Alejandro Dussaillant

Pontificia Universidad Católica de Chile

Chin Wu Kenneth W. Potter

University of Wisconsin-Madison, United States of America

La gestión de agua de lluvia tradicional no mitiga la pérdida de agua subterránea, producto del bombeo y la disminución de la recarga asociados con la urbanización. Las practicas basadas en la infiltración, tales como los jardines de biorretención, ofrecen una alternativa para contrarrestar esta pérdida de agua subterránea. Un jardín de biorretención es un jardín diseñado en una depresión poco profunda que recibe las aguas de lluvia provenientes de superficies impermeables, focalizando la recarga. Se desarrolló un modelo numérico que puede ser aplicado al diseño y evaluación de jardines de biorretención. El modelo considera el flujo de agua a través de tres capas del perfil de suelo del jardín: zona de raíces, zona de almacenamiento y zona de baja permeabilidad. Para simular continuamente la recarga, el rebalse y la evapotranspiración, el modelo acopla la ecuación de Richards con un balance del agua en la depresión superficial del jardín. Para una aplicación en la zona húmeda del medio oeste de Estados Unidos de América, los resultados de las simulaciones indican una alta tasa de recarga, el doble de la natural. Un jardín de sólo un 10% del área impermeable aportante maximiza la recarga. Se instaló un jardín experimental para recabar datos sobre los flujos del balance hídrico de forma continua. Se realizaron tres experimentos para validar el modelo numérico, similares a eventos típicos, y los resultados del modelo se ajustaron bien a los datos de humedad del perfil, aunque sobreestimaron el volumen de recarga entre un 15 y 37%.

Palabras clave: jardín de lluvia, biorretención, aguas de lluvia, infiltración, Richards, agua subterránea, recarga, urbanización.

usualmente menospreciado, causada por el aumento del bombeo y el descenso en la recarga.

La urbanización, de creciente ocurrencia mundial, tiene Más de 1.5 billones de personas en el mundo efectos hidrológicos adversos (Klein, 1979; Leopold, dependen del agua subterránea como su fuente 1968). La preocupación principal del manejo del agua primaria de agua potable (Alley et al. 2002). Además, de lluvia ha sido el aumento del peak del hidrograma ecosistemas acuáticos como lagos, ríos y humedales urbano debido a la introducción de áreas impermeables necesitan usualmente de la descarga de agua y el sistema de drenaje (Booth y Jackson, 1997; subterránea (NRC, 1992), que les provee de una fuente Ferguson, 1990; Leopold, 1968); pero la baja del agua de agua relativamente constante en caudal, temperatura subterránea ha sido un impacto de la urbanización y calidad (Klein, 1979).

La gestión tradicional del agua lluvia, que se basa El propósito de este modelo es simular el balance fuertemente en el almacenaje, no mitiga el descenso hídrico de un jardín de biorretención que recibe el del agua subterránea que resulta del bombeo para escurrimiento de agua de lluvia de una o mas superficies usos humanos y de la reducción de la recarga por la impermeables. El modelo puede ser usado para diseñar impermeabilización del suelo (Ferguson, 1990). De las dimensiones críticas del jardín, incluyendo su área hecho, la recarga artificial se esta haciendo cada vez superficial, la profundidad de apozamiento y el grosor de mas interesante como una estrategia de manejo del la zona de almacenamiento. agua subterránea (Alley et al. 2002), pero hace falta El modelo se aplicó a las condiciones climáticas investigación sobre recarga localizada en zonas urbanas del sur de Wisconsin, Estados Unidos de América, (Lerner, 2002). Los jardines de biorretención son una durante la estación de lluvias (abril a septiembre) para nueva alternativa en pos de la recarga artificial. el periodo 1992-1997. El objetivo de la aplicación del

