8027670 2018

Vista previa del material en texto

Definición de un procedimiento para 
la planeación de sistemas de drenaje 
sostenibles y flexibles en cuencas 
urbanas en expansión 
 
 
 
 
Alejandro Franco Botero 
 
 
 
 
 
 
Universidad Nacional de Colombia 
Departamento Geociencias y Medio Ambiente 
Facultad de Minas 
Medellín, Colombia 
Año 2018
 
 
Definición de un procedimiento para 
la planeación de sistemas de drenaje 
sostenibles y flexibles en cuencas 
urbanas en expansión 
 
 
 
Alejandro Franco Botero 
 
 
 
 
Tesis o trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al 
título de: 
Magister en Ingeniería - Recursos Hidráulicos 
 
 
Director: 
M. Sc. Luís Fernando Carvajal Serna 
Universidad Nacional de Colombia 
 
Codirector: 
Ph.D. Arlex Sánchez Torres 
Línea de Investigación: 
Drenaje Urbano Sostenible 
IHE-Delft, Holanda 
 
 
Universidad Nacional de Colombia 
Facultad de Minas 
Departamento de Geociencias y Medio Ambiente 
Medellín, Colombia 
Año 2018
 
 
Agradecimientos 
 
A mi esposa, por su motivación continua para iniciar este reto, su apoyo en las 
jornadas de estudio y ser un soporte fundamental para realizar la pasantía en el 
exterior. 
 
Al profesor Arlex Sánchez del IHE-Delft, por apoyar con entusiasmo mi proyecto de 
investigación como codirector, ser guía y consejero constante en todo el proceso 
académico. Quiero agradecerle especialmente por convertirse en un muy buen 
amigo y mentor en mi estadía en Holanda. 
 
Al profesor Luis Fernando Carvajal de la Universidad Nacional de Colombia, por su 
apoyo desde el inicio a este proyecto de investigación, la buena disposición en sus 
asesorías y por su motivación para lograr los resultados. 
 
A Empresas Públicas de Medellín y sus directivos, por confiar en el potencial de 
sus funcionarios, apoyar con recursos económicos y de tiempo la realización de 
estudios de postgrados, y flexibilizar los compromisos laborales para realizar la 
pasantía. 
 
A los docentes y personal administrativo del Departamento de Geociencias y Medio 
Ambiente de la Universidad Nacional de Colombia, por dar una formación 
académica de excelente calidad en un ambiente de respeto y potencialización de 
las capacidades de los estudiantes. 
Resumen y Abstract VII 
 
 
Resumen 
Se presenta un procedimiento general con un flujograma de apoyo, como una 
herramienta guía para planear de manera óptima la implementación de sistemas 
de drenaje sostenible en cuencas urbanas que estén en proceso de expansión. 
Para ello se debe partir de un modelo hidrodinámico calibrado y validado, la 
selección de las infraestructuras que mejor se pueden desempeñar, la definición 
de los parámetros de diseño, la distribución de estos elementos en las subcuencas; 
y utilizando algoritmos genéticos multiobjetivo se determinan las combinaciones 
optimas de cantidad y distribución de SuDS que producen la mayor disminución de 
los caudales pico de escorrentía y su costo asociado. 
Se presenta un caso de aplicación en una cuenca urbana ubicada en el Municipio 
de La Estrella en Antioquia. Se sigue el procedimiento y se plantean escenarios e 
indicadores que permiten evaluar el efecto de la intensidad de la lluvia, del 
crecimiento urbano y del uso de las infraestructuras de drenaje sostenible, en los 
caudales pico de escorrentía y en el desempeño del sistema de alcantarillado. Se 
presenta la inversión requerida, la distribución de las infraestructuras y se analiza 
cuales de estas tienen mejor desempeño de acuerdo con las condiciones de las 
subcuencas. 
 
 
 
Palabras clave: Sistemas de drenaje urbano sostenible (SuDS), algoritmos 
genéticos, escorrentía, modelo hidrodinámico, calibración, optimización. 
 
VIII Definición de un procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje 
sostenibles y flexibles en cuencas urbanas en expansión 
 
 
 
Abstract 
 
A general approach and supporting procedures are formulated as a guiding tool. 
The approach can be used to plan the implementation and optimal selection of 
sustainable drainage systems in growing urban areas. The approach is based on a 
calibrated and validated hydrodynamic model, the selection of the infrastructures 
that can have the best performance, the definition of the design parameters, and 
the distribution of these elements in the sub catchments. The selection of SUDs is 
done with the aid of genetic multi-objective algorithms. The optimal combinations of 
number of units and type of technology of SuDS are determined. The objective 
functions used for the optimization process were the decrease in peak runoff and 
their associated capital investment cost. 
To demonstrate the approach, a case of study was used. The case study is an 
urban basin located in the Municipality of La Estrella in Antioquia. A set of scenarios 
and indicators are proposed to evaluate the effect of rainfall intensity, urban growth 
and the adoption of sustainable drainage infrastructures over the peak runoff flows 
and the performance of the sewage system. The required investment is estimated, 
and together with the distribution of infrastructures is analyzed to determine which 
combination offers the best performance according to the conditions of the sub 
catchments. 
 
Keywords: Sustainable urban drainage systems (SuDS), genetic algorithms, 
runoff, hydrodynamic model, calibration, optimization. 
 
 
 
Contenido 
Lista de figuras ............................................................................................................... XII 
Lista de tablas ................................................................................................................ XV 
Lista de Símbolos y abreviaturas ................................................................................... XVI 
Introducción ...................................................................................................................... 1 
1. Proyecto de investigación ...................................................................................... 4 
1.1. Planteamiento del problema ............................................................................... 4 
1.2. Antecedentes ..................................................................................................... 5 
1.3. Pregunta de investigación .................................................................................. 8 
1.4. Objetivos ............................................................................................................ 9 
2. Revisión de literatura ........................................................................................... 10 
2.1. Infraestructuras de drenaje sostenible .............................................................. 10 
2.1.1 Reciclaje de agua ............................................................................................. 11 
2.1.2 Techos verdes .................................................................................................. 12 
2.1.3 Celdas de bioretención ..................................................................................... 13 
2.1.4 Zanjas de infiltración ......................................................................................... 14 
2.1.5 Pavimentos permeables .................................................................................... 15 
2.2. Técnicas de optimización con algoritmos genéticos ......................................... 16 
2.3. Selección y modelación de SuDS en cuencas urbanas .................................... 21 
3. Metodología ......................................................................................................... 29 
4. Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenible .................. 32 
4.1. Objetivos y definición de alcance ..................................................................... 32 
4.2. Preliminares .....................................................................................................32 
4.3. Recolección de información básica .................................................................. 33 
4.3.1. Caudales residuales ..................................................................................... 33 
4.3.2. Eventos de lluvias ......................................................................................... 34 
4.4. Construcción modelo hidrodinámico ................................................................. 34 
4.5. Zonas de expansión ......................................................................................... 35 
4.6. Infraestructuras de drenaje sostenible .............................................................. 36 
4.7. Definición de indicadores de desempeño ......................................................... 37 
4.8. Funciones objetivo ........................................................................................ 40 
4.9. Programación algoritmo de optimización .......................................................... 41 
X Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
4.10. Definición de escenarios ............................................................................... 41 
4.11. Modelación y análisis de resultados .............................................................. 42 
5. Caso de estudio ................................................................................................... 47 
5.1. Ubicación ......................................................................................................... 47 
5.2. Construcción del modelo hidrodinámico ........................................................... 48 
5.2.1. Modelo hidráulico .......................................................................................... 49 
5.2.2. Modelo hidrológico ........................................................................................ 53 
5.3. Caudales residuales ......................................................................................... 56 
5.4. Eventos de lluvia .............................................................................................. 60 
5.5. Calibración ....................................................................................................... 65 
5.5.1. Aguas residuales .......................................................................................... 65 
5.5.2. Aguas lluvias ................................................................................................ 67 
5.6. Validación ........................................................................................................ 73 
5.7. Definición zonas de expansión ......................................................................... 76 
5.8. Sistemas de drenaje sostenible a implementar ................................................ 77 
5.8.1. Diseño básico ............................................................................................... 78 
5.8.2. Costos de construcción ................................................................................. 80 
5.8.3. Implementación ............................................................................................ 81 
5.9. Parámetros optimización .................................................................................. 82 
5.9.1. Número máximo de SuDS por subcuenca .................................................... 82 
5.9.2. Parámetros algoritmo.................................................................................... 83 
5.10. Escenarios .................................................................................................... 85 
6. Resultados ........................................................................................................... 86 
6.1. Desempeño del sistema de drenaje existente .................................................. 86 
6.2. Desempeño del sistema de drenaje existente más expansión con la 
implementación de SuDS............................................................................................ 87 
6.3. Optimización de los SuDS ................................................................................ 92 
6.4. Selección de solución a implementar ............................................................... 98 
7. Conclusiones ......................................................................................................106 
8. Recomendaciones ..............................................................................................111 
Referencias ...................................................................................................................113 
Anexos ..........................................................................................................................116 
Contenido XI 
 
