función del tipo de superficie. Fuente: (12) TIPO DE SUPERFICIE COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA Zona arbolada y bosque 0,10 a 0,20 Zona con vegetación densa- terreno granular 0,05 a 0,35 Zona con vegetación densa- terreno arcilloso 0,15 a 0,50 Zona con vegetación media- terreno granular 0,10 a 0,50 Zona con vegetación media- terreno arcilloso 0,30 a 0,75 Tierra sin vegetación 0,20 a 0,80 Zona cultivada 0,20 a 0,40 Superficie de grava 0,15 a 0,30 Adoquinado 0,50 a 0,70 Pavimentada permeable 0,70 a 0,70 Pavimentada impermeable 0,9 a 0,90 Pavimento de hormigón y bituminoso 0,70 a 0,95 Cubiertas 1,0 a 1,0 Para calcular el área impermeable que es necesaria gestionar por los SUDS se acude a la ecuación 1: Á𝑟𝑒𝑎𝑖𝑚𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑙𝑒 = ∑ 𝑖=𝑛 𝐶𝑖 𝑥 𝐴𝑖 (1) Donde: 𝐴𝑖𝑚𝑝 = Área impermeable a gestionar por el SUDS (m2) 𝑛 = Número de sub-áreas Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 35 𝐶𝑖 = Coeficiente de escorrentía de la sub-área 𝑖 (adimensional) 𝐴𝑖 = Superficie de la sub-área 𝑖 (m2) 4.7.2 Criterios de selección del tipo de SUDS La guía CIRIA 2015 y la CEDEZ 2008, exponen unos criterios que sirven de apoyo para elegir la tipología de SUDS que más se adapte a la zona de emplazamiento teniendo en cuenta el ámbito social y el ambiental. A continuación, se muestran las pautas que se deben tener en consideración: - Impacto en el medio - Capacidad de tratar el agua - Adaptación del diseño en el medio - Adaptación de las técnicas a diversos factores físicos - Adaptación a los usos del suelo - Selección en función de los usos del suelo y condiciones físicas - Selección en función de la eficiencia en cuanto a la calidad y cantidad de agua Selección en función de factores ambientales y sociales 4.7.3 Dimensionamiento Una vez elegido el lugar de emplazamiento y la técnica que se va a emplear se procede al dimensionamiento. El objetivo de esta sección es dimensionar los diseños de gestión sostenible de las aguas pluviales. Se pueden seguir diferentes procesos de dimensionamiento siempre y cuando se acompañen de una correcta justificación. A modo de ejemplo, el método que aporta la Guía de la Comunidad de Madrid es el siguiente (Ilustración 21): Ilustración 21. Esquema de dimensionamiento. Fuente: (12) Sin embargo, los primeros cálculos que se van a realizar en este Trabajo Fin de Máster van a seguir las pautas del “método racional”. Este sistema es uno de los más empleados a la hora de estimar el caudal asociado a las precipitaciones y se utiliza normalmente en el diseño de obras de drenaje rural y urbano (27). Después, se continuará indicando cómo calcular el volumen de escorrentía y de almacenamiento y, por último, se comprobará si el diseño es suficiente para albergar el agua necesaria. Cálculo del caudal Por tanto, en primer lugar, empleando el método racional, el caudal se calcula con la ecuación 2 (28): Q= C x A x I (2) Donde: Q= Caudal (m3/s) C= Coeficiente de escorrentía de la superficie A= Área de la superficie I= Intensidad media de la precipitación (mm/h) Cálculo del volumen de lluvia A continuación, se procede a cuantificar el volumen de lluvia de la zona con ayuda del caudal supuesto anteriormente y el tiempo. Se lleva a cabo mediante en la fórmula 3: 𝑉 = 𝑄 x tiempo (3) Donde: V= Volumen de lluvia (m3) Q= Caudal (m3/s) T= Tiempo (s) Cálculo del volumen de escorrentía Este parámetro es uno de los principales criterios de diseño a tener en cuenta. Desde el punto de vista de la calidad del agua, la principal función de los SUDS es la de garantizar el almacenamiento de, al menos, el volumen de escorrentía que generan las pequeñas precipitaciones. A la hora de dimensionar estas tecnologías, se emplean normas basadas en percentiles de precipitación y en función del criterio a seguir se emplea un volumen de precipitación de un percentil u otro. Los percentiles más comunes son 80, 85, 90 y 95 (quedando identificados con las siglas V80, V85, V90 y V95) los cuales representan el valor de lluvia (12). Si, por ejemplo, se considera el percentil 80, se precisaría de un almacenamiento temporal con el fin de recoger la escorrentía generada por el volumen de agua pluvial que no es superado por el 80 % de los eventos de precipitación y el volumen de escorrentía (VE) se calcula empleando la ecuación 4: Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 37 𝑉𝐸 = Área