Las comparaciones son odiosas, SUDS vs alcantarillado

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  • comparaciones son odiosas, SUDS vs alcantarillado
  • Una hipotética comparativa de la escorrentía de un tramo de la diagonal de Barcelona.

Sobre el blog

Ana Abellán
Consultora en Sostenibilidad Urbana, especializada en la Gestión Integral del Agua Urbana mediante Infraestructuras Verdes
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Una de la pregunta más frecuente que se escucha acerca de los Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS) en nuestro país es: Pero, estos sistemas, ¿son realmente efectivos?. Es decir ¿tienen capacidad para gestionar la misma cantidad de agua que una red de alcantarillado normal?

Hay que precisar que no se puede esperar que los SUDS gestionen de igual manera el agua que precipita por las ciudades. Una de sus principales características y diferencias con un sistema convencional de drenaje, es que reduce el caudal de escorrentía generado en un episodio pluviométrico. Esto es debido a que no se limitan a recoger y transportar el agua generada en las superficies impermeables urbanas, sino que al estar en superficie actúan directamente sobre la generación de dicha escorrentía, disminuyendo su cantidad.

Para aclarar cómo sucede esto voy a plantear en este y el siguiente post un comparativa simulada: ¿Qué ocurriría si en una calle cualquiera de una ciudad cualquiera se instalase un sistema compuesto por algunas técnicas de drenaje sostenible?

Para ello se ha escogido un pequeño segmento de la Avenida Diagonal de Barcelona, el comprendido entre Passeig de Sant Joan y Roger de Flor, y con el programa SWMM se ha calculado el agua de escorrentía generada con una precipitación determinada. Luego, con esa misma cantidad de precipitación se ha vuelto a realizar el cálculo de la escorrentía, pero esta vez incluyendo en la simulación algunas técnicas de drenaje sostenible localizadas en ese mismo pequeño tramo.


Tramo de la avenida en sobre el que se va a hacer la comparación

Simulación con SWMM 5.1 ¿por qué se ha usado este programa?

Para comparar la escorrentía generada en una pequeña cuenca con y sin un SUDS implantado se ha usado el programa de la EPA, SWMM  (Storm Water Management Model). Este programa de la Agencia de Protección de Medio Ambiente es de uso libre (o sea, gratis) y se emplea a nivel mundial para el análisis, diseño y planificación relacionados con la escorrentía, la red de drenaje convencional, otros tipos de drenaje, etc.

Algunas de las capacidades que tiene en el cálculo hidrológico se pueden resumir en:

  1. Permite trabajar con precipitación variable en tiempo y espacio.
  2. Realiza la simulación de procesos de evaporación, acumulación y derretimiento de nieve, e interceptación por encharcamiento.
  3. Simula la infiltración y la entrada del agua de infiltración en acuíferos.
  4. Contabiliza el intercambio de flujo entre los acuíferos y el sistema de transporte.
  5. Simula la escorrentía superficial mediante modelo de depósito no lineal.
  6. Computa el aporte de escorrentía superficial entre subcuencas.
  7. Y como punto final y más importante en este caso: Permite introducir en el estudio las técnicas de drenaje sostenible, denominadas en el programa SWMM versión 5.1 como técnicas de desarrollo de bajo impacto o lo que en inglés sería “Low Impact Development” (LID’s), y contabilizar la influencia que tienen en el caudal de escorrentía.

Datos de partida para realizar la simulación

La Cuenca de Estudio


Detalle de la avenida Diagonal, al fondo Passeig Sant Joan

 


Como se ha dicho al inicio, se ha escogido un pequeño tramo de la Avenida Diagonal de Barcelona, el situado entre el Paseo de Sant Joan y calle Roger de Flor. A lo largo de toda esta avenida, hay varias zonas verdes longitudinales. Pero éstas no constituyen ninguna técnica de drenaje sostenible. Están elevadas y separadas por un bordillo, así que cuando llueve no reciben agua de las zonas impermeables colindantes, aunque desde ahí sí que sale agua hacia el pavimento impermeable que luego va a parar a la red de alcantarillado por los imbornales cercanos. Las características de la pequeña cuenca escogida son:

  • Área impermeable: 5683,6 m2 (94,43% del área total)
  • Área permeable: 335,22 m2 (5,57% del área total)
  • Anchura de la cuenca: 50 metros
  • Longitud: 113,40 metros
  • Pendiente: 0,73%
  • Coeficiente de Manning (n) en área impermeable: 0,012
  • Coeficiente de Manning (n) en área permeable: 0,15

La pluviometría

En el cálculo hidrológico hay varias formas de introducir los datos pluviométricos en el programa SWMM. Para hacer la comparativa se ha usado el hietograma de bloques de la lluvia de diseño con los datos de la entidad gestora de la red de drenaje urbano de Barcelona (BCASA), que determina que la lluvia de diseño para el estudio/proyectos de nuevas redes de drenaje es la de período de retorno de 10 años. Aunque usar estos datos no es lo más apropiado en el estudio de SUDS, son de disponibilidad pública y gratuita. Así que, para el caso que nos ocupa, una comparativa, nos sirve.

Esta entidad publica en su web las curvas IDF y las tablas con los valores intensidades con valores de intensidad para diferentes duraciones y períodos de retorno de la estación de la AEMET Pompeu-Fabra. Esta curva IDF se representa con la siguiente ecuación:

I=a+b∙(Ln(TR+1))e
a=-78,1590∙e-0,0396D
b=9889,0068∙(D+17,3611)-1,2395
c=0,0023∙D+0,3027


Hietograma de bloques alternos de una precipitación con un periodo de retorno de diez años y dos horas de precipitación para la ciudad de Barcelona

A partir de este hietograma, la precipitación total supuestamente caída es de 72,2 mm, precipitación que se transformará en escorrentías diferentes según haya o no un SUDS implantado.

Otros factores hidrológicos a tener en cuenta

Pero en la transformación de agua de lluvia en escorrentía hay que considerar que no toda el agua precipitada va a transformarse en caudal de escorrentía, ya que suelen producirse unas pérdidas. Restándolas a la lluvia total, es como se obtiene la lluvia neta o efectiva.

Los tipos de pérdidas considerados son:

  • Evaporación

Este tipo de pérdidas se simulan a partir de un valor diario en el SWMM a partir de las aguas estancadas en las superficies de las cuencas, para el agua subterránea y para el agua retenida en depósitos. En este caso estas pérdidas no se han considerado relevantes, así que no se han tenido en cuenta.

  • Almacenamiento en superficie e interceptación

Estas pérdidas son las producidas por almacenamiento en las depresiones del terreno. Éste es un parámetro de difícil estimación y valoración, se han dado unos valores aproximados. En función de los propuestos por Manuel Gómez (Curso de análisis y rehabilitación de redes de alcantarillado mediante el código SWMM 5.0 , 2007) y del estado de las calles se han dado unos valores de 1,5mm para la superficie pavimentada, 5mm para las superficies con césped o arboladas en la simulación sin un SUDS y 10mm para esas superficies verdes en la simulación con SUDS.

¿Por qué se han dado valores diferentes? Pues porque en un sistema de drenaje sostenible las nuevas zonas proyectadas ajardinadas han de favorecer el encharcamiento y la posterior infiltración del agua encharcada.

  • Infiltración

Como se ha indicado en la descripción de la cuenca, el porcentaje de suelo impermeable es muy elevado, por ello apenas se produce infiltración. Pero este proceso se ve favorecido por los SUDS, de manera que el agua precipitada sobre ellos es almacenada e infiltrada, no derivada en escorrentía.