 
Anexo A – Calibración ...............................................................................................117 
Anexo B – Parámetros diseño SuDS .........................................................................126 
Anexo C- Presupuesto ...............................................................................................129 
Anexo D – Cantidad máxima de SuDS por subcuenca ..............................................131 
 
 
XII Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
Lista de figuras 
Figura 2-1. Sistema de reciclaje de agua domestico por gravedad ................................ 12 
Figura 2-2. Esquema techo verde intensivo. .................................................................. 13 
Figura 2-3. Esquema típico celda de bioretención (Fuente: Ciria, 2015) ........................ 14 
Figura 2-4. Esquema típico zanja filtrante. ...................................................................... 15 
Figura 2-5. Esquema típico pavimento poroso (Fuente: Auguris, 2009) ........................ 16 
Figura 2-6. Diagrama de flujo del método de bisección recursiva (Fuente: Peñuela, 2007).
 ....................................................................................................................................... 19 
Figura 2-7. Determinación de la nueva población algoritmo NSGA-II ............................ 20 
Figura 2-8. Flujograma selección SuDS. (Fuente: US-EPA, 2005) ................................ 22 
Figura 2-9. Flujograma selección SuDS Urban Storm Drainage Criteria Manual. (Fuente: 
Urban Drainage and Flood Control District, 2010) .......................................................... 23 
Figura 2-10. Guía selección SuDS manual. (Fuente: Ciria, 2015).................................. 24 
Figura 4-1. Convenciones diagramas de flujo ................................................................ 44 
Figura 4-2. Diagrama de flujo para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles en 
cuencas urbanas en expansión ...................................................................................... 46 
Figura 4-3. Diagrama de flujo proceso de optimización ................................................. 46 
Figura 5-1. Ubicación municipio La Estrella. (Fuente: Wikipedia). ................................. 48 
Figura 5-2. Perfil de aliviadero cañuela elevada ............................................................ 52 
Figura 5-3. Vista en Swmm aliviadero de cañuela elevada ............................................ 52 
Figura 5-4. Modelo hidráulico en Swmm........................................................................ 53 
Figura 5-5. Subcuencas modelo Swmm ........................................................................ 54 
Figura 5-6. Serie de tiempo caudales medidos entre el 13 y 19 de febrero de 2017 en 
cámara con ipid 6053880 ............................................................................................... 57 
Figura 5-7. Factorde variación caudal aguas residuales patrón 1 ................................. 58 
Figura 5-8. Serie de tiempo caudales medidos el 13 de febrero de 2017 en cámara con 
ipid 6053880 ................................................................................................................... 59 
Figura 5-9. Factor de variación de caudales aguas residuales patrón 2 ....................... 60 
Figura 5-10. Ubicación pluviómetro Casa de la Cultura de La Estrella (Fuente: Siata) . 60 
Figura 5-11. Lluvia acumulada medida en pluviómetros de la estación La Estrella para 
enero de 2017 ................................................................................................................ 61 
Contenido XIII 
 
 
Figura 5-12. Lluvia acumulada medida en pluviómetros de la estación La Estrella para 
febrero de 2017 .............................................................................................................. 61 
Figura 5-12. Precipitación acumulada evento 1 (enero 15 2017) ................................... 62 
Figura 5-13. Precipitación acumulada evento 2 (enero 27 2017) ................................... 63 
Figura 5-14. Precipitación acumulada evento 3 (enero 19 y 20 de 2017) ...................... 63 
Figura 5-15. Precipitación acumulada evento 4 (enero 13 2017) ................................... 64 
Figura 5-16. Hietograma lluvia TR 5 años ..................................................................... 65 
Figura 5-17. Comparación nivel promedio horario medido y modelado con patrón 1 ..... 66 
Figura 5-18. Comparación nivel promedio horario medido y modelado con patrón 2 ..... 66 
Figura 5-19. Resultados calibración con modelo inicial ................................................. 69 
Figura 5-20. Resultados calibración hidráulica con evento 2 ......................................... 72 
Figura 5-21. Resultados calibración hidrológica N Manning con evento 2 ..................... 73 
Figura 5-22. Resultados validación modelo calibrado con evento 1. .............................. 74 
Figura 5-23. Resultados validación modelo calibrado con evento 3. .............................. 74 
Figura 5-24. Zonas urbanas y de expansión Municipio La Estrella ................................ 76 
Figura 5-25. Subcuencas de expansión Municipio La Estrella ....................................... 77 
Figura 5-26. Diseño celdas de bioretención ................................................................... 79 
Figura 5-27. Diseño almacenamiento lluvia ................................................................... 79 
Figura 5-28 Pavimentos porosos ................................................................................... 80 
Figura 6-1. Sobreflujo en cámaras y capacidad de los tramos escenario 2 ................... 87 
Figura 6-2 Sobreflujo en cámaras y capacidad de los tramos escenario 6 .................... 90 
Figura 6-3 Sobreflujo en cámaras y capacidad de los tramos escenario 8 .................... 91 
Figura 6-4 Sobreflujo en cámaras y capacidad de los tramos escenario 7 .................... 92 
Figura 6-5. Optimización SuDS subcuencas existentes y expansión, lluvia evento 4 
(escenario 5) .................................................................................................................. 93 
Figura 6-6. Optimización SuDS subcuencas existentes y expansión con lluvia evento TR5 
(escenario 8) .................................................................................................................. 93 
Figura 6-7. Frente de Pareto de las soluciones no dominadas para los escenarios 5 y 8.
 ....................................................................................................................................... 94 
Figura 6-8. Optimización SuDS subcuencas expansión con lluvia evento 4 (escenario 4)
 ....................................................................................................................................... 95 
Figura 6-9. Optimización SuDS subcuencas expansión lluvia evento TR5 (escenario 7) 95 
XI
V 
Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
Figura 6-10. Frente de Pareto de las soluciones no dominadas para los escenarios 4 y 7.
 ....................................................................................................................................... 96 
Figura 6-11. Relación entre el porcentaje de área impermeable tratada y el porcentaje de 
caudal pico de escorrentía ............................................................................................. 98 
Figura 6-12. Distribución SuDS en optimización en subcuencas existentes y de expansión 
para evento 4. ................................................................................................................ 99 
Figura 6-13. Distribución SuDS en optimización en subcuencas existentes y de expansión 
para evento TR5 ............................................................................................................100 
Figura 6-14. Distribución de unidades de celdas de bioretención en optimización en 
subcuencas existentes y de expansión .........................................................................101 
Figura 6-15. Distribución de unidades de tanques de almacenamiento en optimización en 
subcuencas existentes y de expansión .........................................................................101 
Figura 6-16. Distribución de unidades de pavimentos permeables en optimización en 
subcuencas existentes y de expansión .........................................................................102 
Figura 6-17. Distribución de unidades de celdas de bioretención en optimización de 
subcuencas de expansión .............................................................................................103 
Figura 6-18. Distribución de unidades de tanques de almacenamiento en optimización de 
subcuencas de expansión .............................................................................................104 
Figura 6-19. Distribución de unidades de pavimentos permeables en optimización de 
subcuencas de expansión .............................................................................................104 
 
 
Contenido XV 
 
 
Lista de tablas 
Tabla 4-1. Aspectos para definición de escenarios ......................................................... 42 
Tabla 5-1. Información aliviaderos .................................................................................. 51 
Tabla 5-2. Factor de variación de caudales de aguas residuales patrón 1...................... 58 
Tabla 5-3. Factor de variación caudales aguas residuales patrón 2 ............................... 59 
Tabla 5-4. Eventos de lluvia ........................................................................................... 62 
Tabla 5-5. Parámetros curva IDF estación San Antonio de Prado TR 5 años ................. 64 
Tabla 5-5. Calibración de aliviaderos .............................................................................. 71 
Tabla 5-6. Resultados calibración hidráulica .................................................................. 72 
Tabla 5-7. Estadísticos validación modelo calibrado con eventos 1 y 3 .......................... 75 
Tabla 5-8. Selección de SuDS ........................................................................................ 77 
Tabla 5-9. Implementación de SuDS por tipo de subcuenca .......................................... 81 
Tabla 5-10. Recomendaciones parámetros algoritmo genético ...................................... 84 
Tabla 5-11. Parámetros algoritmo genético optimización 100 variables ......................... 84 
Tabla 5-12. Parámetros algoritmo genético optimización 9 variables ............................. 85 
Tabla 5-13. Escenarios optimización ..............................................................................85 
Tabla 6-1. Indicadores de desempeño escenarios 1 y 2 ................................................. 86 
Tabla 6-2. Indicadores de desempeño escenarios 3 a 5. ................................................ 88 
Tabla 6-3. Indicadores de desempeño escenarios 6 a 8. ................................................ 88 
Tabla 6-4. Individuo seleccionado para presentación de resultados ............................... 99 
Tabla 6-5. Individuo seleccionado para presentación de resultados ..............................103 
 