Un jardín de biorretención consta de una depresión modelo fue explorar cómo las dimensiones del jardín poco profunda en el terreno, de pequeña extensión, de biorretención afectan la cantidad de recarga y la que recibe el agua de lluvia de una o mas superficies duración de las condiciones saturadas en la zona de impermeables adyacentes, como techumbres o esta- raíces que afectan la supervivencia de las plantas. cionamientos. Las plantas del jardín incentivan una Para validar el modelo con datos de terreno se diseñó zona de raíces biológicamente activa que ayuda a y construyó un jardín infiltrante experimental, el primero mantener la infiltrabilidad del suelo a través de una red en su tipo. Su perfil de suelo consta de dos capas de macroporos que proveen una alta conductividad homogéneas. La capa superficial es la zona de raíces, hidráulica, especialmente en condiciones de saturación de textura gruesa y rica en materia orgánica, La capa (Beven y Gerinann, 1982). Adicionalmente, la trans- inferior, la zona de almacenamiento, es arenosa y de alta piración de las plantas entre episodios de lluvia ayuda conductividad hidráulica Se realizaron tres experimentos a restaurar la capacidad de almacenamiento de agua controlados donde se monitoreó el comportamiento de del suelo. los términos del balance hídrico, en particular la humedad

Para modelar el flujo no saturado en suelo existen del suelo y el percolado, a fin de validar el modelo basado múltiples modelos basados en la ecuación de Richards, en la ecuación de Richards (Recharge). pero no se ha encontrado alguno que cumpla con los requisitos para modelar una celda bioinfiltrante (Ross Métodos 1990; Celia et al., 1990; Warrick et al., 1991; Tocci et al., 1997; Miller et al., 1998; Simunek etal., 1998; Fayer, Modelo numérico de Richards 2000; van Dam y Feddes, 2000; Chen et al., 2001). En particular, se buscaba un modelo que pudiera simular Ecuación de Richards una condición de borde acoplada a un balance de agua de la depresión de la celda en la superficie del suelo. El modelo Recharge esta basado en la formulación Los modelos disponibles carecen de esta condición de mixta de la ecuación de Richards para flujo de agua en borde para perfiles de suelo estratificados (Gogolev, suelo en condiciones no saturadas (Richards, 1931), 2002). Por ejemplo, dos modelos muy populares, incluyendo la transpiración de las plantas como un UNSAT-H (Fayer, 2000) e HYDRUS (Simunek etal., 1998) sumidero: carecen de esta capacidad.

Por tanto, se desarrolló un modelo numérico de la recarga focalizada hacia el agua subterránea denominado Recharge, que puede ser aplicado al diseño y evaluación de jardines de biorretención. El perfil de suelo del jardín se representa como tres capas homogéneas. La capa superior representa la zona de raíces, que sería diseñada típicamente como de textura gruesa y rica en materia orgánica. La zona intermedia, de almacenamiento, es una capa de conductividad alta para percolar el agua infiltrada rápidamente. La zona inferior representa el suelo urbano que puede restringir el flujo, ya sea por su contenido de arcilla o su compactación.

donde es el contenido volumétrico de humedad h , la succión z, la posición en el eje vertical t , el tiempo K, la conductividad hidráulica

no saturada y S es la tasa de transpiración de las plantas es la función de capacidad de humedad del suelo, y es referida más abajo como M(h). La formulación utilizada asume flujo en una fase, unidimensional y vertical por la matriz del suelo, en condiciones isotérmicas y sin efectos del aire en el suelo.

En el modelo Recharge, la condición inicial está dada por una distribución inicial de succión en la columna. La condición de borde inferior puede definirse como una succión constante, flujo constante, o bien gradiente unitario. La determinación de la condición de borde superior se determina con base en el acoplamiento con el agua superficial, como se menciona a continuación.

Balance del agua superficial

El balance hídrico de la depresión superficial del jardín de biorretención se puede expresar como:

donde A es el área de jardín h, es la profundidad del agua apozada y los flujos Q son las entradas y salidas de agua de la depresión Se consideró que la lluvia y escorrentía entrante se distribuyen uniformemente sobre el área de jardín. Se produce rebalse una vez que h, supera la profundidad de apozamiento máxima

La ecuación (2) entrega la condición de borde superior para la solución de la ecuación (1), ya sea una carga hidráulica dada por una altura de agua, h,, o bien un flujo de agua infiltrada, de manera que el flujo no saturado en el suelo se acopla al agua superficial.