La capacidad de infiltración de un terreno depende del tipo de suelo existente, la pendiente, el grado de humedad previo, su índice de porosidad, y otros factores. El programa SWMM  incluye diferentes modelos para estimar la infiltración: Horton, Green-Ampt y el Número de Curva del SCS. Pero sólo puede usarse uno de los métodos en cada proyecto, en este caso se ha escogido el de Green-Ampt y a los parámetros que requiere para el cálculo se han dado los valores recomendados en las tablas del US-EPA, 2005 “Manual Usuario SWMM5.0 ve. Modelo de Gestión de aguas Pluviales”.

La implantación de los SUDS

Los criterios de selección de las técnicas de drenaje urbano sostenible, aunque provengan de fuentes diferentes, tienen en cuenta varios elementos de distinta naturaleza, siendo los más representativos:

  • La capacidad de reducir la escorrentía superficial.
  • Los usos del suelo.
  • La presencia de un medio natural cerca.
  • La tipología del suelo, su pendiente,…factores físicos en general.
  • Factores ambientales y sociales.
  • Normativa y recomendaciones.

Y las técnicas seleccionadas en esta comparativa son:

  • Pavimentos porosos (PP): Continuos (PP CONT) y Modulares (PP MOD)
  • Áreas de biorretención (AB)
  • Cunetas verdes (CV)

En la imagen, localización de las técnicas de drenaje sostenible, MAR hace referencia a la acera en la parte más cercana al mar y MON a la parte más cercana a la montaña

La distribución de las sistemas de drenaje sostenible dentro de cada una de ellas no implica ninguna variación representativa respecto a la distribución que hay en lo que hace referencia a las dimensiones de las zonas peatonales y las dedicadas al tráfico rodado.

Para aclarar la imagen, en la simulación con el SUDS:

  • Las aceras se han sustituido por pavimentos permeables modulares
  • Las zonas peatonales del boulevard, por pavimentos permeables continuos
  • Y las zonas verdes por cunetas verdes y por áreas de biorretención

Lo único que no se ha supuesto permeable es el asfalto por donde circula el tráfico por tratarse de un medio más sensible a cambios dado los requerimientos de seguridad de su uso.

Como ya se ha mencionado, una de las características del SWMM 5.1 es la capacidad que tiene para simular el funcionamiento de algunas técnicas de drenaje sostenible. Para ello incluye dentro del módulo “Hidrología” un apartado en el que se pueden incluir las características de dichas técnicas.

Se puede hacer tomando cada técnica de drenaje sostenible (o como llama el programa, LIDLow Impact Development”) como una cuenca de pequeñas dimensiones o considerando el conjunto de técnicas dentro de una cuenca. Y esto último es lo que se ha hecho, dadas las pequeñas dimensiones del espacio escogido para hacer la comparativa.

Lo principal que hay que modificar respecto a la situación actual sin SUDS y que influirá en los resultados de la escorrentía total del pequeño tramo de estudio es la proporción de suelo permeable. Esta aumentaría considerablemente con la presencia de estas técnicas. En este caso se pasa de un porcentaje de suelo impermeable de un 94,43% al 48,34%. El aumento de la superficie permeable no es la única modificación que se incluirá en el apartado de la cuenca dentro del programa SWMM, pero sí la más representativa.

Además, para realizar la simulación hay que definir numerosos parámetros de diferente naturaleza en función de cada una de las diferentes técnicas presentes en la comparativa, como serían la profundidad, relación de espacios vacíos, porosidad, punto de marchitez, etc. 

Otro factor muy importante a mencionar es que las técnicas de drenaje sostenible pueden recibir agua procedente de las zonas impermeables colindantes dentro la misma subcuenca (o tramo de estudio) con lo que reduce la escorrentía total, ya que no sólo se disminuye la generada sobre los SUDS, sino que gestiona parte de la generada en las zonas impermeables.

¿Esto cómo ocurre?

Pues, a diferencia de las zonas verdes que hay en la calle, separadas por bermas y cuya superficie está a unos 17 cm por encima de las zonas impermeables, las TDUS estarían a una cota ligeramente inferior de dichas áreas por lo que a ellas iría a parar parte de la escorrentía generada en el pavimento impermeable.