 
Lista de Símbolos y abreviaturas 
Subíndices 
 
Subíndice Término 
Fm Función objetivo 
x Individuo 
gi 
hk 
Función i a maximizar 
Función k a minimizar 
 
Abreviaturas 
 
Abreviatura Término 
SUDS 
Sustainable Drainage Systems (Sistemas de drenaje 
sostenibles) 
EPM Empresas Públicas de Medellín 
SCS Soil Conservation Service 
PBOT Plan Básico de Ordenamiento Territorial 
UFCD Urban Drainage and Flood Control District 
PEARL Preparing for Extreme and Rare Events in Coastal Regions 
SIG Sistema de Información Geográfico 
IDF Intensidad, duración frecuencia 
POT Plan de Ordenamiento Territorial 
Contenido XVII 
 
 
Abreviatura Término 
PBOT Plan Básico de Ordenamiento Territorial 
RAS 
Reglamento técnico del sector de Agua potable y 
Saneamiento básico 
MDT Modelos Digital de Terreno 
SWMM Storm Water Management Model 
FO Función objetivo 
BR Bioretencion cell (Celda de bioretención) 
RB Rain barrel (tanque almacenamiento) 
PP Permeable pavement (Pavimento permeable) 
 
 
 
Introducción 
La vida moderna no se concibe sin la existencia de las ciudades, estas concentran personas 
y servicios que permiten dar atención a todas las necesidades de la población y cada vez 
se tiene un mayor porcentaje de personas viviendo en ellas. Para su existencia es necesario 
contar con los servicios públicos básicos como agua potable, alcantarillado, aseo, energía 
y transporte. 
 
Históricamente, las ciudades se han situado cerca de fuentes de agua, lo cual facilitó un 
acceso directo al líquido vital; sin embargo, y como producto de su uso, las aguas residuales 
corrían por las calles y causaban enfermedades en la población. Como una solución a esta 
problemática nacen los sistemas de alcantarillado, que constan de tuberías y canales que 
transportan las aguas residuales a los cuerpos de agua. Posteriormente y con el crecimiento 
de los centros urbanos, también se empezaron a presentar inundaciones y a formar arroyos 
cuando se presentaban lluvias, con lo cual se identificó la necesidad de transportar y 
disponer de estas aguas, naciendo así el servicio de drenaje urbano. 
 
Este tipo de infraestructura fue la que permitió prestar un servicio de alcantarillado residual 
y de drenaje urbano durante gran parte de los siglos XIX y XX. Su filosofía es captar las 
aguas lluvias y residuales y transportarlas lo más rápido posible a los cuerpos de agua 
cercanos, sin tener en cuenta los efectos en los mismos. 
Con el crecimiento de las ciudades se ha identificado que la cantidad de aguas de 
escorrentía se incrementa exponencialmente, esto causa inundaciones en las zonas bajas, 
contaminación en los cuerpos de aguas receptores por el lavado de las vías y techos y 
afectación en las corrientes naturales superficiales ya que estas no tienen la capacidad de 
transportar caudales tan grandes. Adicionalmente, implica un costo económico importante 
para la sociedad por la construcción de sistemas de tuberías y canales. 
 
Estas problemáticas han causado que se dé una mirada diferente al drenaje urbano, la cual 
tiene en cuenta el ciclo hidrológico del agua y busca que el proceso de escorrentía en las 
ciudades sea similar al que se da naturalmente. Con este fin se introducen los sistemas de 
drenaje sostenibles, los cuales tienen como objetivo dar un manejo de la escorrentía en la 
fuente o lo más cercana a está, buscando favorecer la infiltración, la evapotranspiración, la 
retención y dar caminos lentos a los flujos de agua. Algunos ejemplos de infraestructura de 
drenaje sostenible son los pavimentos permeables, los pondajes (del anglosajón “pond” que 
traduce estanque), las zanjas verdes y las celdas de bioretención entre otros. Estas 
tecnologías se han introducido en algunos países desarrollados y han tenido un efecto muy 
2 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
positivo en la reducción del riesgo de inundación, en la calidad de las aguas y en la gestión 
de los cuerpos de agua receptores. 
 
Para esta investigación, se plantea el reto de como implementar estos sistemas en cuencas 
urbanas en expansión, en donde se evalué el desempeño del sistema de drenaje existente, 
se determine la mejor manera en que se puede intervenir y se defina como hacer los 
desarrollos futuros para tener un sistema de drenaje sostenible y flexible. 
 
Para esto se propone utilizar los resultados y procedimientos de las investigaciones 
realizadas en el tema a nivel mundial. Se parte de un modelo hidrodinámico calibrado del 
sistema de drenaje de la cuenca urbana, se seleccionan los tipos de infraestructura 
sostenible que se adaptan mejor a las condiciones locales utilizando las guías 
internacionales y se realiza un proceso de optimización con algoritmos genéticos en el que 
se evalúan múltiples formas de implementar los sistemas de drenaje sostenible con el fin 
de obtener un conjunto de soluciones que produzca la mayor reducción de escorrentía al 
mínimo costo. 
 
Se plantea como objetivo principal desarrollar un procedimiento que permita planear 
sistemas de drenaje sostenibles y flexibles en cuencas urbanas en expansión. Este 
procedimiento será general para cualquier cuenca urbana y tendrá un caso de aplicación 
específico en el Municipio de La Estrella ubicado en el Valle de Aburrá. 
Se definen como objetivos adicionales proponer diferentes medidas de infraestructura que 
se requiere implementar para mejorar la eficiencia del sistema de drenaje actual y que su 
rehabilitación o expansión sea flexible, adaptable y a mínimo costo; y evaluar diferentes 
escenarios hidrológicos de una subcuenca urbana para determinar el desempeño hidráulico 
del sistema de drenaje considerando el uso actual y uso potencial del suelo. 
 
Este estudio permitirá tener resultados para el medio local, el cual tiene condiciones 
particulares cómo lluvias tropicales intensas, superficies de alta pendiente y poca 
disponibilidad de espacios verdes que son diferentes a las condiciones de clima y 
urbanismo de Europa y Norteamérica en donde se han desarrollado la mayor parte de los 
estudios. 
 
Esta investigación presenta una metodología para la implementación de sistemas de 
drenaje sostenible en cuencas urbanas en expansión, la cual es un aporte importante para 
el campo de investigación de infraestructura de drenaje sostenible, ya que no se cuenta con 
un procedimiento de este tipo y se constituye en una información útil para su uso en otras 
ciudades. 
 
Los resultados del caso de estudio son una información base que le permitirá a las 
autoridades locales y la empresa de servicios públicos conocer los costos y planear como 
se deben implementar estos sistemas en la ciudad y cuál será la efectividad de estas 
medidas. 
 
Esta investigación se limita a cuencas urbanas y sus zonas de expansión aledañas, a la 
modelación y evaluación del sistema de tuberías y/o canales que hacen parte del sistema 
Introducción 3 
 
 
de drenaje urbano y no incluye los cuerpos naturales de agua como ríos o lagos. La 
metodología por proponer y el caso de estudio se enfocan en la cantidad de agua y no 
abordan temas de contaminantes o calidad del agua. 
 
 
 
 
1. Proyecto de investigación 
1.1. Planteamiento del problema 
La infraestructura de drenaje urbano de las ciudades se puede dividir en tres grupos, el 
primero se constituyede elementos urbanísticos que reciben directamente las aguas lluvias 
que cae en la superficie y la conducen hasta los sistemas de alcantarillado o drenajes 
naturales, estos elementos son principalmente las cunetas, zanjas, vías y andenes; el 
segundo grupo lo conforman las redes de alcantarillado de aguas lluvias, sus principales 
elementos son los sumideros, las cámaras, las tuberías, aliviaderos y las descargas a los 
cuerpos naturales y el último elemento son los cuerpos naturales de agua que reciben las 
descargas del alcantarillado, estos cuerpos en las ciudades de los Andes Colombianos 
corresponden a ríos y quebradas. 
Con el crecimiento urbano de ciudades ubicadas en valles, que generalmente se da de la 
parte baja de la cuenca hacia la parte alta, se presentan cambios significativos en el ciclo 
hidrológico que impactan negativamente los elementos de drenaje. Estos efectos se dan 
principalmente por tres componentes: el primero es el aumento del volumen de agua que 
se debe drenar debido a la disminución de la infiltración y evapotranspiración; el segundo 
se debe a que este volumen de agua se debe drenar en un tiempo más corto, debido al 
aumento de velocidad del flujo superficial por la presencia de zonas duras y las altas 
velocidades de flujo en las redes de alcantarillados y finalmente se presenta un deterioro 
en la calidad del agua por el arrastre de basuras, sedimentos y material contaminante que 
se encuentra en las superficies de las ciudades como aceites, gasolinas y hollín. 
Adicionalmente, el cambio climático ha producido incrementos en la intensidad de los 
eventos extremos de lluvia que generan caudales para los cuales las redes de alcantarillado 
no fueron diseñadas. 
El incremento en los caudales de escorrentía causa rebosamiento en los sistemas de 
alcantarillado, desbordamiento de los ríos y quebradas en puntos críticos e inundaciones 
en las ciudades con efectos económicos y sociales negativos para sus habitantes. 
Para enfrentar esta problemática tradicionalmente se han implementado soluciones 
basadas en la construcción de sistemas de drenaje urbano de mayor capacidad. Se realizan 
inversiones económicas importantes para aumentar el tamaño de la infraestructura de 
alcantarillado y se canalizan los ríos y quebradas con el fin de darles una mayor capacidad 
de transporte. Aunque estas intervenciones generan una solución de drenaje en zonas 
Proyecto de investigación 5 
 