En cuanto al gasto total de agua que entra al jardín, si se supone que el tiempo de concentración para el escurrimiento es despreciable -que para el caso de una techumbre es razonable, dado que los tiempos de concentración son del orden de minutos en general (Hollis y Ovenden, 1988) -, se puede aproximar como:

donde L representa la razón de área de jardín al área de superficie impermeable conectada; incluye además una abstracción debida al almacenamiento en el techo, que se asume se evapora completamente entre eventos de lluvia.

Propiedades hidráulicas del suelo

Las propiedades del suelo K(h) y M(h), necesarias para resolver la ecuación de Richards, fueron aproxi- madas usando las ecuaciones de van Genuchten-

Mualem (Mualem, 1976; van Genuchten, 1980), que, considerando la ausencia de histéresis, son:

donde es el contenido de humedad saturado es el contenido de humedad residual

es la conductividad hidráulica saturada y m y n son parámetros reales, donde n>0 (i.e.

Discretización del modelo y solución numérica

La forma mixta de la ecuación de Richards (1) es discretizada usando un esquema de diferencias finitas del tipo Crank-Nicholson. El sistema se resuelve solucionando la ecuación (2) con el valor de la infiltración calculada en el tiempo anterior, la cual da la condición de borde superior para la ecuación (1) en el tiempo actual, la cual se resuelve usando el algoritmo de Thomas, con una iteración tipo Picard modificada para asegurar balance de masa (Celia et al., 1990) en la columna de suelo (interno, dentro del paso de tiempo actual). Se utiliza un esquema adaptativo de discretización del tiempo (Kavetski etal., 2001), con base en el balance de masa en cada elemento de la columna para disminuir (o aumentar) el paso de tiempo, a fin de aumentar la eficiencia de procesamiento computacional, mejorar el acople entre el balance de agua superficial y el flujo no saturado, reduciendo las oscilaciones, producto de las condiciones transientes más críticas. La discretización espacial es fija y constante. Mayores detalles de la discretización y la validación del modelo para casos

típicos a partir de datos de la literatura se pueden encontrar en Dussaillant et al., 2004.

Jardín infiltrante experimental

Experimento en terreno

El jardín de biorretención de aguas lluvia fue instalado en el Dane County Parks Lussier Family Heritage Center en Madison, Wisconsin, Estados Unidos de América, Su área es de 5.4 m², y está conectado a dos drenes de aguas lluvia de techumbres de áreas de 50 a 60 m² cada una. Dos válvulas permiten que uno o los dos drenes se conecten al jardín, con lo que se puede lograr una razón de áreas L de aproximadamente 5 o 10%, respectivamente.

El jardín experimental es esencialmente un lisímetro (Young et al., 1996) que contiene 6.5 m³ de suelo (3

m de largo, 1.8 m de ancho y 1.2 m de profundidad) encerrado por material de polietileno de alta densidad del tipo usado en vertederos sanitarios que lo aísla hidráulicamente, permitiendo la recolección y medida del agua que percola y drena por su parte inferior (Khire, 1995).

La zona de raíces, capa superficial del jardín, es de 50 cm de profundidad y consiste de arena inedia (60%) y materia orgánica proveniente de suelo de humedal (40%), incorporada para retener humedad entre eventos de lluvia y hacerla biodisponible para las raíces de las plantas durante los periodos secos. La subyace una capa de almacenamiento de 70 cm de espesor, 100% arena media, con el fin de proveer almacenamiento de agua durante los eventos para que esta percole subsecuentemente. Bajo ella se instaló una geomembrana permeable para contener las partículas de arena y evitar la colmatación del drenaje (ilustración 1).

Sensores de medición

La precipitación se mide en un censor tipo canasta oscilante (WorldWater). El escurrimiento desde la techumbre fluye a través de una canaleta trapezoidal de curva de descarga conocida (Freeflow), que cuenta con un transductor de presión (WorldWater). Otro transductor monitorea la profundidad de apozamiento para estimar los cambios del almacenamiento super- ficial. Cualquier rebalse se recolecta en un estanque (ilustración 1) .