A la izquierda se aprecia la elevación de uno de los espacios verdes  de la Avenida Diagonal. A la derecha se muestra la entrada de agua a un área de biorretención desde una calzada impermeable.

Para estimar el % de área impermeable que se trata se ha tenido en cuenta la pendiente longitudinal de ese tramo de la calle, el bombeo de la calzada y el tipo de técnica de drenaje urbano sostenible. Como los pavimentos permeables son zonas de tránsito de peatones, no recibirían agua de las zonas impermeables colindantes, ya que podrían llegar a tener una lámina de agua superficial creando problemas a los viandantes. Donde sí que se ha previsto que iría a parar parte de la escorrentía de las zonas impermeables sería a las áreas de biorretención y a las cunetas verde.

En la tabla: Grupo de técnicas LID que se ha usado en el garaje, su tamaño y el porcentaje de escorrentía de la parte de la cuenca impermeable que debe tratar cada una.

Resultados

La precipitación total caída usada en la simulación es de 72,2 mm, la misma tanto con las técnicas de drenaje como sin ellas. Pero esa cantidad de agua va a sufrir diferentes procesos según sea un caso u otro. Mientras que lo que sucede realmente en la calle es que casi toda esa agua se transforma en escorrentía superficial, en el caso hipotético de que hubiese instaladas técnicas de drenaje sostenible  no ocurriría así. Una de las propiedades del programa usado para realizar la comparativa es que ofrece los resultados de las técnicas de “bajo impacto” de forma independiente:

En esta tabla se pueden ver varios resultados calculados por el programa. Lo cierto es que así es complicado hacerse una idea de la diferencia con el tramo real de la avenida que no tiene drenaje sostenible, esto lo vamos a ver un poco más adelante.

Antes de ver los resultados globales, es interesante observar cómo actúan cada una de las técnicas por separado:

  • Los pavimentos permeables infiltran toda el agua que cae sobre ellos, este resultado es así porque en la definición de estas técnicas se han supuesto que funciona correctamente y que no hay problemas de colmatación. Esto en la realidad no ocurriría siempre, pero como es un caso hipotético, se supone que no van a recibir grandes aportes de aguas de zonas externas que pudieran producir un colapso y tampoco se ha considerado una gran tormenta, así que se ha supuesto su máxima eficacia.
  • Otra cosa interesante de observar son las cunetas verdes, en este caso sí que van a producir algo de escorrentía, pero casi un 30% menos de lo que harían de no estar.
  • Y por último quedan las áreas de biorretención, que son las que menos espacio ocupan pero las que más agua gestionan dado que reciben el agua de una amplia zona colindante y además la almacenan.

La "odiosa" comparación

Resumiendo, si partimos de una misma cantidad de lluvia precipitada en ambos sistemas, con y sin SDUS, se puede valorar la disminución en los caudales de escorrentía que supone la implantación de las estas técnicas. En la siguiente tabla se muestran los resultados finales de la simulación hidrológica, en la situación real actual y en la situación proyectada, además del tanto por ciento de diferencia de los valores finales.

La infiltración aumentaría de forma notable, mientras que como consecuencia directa de este aumento, caudal y escorrentía sufrirían un fuerte descenso. O sea, que la cantidad total de agua que escurre por la cuenca, el coeficiente de escorrentía y el pico del caudal disminuirían a más de la mitad, y esto es debido al importante aumento de la permeabilidad en el suelo en la situación prevista por la presencia de drenaje sostenible. Y para verlo de forma más clara, a continuación se muestran las representaciones gráficas de estos resultados.

Conclusiones

Como se suele decir, el papel lo aguanta todo. Esto ha sido un ejercicio basado en una simulación, no es la realidad, aún haría falta más investigación acerca del funcionamiento conjunto de las diferentes técnicas para poder dar unos valores más concisos de las tasas reales de reducción de caudal.Pero lo que demuestra  es cómo, instalando SUDS que favorezacan la infiltración, la escorrentía disminuiría de forma notable.

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