 
puntuales, no son una solución integral si se tiene en cuenta todo el ciclo de drenaje urbano; 
ya que se impactan las redes de alcantarillado aguas abajo y en especial las fuentes 
superficiales que por su evolución geomorfológica no tienen capacidad de transporte para 
estos nuevos caudales líquidos y sólidos. Debido a esto se presentan desbordamientos, 
inundaciones, erosión del lecho y de las bancas. 
En el Área Metropolitana del Valle de Aburrá, se tiene topografía de un valle aluvial en 
medio de una cadena montañosa, con un drenaje principal definido que es el Río Medellín. 
El crecimiento de la ciudad y los municipios aledaños se ha dado desde la parte baja de la 
cuenca (cerca del rio) hacia la parte altas, esto ha causado que actualmente se presenten 
los problemas que se mencionaron anteriormente. Teniendo en cuenta el desarrollo 
económico de la región y la dinámica de construcción y crecimiento urbano que está 
teniendo la ciudad; se plantea la problemática de cómo se debe planear y desarrollar la 
infraestructura de drenaje urbano que tiene la ciudad actualmente y la que requieren las 
zonas de expansión para tener un crecimiento sostenible que tenga en cuenta todos los 
elementos de la cadena del drenaje urbano, disminuyendo al máximo posible las 
inundaciones en las partes bajas, optimizando la inversión económica y con la menor 
afectación posible a los cauces naturales receptores. 
1.2. Antecedentes 
Los sistemas de alcantarillado son vitales para la existencia y funcionamiento de los centros 
urbanos de todas las magnitudes, su función es recolectar y transportar las aguas 
residuales provenientes de las residencias, comercio, industria e instituciones y entregarlas 
a la planta de tratamiento de aguas residuales; así como recolectar y transportar las aguas 
de escorrentía y entregarlas a las fuentes de agua superficial o subterránea. El sistema de 
aguas residuales cumple una función principalmente de salubridad que evita enfermedades 
en la población, mientras que el sistema de aguas lluvias cumple una función de gestión 
del riesgo y de garantizar la operatividad de las ciudades, esto se logra al evitar las 
inundaciones y los daños a propiedades y pérdidas de vidas humanas por los efectos de 
las acumulaciones de los caudales de escorrentía en las zonas bajas. 
En los países en desarrollo las ciudades están presentando un crecimiento urbano 
acelerado que presenta grandes desafíos para la gestión de los recursos naturales. Por 
ejemplo, en el área metropolitana del Valle de Aburrá entre el año 1948 y 2015 se ha 
presentado un crecimiento de la superficie urbana de 1540% y de acuerdo a los planes de 
ordenamiento territorial se espera un crecimiento de 314% para los próximos años 
Empresas Públicas de Medellín et al (2014). Estas tasas de crecimiento implican una gran 
presión sobre todos los sistemas de las ciudades, especialmente las redes de alcantarillado 
que deben recibir caudales para las que no están diseñadas. 
El crecimiento y desarrollo de los centros urbanos ha implicado la construcción de 
infraestructura que cambia el uso de los suelos, pasando inicialmente de bosques nativos 
a zonas de uso pecuario o agrícola y posteriormente a usos urbanos como vías y 
edificaciones. Estos cambios en los usos del suelo producen variaciones significativas en 
6 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
el ciclo hidrológico natural de las cuencas. Se produce un aumento significativo de la 
cantidad de agua que deben transportar las fuentes superficiales y cambios en la calidad 
del agua que reciben. Con respecto a la cantidad de agua se presenta un aumento por el 
efecto combinado de: primero un volumen de escorrentía mayor por el aumento de la 
impermeabilidad del suelo, la disminución de la infiltración y de la evapotranspiración y 
segundo por la disminución de los tiempos de concentración que se presenta al tener 
mayores velocidades de flujo en las superficies duras de las ciudades y en las redes de 
alcantarillado. Esto implica que las fuentes naturales deben recibir un caudal mayor en un 
tiempo menor. Por otro lado, se afecta la calidad del agua por el lavado de las superficies 
de los techos y vías de los centros urbanos. 
El cambio en el régimen de caudal en tan poco tiempo tiene efectos sobre las 
infraestructuras urbanas y los recursos naturales: 
 Redes de alcantarillado: se presenta conexión de nuevos caudales a las redes 
existente que no fueron diseñadas para estas condiciones. Esto implica rebosamiento 
de las redes por las tapas de las cámaras y por las acometidas de aguas lluvias de 
las edificaciones. 
 Ríos y quebradas: por su evolución geomorfológica estos cuerpos de agua no tienen 
la capacidad de transporte y se presenten desbordamientos, inundaciones y erosión 
lateral y de fondo en el cauce. 
Estos caudales que no pueden ser transportados se acumulan en las zonas bajas y planas 
de las ciudades y producen en los casos más graves pérdidas de vidas humanas por el 
arrastre de personas en las corrientes, pérdidas económicas por daños a bienes muebles 
e inmuebles y pérdidas en la productividad de las ciudades por cierre de vías, afectaciones 
a sistema trasporte y a la infraestructura pública. 
Tradicionalmente las normas y guías de diseño de sistemas de alcantarillado en Colombia, 
como el reglamento técnico del sector de aguas potable y saneamiento básico-RAS2000 yla norma de diseño de alcantarillado de Empresas Públicas de Medellín; así como la 
práctica común en el medio, ha sido desarrollar sistemas de alcantarillado de aguas lluvias 
que evacuen rápidamente los caudales de escorrentía. El criterio es que una vez cae el 
agua a la superficie y se convierte en escorrentía, se debe recoger lo más rápido posible 
por medio de sumideros y acometidas, transportar los caudales en las redes y entregar a 
los ríos y quebradas. En este modelo no se tiene en cuenta el efecto de estos caudales 
sobre las fuentes superficiales ni el impacto de los caudales por el crecimiento urbano futuro 
de la ciudad. Este tipo de infraestructura son rígidas, requieren altas inversiones 
económicas en el año cero del proyecto y son poco adaptables a condiciones futuras 
cambiantes. 
A nivel mundial el enfoque está cambiando hacia una gestión del drenaje urbano integral y 
sostenible que se basa en medidas descentralizadas que dan preferencia a la gestión de 
escorrentía en la fuente y que ofrecen flexibilidad para adaptarse a condiciones climáticas 
cambiantes y a la dinámica urbana. Estas medidas se enfocan en el uso de sistemas de 
drenaje urbano sostenible (SuDS) o mejores prácticas de gestión (BMPs), las cuales 
buscan gestionar la escorrentía para que sea similar al régimen hidrológico que tienen la 
cuenca antes de la urbanización. De acuerdo a Fletcher et al. (2014) el termino SuDS fue 
Proyecto de investigación 7 
 