impermeable x 𝑽𝟖𝟎 103 (4) Cálculo del volumen de almacenamiento Acto seguido, se procede a calcular el volumen de almacenamiento del SUDS el cual se consigue mediante la ecuación número 5: 𝑉𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = Área del SUDS x Espesor del suelo x Porosidad (5) Comprobación de la capacidad de almacenamiento Finalmente, una vez se consigue saber cuáles son el volumen neto disponible y el volumen de almacenamiento, hay que comprobar si la capacidad de almacenamiento que presenta el SUDS es suficiente para almacenar el volumen de escorrentía. Por lo tanto, para dicha comprobación se procede a determinar si el volumen que presenta el SUDS es mayor o igual que el volumen generado por las precipitaciones (Ecuación 6). 𝑉𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 > 𝑉𝑒𝑠𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡í𝑎 (6) Tareas adicionales posteriores al dimensionado Una vez finalizado el dimensionado del diseño, se deberá diseñar un plan de mantenimiento del SUDS que contemple, al menos, 10 años de vida útil. Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 38 5. APLICACIÓN A UN CASO PRÁCTICO 5.1Contextualización del caso práctico La zona de estudio seleccionada ha sido el campus de la Escuela Politécnica Superior de Ingenieros Industriales perteneciente a la Universidad Politécnica de Madrid (Ilustración 22) Ilustración 22. Imagen aérea de la Escuela Politécnica Superior de Ingenieros Industriales Fuente: (49) La ETSII es una de las dieciséis escuelas que conforman la Universidad Politécnica de Madrid. Se localiza en la ciudad de Madrid, concretamente en la calle de José Gutiérrez Abascal, 2. La Escuela cuenta con 4.500 estudiantes, 300 profesores y acuerdos con más de 160 universidades de todo el mundo, cuenta con una superficie total construida de 46.582 m2 y una superficie total de 56.400,76 m2 (29). Cabe destacar que comparte edificio con el Museo Nacional de Ciencias Naturales del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) por lo que no solamente acceden al edificio estudiantes y personal de la Escuela, sino también turistas y visitantes del museo interesados por las ciencias. La Escuela se encuentra rodeada por espacios verdes, tal y como se observa en la Ilustración 23 en la cual la escuela se muestra con un color oscuro mientras que las zonas con vegetación son de color verde. No obstante, sigue habiendo zonas e instalaciones que pueden aprovecharse de una forma más eficiente con el fin de alcanzar una mayor sostenibilidad y conseguir una mejor gestión del agua en el campus. Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 39 Ilustración 23. Espacios verdes alrededor de la escuela. Fuente: (50) 5.2 Problemática en la gestión del agua de la Escuela Como se ha indicado anteriormente, en la universidad existen ciertas instalaciones y estructuras que no son del todo eficaz eficientes al no contar con un correcto mantenimiento. Un ejemplo de ello son los sistemas de alcantarillado, los cuales debido a la presencia de fragmentos vegetales en su interior no son capaces de drenar el agua de forma adecuada provocando que el agua se quede estancada en la superficie (Ilustración 24). Otro caso, sería el aparcamiento del interior del campus, el cual presenta cierto desnivel y en periodos de lluvia el agua se queda en la superficie creando grandes charcos que dificultan el acceso a las aulas. Ilustración 24. Alcantarillas estancadas de la universidad. Fuente: Elaboración propia Por lo mencionado anteriormente, con ayuda de estructuras como los SUDS el campus podría ser capaz de gestionar el agua pluvial de forma eficaz y, además, conseguir reutilizar una gran parte de esa agua. Por todo ello, se ha elegido dicho campus como zona referente a la hora de diseñar SUDS en los campus de otras escuelas o universidades. Una vez elegida la localización del caso de estudio, se procede a realizar un análisis de las zonas que presentan deficiencias y pueden ser mejoradas. Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 40 5.3 Criterios de diseño Aplicando lo comentado en el apartado 4.7 del presente documento anteriormente, se ha realizado un análisis de la zona teniendo en cuenta los criterios siguientes: 5.3.1 Criterios climáticos En cuanto a la climatología, la zona objeto de estudio se encuadra en la considerada zona B en la cual las precipitaciones son estacionales y de intensidad media, la torrencialidad esporádica y existe un riesgo medio tanto en inundaciones como en sequías y desertificación. Por tanto, se consiguen almacenar grandes cantidades de agua. El Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico aporta ciertos datos del régimen de precipitaciones de la Comunidad de Madrid, concretamente de la Estación meteorológica de Retiro, en los que se muestran informes y mapas mensuales que representan las precipitaciones del año 2022. Se ha escogido dicha estación meteorológica puesto que es la más cercana a la zona de estudio. Hay que destacar que aparecen todos los datos del mes de enero a noviembre, a excepción del mes de marzo. Además, en cada mes se aporta un valor medio de precipitaciones de los años comprendidos entre 1981 y 2010 con el fin de otorgar un valor de referencia. Los datos de precipitaciones recogidos se muestran en la Tabla 5. Tabla 5. Valores de precipitación. Fuente: (30) Meses del año Valor de precipitación media 2022 (mm) Valor de referencia entre 1981- 2010 (mm) ENERO 12,3 45,4 FEBRERO 8,7 40,4 MARZO - 31,9 ABRIL 62,7 53,1 MAYO 6,2 58,1 JUNIO 18 31,5 JULIO 9,8 11,5 AGOSTO 4,9 12,8 SEPTIEMBRE 43,9 29,0 OCTUBRE 27,8 66,9 NOVIEMBRE 45,4 68,4 Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 41 Además, se han recopilado las precipitaciones anuales de la Estación de Retiro de la Comunidad de Madrid, entre los años 2000 y 2021, concretamente, el promedio de cada año desde enero hasta diciembre. Observando el gráfico de la Ilustración 25 se llega a la conclusión de que 2021 y 2018 han sido los años más lluviosos, sin embargo, 2005 y 2019 han sido los años más secos. A pesar de que 2021 se considere uno de los más lluviosos, la cantidad de agua de lluvia que alcanzaba la superficie no era proporcional en todos los meses del año siendo marzo, julio y agosto los más secos con una gran diferencia. Ilustración 25. Rango de precipitaciones en la estación Retiro (2000-2021). Fuente: Elaboración propia 5.3.2 Grado de permeabilidad y geología En el caso de la geología del terreno, especialistas en dicho campo deberían de proceder a la realización de los estudios pertinentes, como estudios geotécnicos, para identificar el tipo de suelo, su composición, el nivel freático o propiedad de drenaje, entre otros. A partir de estos estudios, se puede saber qué grado de permeabilidad (k) presenta el terreno y así, emplear la técnica más eficiente. 5.3.3 Vegetación autóctona La vegetación puede ser muy variada en función de qué tipo de plantas se adapten a la zona. Si el peso que soporta el edificio es bajo, no son posibles los colchones de vegetación altos y densos. Sin embargo, sí sería posible la implantación de Sédum para una altura de sustrato de 5 a 8 cm. Existe una gran variedad de Sédum los cuales se pueden plantar una vez hayan crecido o sembrar los brotes en la propia cubierta, la diferencia es que el primero es más costoso económicamente (7). Si, por el contrario, se precisa de plantas para una altura de sustrato menor, entre 3 y 5 cm, lo más factible es emplear mantas de musgos o Sédum más pequeños. Aunque para los musgos el clima de la zona de estudio no es conveniente puesto que prefieren desarrollarse en sitios de sombra y humedad. Estudio de alternativas para la construcción de sistemas de drenaje urbano Ariadna López Rodríguez 42 5.4 Criterios de selección del tipo de SUDS Siguiendo las pautas expuestas en el apartado 4.7.2, anterioridad a la hora de seleccionar el mejor SUDS en la zona de estudio, se ha decido centrarse en dos diseños principales: las cubiertas vegetales y el pavimento permeable. Esto se debe a la buena adaptación de estos SUDS en el campus de la universidad puesto que, en el caso de las cubiertas vegetales, no provocarían impactos en el medio, se adaptan a los factores ambientales de la zona teniendo la capacidad de captar el agua de lluvia y reutilizarla para favorecer el crecimiento de la vegetación que acarrea. Además, son beneficiosas para la universidad a la hora de ahorrar agua y estética al edificio. Por otro lado, la universidad cuenta con un aljibe con una capacidad de almacenamiento de 450 m3 el cual puede ser muy útil para almacenar el agua antes de emplearse para cualquier otro uso. Actualmente, dicho aljibe se llena a través de una toma de la red general, el agua que almacena se utiliza
Compartir