 
inicialmente acuñado por Butler y Parkinson en 1997, posteriormente D’Arcy en 1998 lo 
aplicó al triangulo de drenaje sostenible (cantidad, calidad y urbanismo); el uso del término 
se formalizó en el año 2000 cuando los manuales técnicos del Reino Unido lo empezaron 
a utilizar. Finalmente, en el año 2007, la guía The SuDS Manual” de Ciria, utiliza el término 
y su uso se vuelve global. 
Esto se logra favoreciendo la retención, la infiltración, los caminos largos de flujo y el 
almacenamiento. Las infraestructuras de SuDS de acuerdo a Ciria (2015) son: 
 Almacenamiento de agua 
 Techos verdes 
 Sistemas de infiltración: tanques, zanjas, estanques a cielo abierto y mantos 
drenantes. 
 Sistemas de tratamiento en el predio (calidad) 
 Franjas de pasto 
 Drenes filtrantes 
 Canal de drenaje con vegetación 
 Celdas de bioretención 
 Árboles 
 Pavimentos permeables 
 Tanques de tormenta 
 Estanques 
 Lagos y humedales con o sin infiltración 
Existen manuales de diseño para estos sistemas como el del Ministerio de Vivienda y 
urbanismo de Chile (2005) y el del Department for Environmental Food and Rural Affairs 
del Reino Unido (2015), los cuales presentan una descripción completa de cada tipo de 
infraestructura, los materiales que se deben utilizar, el dimensionado, diseño de detalle, 
mantenimiento requerido y operación. En The SuDS Manual (2015) y Urban Storm Drainage 
Criteria Manual Volume 3 (2010) se presentan guías para seleccionar los tipos de SuDS 
más adecuado a utilizar de acuerdo a las condiciones locales, utilizando criterios de 
permeabilidad del suelo, área a drenar, pendiente del terreno, disponibilidad de espacio, 
profundidad del nivel freático y calidad del agua. 
En el lenguaje técnico se utilizan comúnmente estas expresiones para referirse a los 
sistemas de drenaje urbano sostenible: 
Sustainable Drainage Systems- SuDS: se refiere a todos los sistemas que buscan 
maximizar las oportunidades y beneficios que se pueden obtener de la gestión del agua 
superficial. Estos beneficios se pueden lograr en cantidad del agua, calidad del agua, 
recreación y biodiversidad. Es el término más general y se refiere a todas las medidas en 
escala de predio o unidad constructiva (descentralizadas) o centralizadas, pueden ser 
infraestructuras verdes o grises. 
Low Impact Development – LID o Green Infraestructure - GI: fue inicialmente acuñado por 
Barlow et al. en 1997. Son medidas e infraestructuras locales que manejan el agua en la 
fuente (escala de predio o edificación) y buscan reproducir el régimen hidrológico que se 
tiene antes de la urbanización. 
8 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
Best Management Practices – BMPs: El termino fue inicialmente planteado en “The Clean 
Water Act” en Estados Unido en 1972. Son medidas e infraestructuras centralizadas que 
pueden ser verdes o grises y que buscan gestionar las aguas de escorrentía de manera 
centralizada. Por ejemplo, humedales, estanques o tanques de tormenta. 
Las investigaciones recientes para el uso de SuDS en escala de cuenca o subcuenca 
urbana se basan en la evaluación del funcionamiento del sistema de alcantarillado bajo 
lluvias de diseño para periodos de retorno definidos o bajo lluvias reales que hayan 
producido eventos de inundación; la elección de los SuDS que se adaptan mejor a las 
condiciones locales y la optimización utilizando una función objetivo que es reducir la 
cantidad del agua de escorrentía y/o mejorar la calidad de la misma con el menor costo. 
Para esto se definen funciones de costo en función de la longitud, área o volumen unitario 
para cada tipo de infraestructura. 
Con el fin de conocer las zonas de la cuenca en donde se deben instalar los SuDS para 
que se produzcan los efectos deseados en cuanto a reducción de cantidad de agua o 
mejoramiento de calidad con el menor costo, se utilizan procesos de optimización. El 
objetivo de la optimización matemática es encontrar el mejor valor o conjunto de valores de 
todas las soluciones alternativas disponibles usando una técnica matemática. Una rutina de 
optimización se puede utilizar para maximizar y/o minimizar una o varias funciones objetivo. 
Se deben definir las variables de decisión y sus restricciones para crear el espacio de 
búsqueda. Un modelo de optimización opera usando un algoritmo que basado en una o 
varias funciones objetivo, las cuales son minimizadas o maximizadas, modifica las variables 
de decisión considerando las restricciones, hasta que se obtiene una solución válida, 
Galindo (2015). Los algoritmos genéticos posibilitan resolver problemas de optimización 
multiobjetivo, pero requieren alta capacidad de computo. El algoritmo genético más utilizado 
es el NSGA-II (nondominated sorting genetic algorithm) desarrollado por Deb (2002), tiene 
como ventaja principal la reducción del tiempo de cómputo y la posibilidad de resolver la 
optimización con dos o más objetivos simultáneos. 
El algoritmo de optimización se apoya en un software que permita realizar el cálculo 
hidráulico del sistema de tuberías bajo las diferentes condiciones hidrológicas. En el mundo 
académico uno de los software más utilizados es Epaswmm (Storm water management 
model), este fue desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos y 
es ampliamente utilizado para el modelamiento hidrodinámico de redes de alcantarillado. 
Permite realizar modelación hidrológica agregada y el tránsito hidráulico con onda dinámica. 
El software es gratuito y de código libre lo que permite implementar códigos para hacer 
procesos de optimización o evaluación automáticas bajo múltiples escenarios. 
1.3. Pregunta de investigación 
De acuerdo a lo planteado en los numerales anteriores, se identifica la necesidad de buscar 
la mejor manera de implementar sistemas de drenaje sostenible en la cuenca urbana del 
Valle de Aburrá. Teniendo en cuenta que los tipos de infraestructura a implementar deben 
Proyecto de investigación 9 
 
 
ser acordes a las condiciones de espacio disponible, tipo de suelo, intensidad de la 
precipitación, desempeño del sistema de drenaje y con el menor costo posible. 
Se plantea la pregunta: 
¿Cómo se debe implementar la infraestructura de drenaje sostenible en una cuenca urbana 
de tal manera que, de acuerdo a las condiciones locales, se genere reducción en los 
caudales de escorrentía con la mayor relaciónbeneficio costo? 
1.4. Objetivos 
Objetivo general 
Desarrollar una metodología para planificar un sistema de drenaje urbano bajo diferentes 
escenarios de tal manera que sea sostenible, flexible y adaptable. 
 
Objetivos específicos 
 Proponer un procedimiento para evaluar el desempeño de un sistema de drenaje en 
condiciones actuales y futuras. 
 Proponer diferentes medidas de infraestructura que se requiere implementar para 
mejorar la eficiencia del sistema de drenaje actual y que su rehabilitación o expansión 
sea flexible, adaptable y a mínimo costo. 
 Evaluar diferentes escenarios hidrológicos de una subcuenca urbana para determinar 
el desempeño hidráulico del sistema de drenaje considerando el uso actual y uso 
potencial del suelo. 
 
 
 
 
 
2. Revisión de literatura 
2.1. Infraestructuras de drenaje sostenible 
Las infraestructuras de drenaje urbano se diseñan para maximizar las oportunidades y 
beneficios que se pueden obtener del manejo de las aguas de escorrentía Ciria (2015). 
Estos beneficios se dividen en cuatro grupos: 
 Cantidad de agua: control de la escorrentía, aporta a la disminución del riesgo de 
inundación 
 Calidad del agua: gestionar la calidad de la escorrentía para prevenir la 
contaminación 
 Esparcimiento: crear y mantener mejores espacios para las personas 
 Biodiversidad: crear y mantener mejores espacios para la naturaleza 
Estas infraestructuras se pueden usar para desarrollos nuevos, así como para intervenir 
zonas que ya se encuentran consolidadas. 
Fletcher Et al (2014) plantean que en el lenguaje técnico se utilizan comúnmente estas 
expresiones para referirse a los sistemas de drenaje urbano sostenible: 
 Sustainable Drainage Systems- SuDS: se refiere a todos los sistemas que buscan 
maximizar las oportunidades y beneficios que se pueden obtener de la gestión del 
agua superficial. Estos beneficios se pueden lograr en cantidad del agua, calidad 
del agua, recreación y biodiversidad. Es el término más general y se refiere a todas 
las medidas en escala de predio o unidad constructiva (descentralizadas) o 
centralizadas, pueden ser infraestructuras verdes o grises. 
 Low Impact Development – LID o Green Infraestructure - GI: son medidas e 
infraestructuras locales que manejan el agua en la fuente (escala de predio o 
edificación) y buscan reproducir el régimen hidrológico que se tiene antes de la 
urbanización. 
 Best Management Practices – BMPs: Son medidas e infraestructuras centralizadas 
que pueden ser verdes o grises y que buscan gestionar las aguas de escorrentía de 
manera centralizada. Por ejemplo, humedales, estanques o tanques de tormenta. 
 
Revisión de literatura 11 
 
 
Existen múltiples infraestructuras y técnicas que se pueden implementar en escala de 
predio o de subcuenca, pueden estar enfocadas en la gestión de la cantidad del agua, de 
la calidad del agua o de ambas. Se pueden clasificar de acuerdo a su función principal, 
aunque generalmente cumples funciones simultaneas. Los tipos de infraestructura 
clasificadas por su función principal son: 
 
 Desconexión de áreas impermeables: 
o Franjas de pasto 
o Pavimentos permeables 
o Zanjas de pasto 
 Obra de infiltración: 
o Pozos de infiltración 
o Zanjas de infiltración 
o Celdas de bioretención 
o Filtros de arena 
o Techos verdes 
 Obras de almacenamiento 
o Estanques o pondajes 
o Reciclaje de agua 
o Humedales 
o Tanques de amortiguamiento 
Se presenta una descripción de los tipos de infraestructura que son más viables de 
implementar en las ciudades colombianas, teniendo en cuenta aspectos de espacio 
disponible, pendiente del terreno, intensidad de las lluvias, usos del suelo, etc. 
2.1.1 Reciclaje de agua 
Consiste en la recolección de agua de escorrentía a nivel de predio o edificación para su 
uso futuro. La escorrentía es recolectada de techos y otras áreas impermeables, 
almacenada, tratada (donde se requiera) y luego utilizada como un suministro de agua 
doméstica, comercial, industrial, institucional (Ciria, 2015). Estos sistemas pueden tener un 
número de beneficios clave: 
 Pueden cumplir con algunas de las demandas de agua del edificio, entregando 
beneficios en sostenibilidad y resiliencia al clima. 
 Ayudan a reducir el volumen de escorrentía de un área. 
 Pueden ayudar a reducir el volumen de almacenamiento para atenuación de picos 
que se requiere en un sitio. 
 Es una medida local que requiere poco espacio y que es operado y mantenido por 
el propietario. 
Los sistemas de reciclaje de agua se diseñan para un nivel específico de servicio, el cual 
puede cumplir únicamente funciones de suministro de agua (sistemas de conservación del 
agua) o también gestión y reducción del agua de escorrentía (con la inclusión de una 
capacidad de almacenamiento mayor). 
12 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
Existen tres tipos principales de sistemas: 
 Sistema de gravedad 
 Sistemas con bombeo 
 Sistemas compuestos 
En la Figura 2-1 se presenta un esquema de un sistema doméstico por gravedad tomado 
de Ciria (2015). Las aguas de escorrentía del techo se utilizan para el vaciado de sanitarios, 
el lavado de ropa y el riego del jardín. 
 
Figura 2-1. Sistema de reciclaje de agua domestico por gravedad 
2.1.2 Techos verdes 
Los techos verdes son áreas de vegetación viva, instaladas en las losas o techos de las 
edificaciones. Presentan múltiples beneficios incluyendo el aspecto visual, el valor 
ecológico, la mejora en el desempeño de la edificación (menor uso de aire acondicionado) 
y la reducción de la escorrentía de agua lluvia. Se dividen en dos categorías principales 
(Ciria,2015): 
 Techos extensivos: tienen profundidad de sustrato baja y por lo aportan poco peso 
a la estructura del edificio, la siembra es sencilla y los requerimientos de 
mantenimiento bajo; usualmente no son accesibles desde el interior del edificio. 
 Techos intensivos o jardines de techo: tiene profundidad de sustrato mayor, esto lo 
hace apto para una gran variedad de plantas y una retención de agua lluvia mayor. 
Requieren un mayor mantenimiento, usualmente son accesibles desde el interior del 
edificio. Aportan un peso significativo a la estructura de la edificación, esto implica 
que posiblemente se deban hacer labores de reforzamiento. 
Son medidas efectivas para reducir la escorrentía urbana, ya que reduce el porcentaje de 
superficies impermeables en áreas urbanas. Son especialmente efectivos en áreas urbanas 
consolidadas con sistemas de alcantarillado combinado que tengan problemas de 
Revisión de literatura 13 
 
 
sobreflujo por la alta impermeabilidad. Los techos verdes se construyen con material 
multicapas que consisten en una capa vegetal, suelo, geotextil y una capa 
impermeabilizante. Los techos verdes en áreas urbanas conservan un uso privado del suelo 
que de otra manera puede ser requerido para medidas de control de escorrentía (US EPA, 
2000). 
Aunque los techos verdes son generalmente más costosos de construir y mantener que los 
techos convencionales, proveen beneficios a largo plazo. El diseño de la cobertura vegetal 
debe ser compatible con las condiciones de clima y especies de la zona y proteger de la 
humedad a los materiales del techo que se encuentran por debajo. La vida útil del techo 
puede ser extendida con la implementación de un techo verde ya que se protege la capa 
impermeable de daño mecánico, se cubre contra el daño ultravioleta y se crea un 
aislamiento contra las temperaturas externas (Ciria, 2015), esto produce reducción de los 
costos de calefacción o aire acondicionado. 
En la Figura 2-2 se presenta un esquema típico tomado de tomada de 
http://dearkitectura.blogspot.com.co/2012/06/que-es-un-techo-verde.html 
 
Figura 2-2. Esquema techo verde intensivo. 
2.1.3 Celdas de bioretención 
Los sistemas de bioretenciónson zonas que se ubican por debajo del nivel del terreno, en 
donde se construye un área con suelo modificado y se siembra vegetación. Estas zonas 
pueden estar delimitadas por muros impermeables. Esta combinación favorece la 
infiltración, la evapotranspiración, el almacenamiento de agua, ayuda a reducir los 
volúmenes de escorrentía y a bajar la carga contaminante. 
Son particularmente efectivos en la interceptación del agua lluvia y también pueden proveer 
un urbanismo atractivo con un sistema de riego y fertilización autónoma. También ayudan 
al hábitat y la biodiversidad y bajan la temperatura local debido a la evapotranspiración. 
El diseño de las celdas de bioretención se basa en los tipos de suelo, condiciones del sitio, 
y usos del suelo. Un área de bioretención se puede componer de una mezcla de 
http://dearkitectura.blogspot.com.co/2012/06/que-es-un-techo-verde.html
14 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
componentes funcionales, cada uno desempeñando diferentes funciones en la remoción de 
contaminantes y la atenuación de la escorrentía US-EPA(2000). 
Las celdas de bioretención son componentes muy flexibles para el manejo del agua 
superficial que pueden ser integrados en una gran variedad de desarrollos urbanos, usando 
diferentes formas, tamaños, materiales, vegetación y dimensiones. Generalmente se usan 
para gestionar y tratar la escorrentía de eventos frecuentes de lluvias. Para eventos 
extremos se debe construir un sistema de sobreflujo que descargue en el sistema de 
drenaje, Ciria (2015). 
La escorrentía recolectada por el sistema se almacena temporalmente en la superficie y 
luego se filtra a través de la vegetación y los suelos subyacentes. Las mezclas de suelos 
especificadas se usan como un medio de filtración para favorecer el desempeño del 
tratamiento de bioretención y se pueden implementar diseños que incluyan zonas 
anaeróbicas sumergidas que promuevan la remoción de nutrientes, ver Figura 2.3. 
 
Figura 2-3. Esquema típico celda de bioretención (Fuente: Ciria, 2015) 
2.1.4 Zanjas de infiltración 
Las zanjas de infiltración son excavaciones lineales de baja profundidad que se llenan con 
piedra y/o gravas para crear un espacio de almacenamiento temporal para la atenuación, 
transporte e infiltración de las aguas de escorrentía superficiales. La piedra debe estar 
contenida en una zanja lineal simple con un geotextil, geomembrana, un material 
impermeable o una instalación estructural como un tanque de concreto. Los drenes 
filtrantes pueden estar contenidos o pueden permitir la infiltración, dependiendo de la 
capacidad de infiltración del suelo y el manejo que se le deba dar a las aguas subterráneas. 
(Ciria, 2015) 
Se ubican bajo andes, calles o lugares de uso públicos. Hacia estas zanjas se dirige parte 
importante del escurrimiento local y en ellas se intenta su infiltración concentrada. Estas 
zanjas de infiltración pueden considerar tubos y/o cámaras de inspección y mantenimiento. 
Constituyen un sistema de drenaje semisubterráneo o subterráneo local, cuyo rebose 
puede pasar a formar parte del escurrimiento superficial o estar conectado a un sistema de 
Revisión de literatura 15 
 
 
drenaje de aguas lluvias tradicional. La alimentación de estos sistemas con aguas limpias 
que provienen de techos o superficies pavimentadas puede mejorar las condiciones de 
mantenimiento y evitar la necesidad de interponer elementos de decantación de material 
particulado que puede colmatar los filtros (Ministerios de vivienda y urbanismo de Chile, 
1996). 
En la Figura 2-4 presenta un esquema típico tomado de 
http://hometownlandscape.com/services/landscaping-services/drainage-solution/ 
 
 
Figura 2-4. Esquema típico zanja filtrante. 
2.1.5 Pavimentos permeables 
Son estructuras que proveen una superficie adecuada para peatones y/o tráfico vehicular, 
mientras que permiten que el agua lluvia se infiltre a través de la superficie hasta las capas 
de suelo estructurales que se encuentran debajo. El agua es almacenada temporalmente 
por debajo de la superficie antes de su uso, infiltración al terreno o descargada 
controladamente a una corriente aguas abajo. 
Las superficies permeables, en conjunto con su subestructura asociada, son medios 
eficientes para manejar el agua superficial de escorrentía cerca de su fuente: interceptación 
de la escorrentía, reducción del volumen y frecuencia de la escorrentía y provisión de un 
medio de tratamiento. Los procesos de tratamiento que ocurren dentro de la estructura 
superficial, la matriz subsuperficial (incluyendo capas de suelo donde la infiltración es 
permitida) y las capas de geotextil incluyen (Ciria, 2015): 
 Filtración 
 Adsorción 
 Biodegradación 
 Sedimentación 
Existen dos tipos de pavimentos permeables que se definen con base en los materiales 
superficiales: 
http://hometownlandscape.com/services/landscaping-services/drainage-solution/
16 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
 Pavimentos porosos: el agua se infiltra a través de todo el material superficial. Por 
ejemplo, el asfalto o concreto poroso. 
 Pavimentos permeables: tienen una superficie conformada por un material que en 
sí es impermeable. Las piezas se disponen para que queden espacios vacíos por 
los cuales se infiltra el agua. Por ejemplo, los bloques o adoquines. 
En la Figura 2-5 se presenta un esquema típico de un pavimento permeable (Auguris, 
2009), este se compone básicamente de una carpeta de rodadura que tiene una función de 
dar una superficie lisa de rodamiento y soportar directamente las cargas del tránsito; por 
debajo de esta se encuentra la capa base y subbase, que tiene funciones estructurales, de 
filtración del agua escorrentía y de almacenamiento. Esta capa puede tener una tubería 
perforada para evacuar los excesos de caudal durante eventos lluvias intensos. 
 
Figura 2-5. Esquema típico pavimento poroso (Fuente: Auguris, 2009) 
2.2. Técnicas de optimización con algoritmos 
genéticos 
Un algoritmo genético es un método de búsqueda que imita la teoría de la evolución 
biológica de Darwin para la resolución de problemas. Para ello, se parte de una población 
inicial de la cual se seleccionan los individuos más capacitados para luego reproducirlos y 
mutarlos para finalmente obtener la siguiente generación de individuos que estarán más 
adaptados que la anterior generación (Arranz, 2010). 
Para el estudio de los algoritmos genéticos hay que tener en cuenta una serie de 
parámetros (Arranz, 2010): 
Revisión de literatura 17 
 
 
 Tamaño de la población: indica el número de cromosomas que tenemos en nuestra 
población para una generación determinada. En caso de que esta medida sea 
insuficiente, el algoritmo genético tiene pocas posibilidades de realizar 
reproducciones con lo que se realizaría una búsqueda de soluciones escasa y poco 
óptima. Por otro lado, si la población es excesiva, el algoritmo genético será 
excesivamente lento. 
 Probabilidad de cruce: Indica la frecuencia con la que se producen cruces entre los 
cromosomas padre, es decir, que haya probabilidad de reproducción entre ellos. En 
caso de que no exista probabilidad de reproducción, los hijos serán copias exactas 
de los padres. En caso de haberla, los hijos tendrán partes de los cromosomas de 
los padres. Si la probabilidad de cruce es del 100% el hijo se crea totalmente por 
cruce, no por partes. 
 Probabilidad de mutación: indica la frecuencia con la que los genes de un 
cromosoma son mutados. Si no hay mutación, los descendientes son los mismos 
que había tras la reproducción. En caso de que haya mutaciones, parte del 
cromosoma descendiente es modificado y si la probabilidad de mutación es del 
100%, la totalidad del cromosoma se cambia. En este caso, no se cambian 
simplementeunos bits del cromosoma, sino que se cambian todos, lo que significa 
que se produce una inversión en el cromosoma y no una mutación por lo que la 
población degenera muy rápidamente. 
Las metodologías de optimización se concentran en adecuar un conjunto de elementos de 
manera que se mejore el resultado dado por una función objetivo. Sin embargo, los 
problemas reales involucran otra serie de objetivos que pueden ser de tanto interés como 
el que se optimizó, e incluso ser tan relevantes y conflictivos que harían inviable la solución 
obtenida. La optimización multiobjetivo basada en técnicas evolutivas es una meta 
heurística que surgió con el fin de resolver este tipo de problemas, caracterizada por ser 
capaz de obtener un conjunto de soluciones, con los mejores compromisos entre los 
objetivos optimizados (frente óptimo de Pareto) (Peñuela, 2007). 
En general, un problema de optimización multiobjetivo se formula como: 
Min/max 𝑓𝑚(𝑥) 𝑚 = 1,2, … , 𝑀 
s.a. 𝑔𝑖(𝑥) ≥ 0 𝑖 = 1,2, … , 𝐼 
 ℎ𝑘(𝑥) = 0 𝑘 = 1,2, … , 𝐾 
 𝑥𝑗
𝐿 ≤ 𝑥𝑗 ≤ 𝑥𝑗
𝑈 𝑗 = 1,2, … . , 𝐽 
Lo que se busca es encontrar un vector de variables de estado x=(x1,x2,…,xj) que cumpla 
con el conjunto de restricciones y donde la funciones objetivo resultantes sean optimizadas. 
El espacio de solución, representado por todas las combinaciones posibles en el valor de 
las variables, genera un segundo espacio vectorial conocido como espacio objetivo y 
denotado por fn(x)=z=(z1,z2,…zM). 
En los problemas multiobjetivo no es posible evaluar de manera directa si una solución es 
mejor que otra, ya que cada solución se debe calificar de acuerdo con dos o más funciones 
objetivo. Las cuales a su vez, pueden ser de minimización o maximización. Por lo tanto se 
18 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
introduce el operador de dominancia, el cual define que una solución x(1) domina otra 
solución x(2) si se cumplen las condiciones:. 
 La solución x(1) no es de menor calidad que x(2) en todos los objetivos 
 La solución x(1) es estrictamente mejor que x(2) en al menos uno de los objetivos 
Aplicando iterativamente estas reglas sobre un conjunto cualquiera de soluciones de un 
problema de optimización multiobjetivo, se puede establecer cuáles son las alternativas 
dominantes, conocidas como Conjunto No Dominado. Las soluciones restantes forman 
parte del Conjunto de Soluciones Dominadas. Si se logra establecer cuál es el conjunto de 
Soluciones Dominantes a través de todo el espacio objetivo, entonces se habla de Frente 
óptimo de Pareto. 
La mayoría de los algoritmos de optimización multiobjetivo usan el método de Kung (Deb, 
2007) para obtener el conjunto de soluciones no dominadas. Este método propone una 
división recursiva de la población y es considerado en la literatura especializada como el 
método computacionalmente más eficiente. El primer paso consiste en ordenar 
descendentemente la población P según la importancia del valor de la primera función 
objetivo. Posteriormente, la población es dividida en dos subpoblaciones I (izquierda) y D 
(derecha) de forma. Lo anterior implica que la subpoblación I es de mejor calidad que la D 
desde el punto de vista de la primera función objetivo. Así, es posible verificar el criterio de 
dominancia, respecto a la segunda función objetivo, entre la subpoblación D y la I (el 
proceso es aplicable para problemas con más de dos funciones objetivo). Las soluciones 
de D que no son dominadas por cualquier miembro de I son combinadas con los miembros 
de I para formar una población no dominada. La conformación de la población M y la 
verificación de dominancia tienen lugar en el momento en que el tamaño de I y de D sea 
igual a 1, es decir, hasta que las divisiones recursivas de las subpoblaciones permitan 
comparar sólo un individuo de la población I con uno de la población D. 
El diagrama de flujo de la Figura 2-6 se ilustra la discusión anterior considerando la 
definición de los siguientes parámetros: 
V: Matriz que contiene los valores de todas las funciones objetivo para cada uno de 
los individuos de la población. 
P: Vector que contiene el número de cada individuo y corresponde a la primera 
columna de la matriz Población. 
N: Número de individuos de la población. 
M: Número de funciones objetivo del problema. 
TipoOpt: Vector que define el tipo de optimización (minimización=0 o maximización=1) de 
cada una de las funciones objetivo. Por ejemplo, TipoOpt=[0, 1] significa que Fobj1 es de 
minimización y Fobj2 es de maximización. 
Este algoritmo, además de entregar el conjunto de soluciones dominantes, permite 
organizar las soluciones en frentes que indican el nivel o rango de dominancia que posee 
una alternativa frente a las demás; como se muestra en la Figura 2-6. 
Revisión de literatura 19 
 
 
 
Figura 2-6. Diagrama de flujo del método de bisección recursiva (Fuente: Peñuela, 2007). 
Algoritmo NSGA-II (Non-Sorting Genetic Algorithm II) 
Fue planteado por Deb (2002), es de tipo elitista, ya que incorpora un mecanismo de 
preservación de las soluciones dominantes a través de varias generaciones de un algoritmo 
genético. El proceso se inicia a partir de un conjunto de tamaño N de soluciones (Padres) 
obtenidas al azar o a través de un constructivo suave. Las siguientes generaciones son 
determinadas usando mecanismos modificados de selección cruzamiento y mutación 
definidos por el algoritmo genético clásico. 
Se describen los pasos generales que sigue el algoritmo: 
Proceso de selección, cruzamiento y selección: Sobre la población actual (Padres) son 
seleccionadas N parejas de soluciones escogidas aleatoriamente. Cada pareja compite en 
un torneo donde gana la alternativa que pertenezca al rango de mejor calidad. Si las 
alternativas en competencia pertenecen al mismo frente, entonces gana la que introduzca 
un mayor grado de diversidad al conjunto en construcción. Los vencedores de cada torneo 
son los únicos facultados para obtener descendencia, el cruzamiento y mutación se 
manejan de igual forma al mostrado por el algoritmo genético clásico. De esta manera, lo 
que se espera es que la información genética de las alternativas dominantes esté presente 
en las siguientes generaciones y atraiga al resto de la población hacia sus vecindades. 
20 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
Operador de Apilamiento: Los algoritmos multiobjetivo buscan encontrar el mayor número 
posible de soluciones que pertenezcan al frente de Pareto. Por tanto, es necesario que la 
población se mantenga tan diversa como sea posible. El operador de apilamiento permite 
cuantificar el espacio alrededor de una alternativa que no se encuentra ocupada por 
ninguna otra solución. Para esto se debe calcular el perímetro del cuboide formado por las 
soluciones vecinas que poseen el mismo rango de dominancia que la alternativa i. 
Determinación del conjunto descendiente final: Antes de finalizar una generación del 
algoritmo, se ejecuta un proceso de preselección y preservación de las soluciones de élite, 
que consiste en reunir el conjunto de soluciones padres y los descendientes obtenidos por 
medio de los operadores de selección, cruce y mutación. De esta manera la población 
actual aumenta al doble de los individuos de la población inicial. Para ello es necesario 
clasificar el conjunto completo en sus respectivos frentes de dominancia y preservar los 
individuos que pertenezcan a los frentes de mejor calidad. Como se muestra en la figura: 
 
Figura 2-7. Determinación de la nueva población algoritmo NSGA-II (Fuente: Peñuela, 
2007). 
Se presenta el seudocódigo para el NSGA-II: 
1. Generaruna población P de tamaño N. 
2. Identificar los frentes de dominancia y evaluar las distancias de apilamiento en 
cada frente. 
3. Usando selección (<c), cruzamiento y mutación se genera una población 
descendiente del mismo tamaño de P. 
4. Reunir Padres e hijos en un conjunto de tamaño 2N y clasificar los frentes de 
dominancia. 
5. Determinar el conjunto descendiente final seleccionando los frentes de mejor 
rango. Si se supera el límite de población N, eliminar las soluciones con menor 
distancia de apilamiento en el último frente seleccionado. 
Revisión de literatura 21 
 
 
6. Sí se cumple el criterio de convergencia, Fin del proceso. De lo contrario retornar 
al paso 3. 
2.3. Selección y modelación de SuDS en cuencas 
urbanas 
Selección 
Existen varías guías que ayudan a encontrar los tipos de infraestructuras de drenaje 
sostenible que son más adecuadas de acuerdo con las condiciones de permeabilidad 
del suelo, área de drenaje, pendiente del terreno, disponibilidad de espacio, 
disponibilidad de zonas verdes, etc. 
 Metodología National Management Measures to Control Nonpoint Source 
Pollution from Urban Areas, US EPA (2005). 
La Figura 2-8 presenta un flujograma que permite seleccionar una o varias de 
las infraestructuras: estanques de retención, humedales, cuencas de infiltración, 
zanjas de infiltración, pavimentos permeables, techos verdes y reciclaje de agua; 
teniendo en cuenta el desempaño de acuerdo con criterios de área de drenaje, 
pendiente, tipo de suelo y profundidad del nivel freático. 
22 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
 
Figura 2-8. Flujograma selección SuDS. (Fuente: US-EPA, 2005) 
 Metodología Urban Storm Drainage Criteria Manual: volume 3. Best 
Management Practice (2010). 
Presenta tres flujogramas, cada uno con una tabla guía asociada. Uno para 
áreas densamente urbanizadas, otra para desarrollos urbanos convencionales 
y otro para infraestructuras de drenaje lineales en áreas urbanizadas. Las 
opciones de infraestructuras que presentan son pavimentos permeables, techos 
verdes, celdas de bioretención, zanjas de pasto, humedales, techos verdes y 
filtros de arena. 
En la Figura 2-9 se presenta el procedimiento para la selección de SuDS en 
áreas densamente urbanizadas. 
Revisión de literatura 23 
 
 
 
Figura 2-9. Flujograma selección SuDS Urban Storm Drainage Criteria Manual. (Fuente: 
Urban Drainage and Flood Control District, 2010) 
 Metodología The SuDS manual, Ciria (2015) 
Los tipos de infraestructura de drenaje sostenible dependerán de los criterios de 
diseño, y de como la gestión del agua superficial se integra con el desarrollo y 
la disposición del terreno. Cada tipo de SuDS se puede diseñar de maneras 
diferentes, en los sentido técnico y visual. Estos usualmente pueden ser usados 
para transportar y almacenar la escorrentía, dependiendo de la magnitud de la 
escorrentía. En la Figura 2-10 The SuDS manual presenta una guía que resume 
el potencial de diferentes tipos de infraestructuras en el cumplimiento del criterio 
de diseño, y provee una ayuda para el diseño en los pasos de la selección de 
los componentes. 
24 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
 
Figura 2-10. Guía selección SuDS manual. (Fuente: Ciria, 2015) 
Modelación 
Las investigaciones recientes para el uso de SuDS en escala de cuenca o subcuenca 
urbana se basan en la evaluación del funcionamiento del sistema de alcantarillado bajo 
lluvias de diseño para periodos de retorno definidos o bajo lluvias reales que hayan 
producido eventos de inundación; la elección de los SuDS que se adaptan mejor a las 
Revisión de literatura 25 
 
 
condiciones locales y la optimización utilizando una función objetivo que es reducir la 
cantidad del agua de escorrentía y/o mejorar la calidad de la misma con el menor costo. 
Para esto se definen funciones de costo en función de la longitud, área o volumen unitario 
para cada tipo de infraestructura. 
Con el fin de conocer las zonas de la cuenca en donde se deben instalar los SuDS para 
que se produzcan los efectos deseados en cuanto a reducción de cantidad de agua o 
mejoramiento de calidad al menor costo posible, se utilizan procesos de optimización. El 
objetivo de la optimización matemática es encontrar el mejor valor o conjunto de valores de 
todas las soluciones alternativas disponibles usando una técnica matemática. Una rutina de 
optimización se puede utilizar para maximizar y/o minimizar una o varias funciones objetivo. 
Se deben definir las variables de decisión y sus restricciones para crear el espacio de 
búsqueda. Un modelo de optimización opera usando un algoritmo que basado en una o 
varias funciones objetivo, las cuales son minimizadas o maximizadas, modifica las variables 
de decisión considerando las restricciones, hasta que se obtiene una solución válida 
(Arranz, 2010). Los algoritmos genéticos posibilitan resolver problemas de optimización 
multiobjetivo, pero requieren de una alta capacidad de cómputo. Se sugiere utilizar el 
algoritmo el NSGA-II (nondominated sorting genetic algorithm) desarrollado propuesto por 
Deb en 2002. 
La evaluación de los SuDS que mejor se adaptan a condiciones locales, el cálculo de 
funciones de costo de cada tipo de infraestructura, la modelación de diferentes tipos de 
SuDS en cuencas urbanas y la optimización con algoritmos genéticos es un tema que ha 
sido estudiado ampliamente. 
Por ejemplo, Alves et al (2016) presentan una metodología para seleccionar, evaluar y 
ubicar diferentes medidas de tecnologías verdes y grises (tanques de amortiguamiento) 
para repotenciar los sistemas de drenaje urbano existentes. La metodología usa un modelo 
hidrodinámico calibrado en el software Epaswmm y optimización multiobjetivo con el 
algoritmo genético NSGA-II para diseñar las soluciones al nivel de subcuenca. La función 
objetivo busca reducir el caudal de sobreflujo que sale por las cámaras de alcantarillado. 
Se seleccionan los SuDS a implementar de acuerdo con guías internacionales y se propone 
un procedimiento para realizar la optimización. Se compara la efectividad de los SuDS 
centralizados y descentralizados. Se hace un caso de aplicación en Montevideo, Uruguay. 
Se encuentra que cuando se requiere intervenir zonas altamente urbanizadas para mejorar 
la capacidad de drenaje, la mejor alternativa es el uso de combinaciones de infraestructura 
verde y gris. Se propone para futuras investigaciones tener en cuenta las preferencias y 
flexibilidades de los grupos de interés y tener en cuenta beneficios tangibles y no tangibles 
de los SuDS. 
Jia et al (2015) proponen un procedimiento marco para la planeación de los desarrollos de 
bajo impacto y de mejores prácticas de gestión (LID-BMPs) para el control de escorrentía. 
El procedimiento plantea los pasos: 1. Definir los objetivos en control de escorrentía, 2. 
Recolección de información base y análisis de las condiciones del sitio, 3. Delimitación de 
subcuencas, 4. Selección de LID-BMPs, 5. Definir escenarios de los LID-BMPs y hacer 
simulación, 6. Optimización. Se modela un caso de estudio de una cuenca en un campus 
universitario en China con el software Sustain bajo cuatro escenarios, con función objetivo 
reducción de volumen de escorrentía, caudal pico y carga contaminante. Así mismo, Oraei 
et al (2013) realizan una evaluación de la efectividad de las celdas de bioretención, 
26 Procedimiento para la planeación de sistemas de drenaje sostenibles y flexibles 
en cuencas urbanas en expansión 
 
 
pavimentos porosos y almacenamiento de agua para disminuir la carga contaminante 
medida en sólidos suspendidos totales (SST) y demanda biológica de oxígeno (DBO5) y 
reducir la cantidad de escorrentía en una cuenca urbana de Teheran, Israel; utilizando