Para estimar el almacenamiento de agua en el suelo, se instalaron sondas TDR (Time Domain Reflectometer) (Benson y Bosscher, 1999) a siete profundidades, a través de un acceso lateral, para medir el contenido de humedad del suelo (ilustración 1), conectadas a un multiplexor SDMX50, un TDR (Tektronix 1502B) y un registrador de datos CR-10 (Campbell Scientific). Las profundidades se eligieron para proveer de datos cerca de las interfaces del perfil de suelo. El programa TDR utiliza una calibración de Topp (Benson y Bosscher, 1999; Topp et al., 1980).

El percolado del suelo del jardín se capta en un dren conectado a una tubería de PVC que llena un estanque de recolección (ilustración 1).

Estimación de los parámetros hidráulicos del suelo

Se extrajeron muestras de suelo del jardín seis meses después de su construcción; de tal manera es razonable asumir que la gravedad y los ciclos de mojado y secado tuvieron tiempo para establecer el suelo. Se prepararon especímenes de suelo en laboratorio mediante su compactación a la densidad seca promedio medida en muestras inalteradas.

Las curvas características de humedad, se midieron en columnas colgantes equipadas con un matraz Buchner, sistema recomendado para suelos arenosos (Khire, 1995). Sólo se midieron curvas de desorción. Los datos se ajustaron a las ecuaciones de van Genuchten-Mualem (ecuaciones 4 a 6), asumiendo la ausencia de histéresis, usando una tabla de cálculo y confirmadas usando el software RETC (van Genuchten etal., 1991).

La conductividad hidráulica saturada, K,,,, fue determinada usando permeámetros de carga variable (Dingman, 1994). Las funciones para la conductividad hidráulica no saturada, K(h), y la capacidad hidráulica específica del suelo, M(h), se determinaron usando los parámetros obtenidos por el ajuste de la curva de succión ya mencionada.

Experimentos controlados

Se desarrollaron tres experimentos controlados durante el periodo del 26 de agosto al 1 ° de septiembre de 2002. En ellos, el influjo de agua se mantuvo constante hasta que el jardín se apozara a 15 cm y luego se detuviera; por lo tanto, no se registró rebalse.

Para el primer experimento se preacondicionó el jardín mediante apozamiento el día anterior, por lo que el suelo se encontraba muy húmedo (experimento VW). Luego, el siguiente experimento, el 29 de agosto, fue con condiciones de humedad media (experimento MW), pues habían pasado dos días desde el anterior experimento. Finalmente, el jardín no recibió agua por tres días hasta el 1° de septiembre, y asumimos como esta condición la de la capacidad de campo y se realizó el tercer experimento (experimento FC).

El flujo promedio fue de siete galones por minuto, que corresponde a una lluvia de 2.58 cm/h (para una razón de áreas L de 10% en este caso). (Notar que el 90% del volumen de agua caída en el periodo 1948-1998 en Madison, Wisconsin, corresponde a eventos de esta intensidad o menores, Dussaillant, 2002).

Resultados y discusión

Aplicación del modelo a datos de Madison, Wisconsin, Estados Unidos de América

Se condujeron simulaciones continuas usando datos de lluvia horarios para Madison, Wisconsin, Estados Unidos de América, durante los meses de abril a septiembre del periodo 1992-1997 para evitar condiciones de congelamiento.

Las características del perfil de suelo (cuadro 1) corresponden a condiciones típicas (Rawls et al., 1993). Para la simulación se consideró una condición inicial del suelo dada por aproximadamente la capacidad de campo (100 cm de succión) y se utilizó cm.

Interesaba determinar el efecto de los siguientes parámetros (valores explorados se encuentran entre paréntesis) en la recarga potencial, rebalse y condiciones saturadas para las plantas:

a) Razón (L) de jardín a superficie impermeable: (2.5, 5, 10, 20, 50}%.

b) Grosor (ST) de la zona de almacenamiento: {O, 30, 90) cm.

c) Profundidad de la depresión (10, 15, 45) cm. d) Conductividad hidráulica saturada del subsuelo

(0.25, 1.00} cm/h.

a) Razón de áreas (L)

La razón de áreas determina la cantidad de agua que recibe el jardín. La ilustración 2 muestra los resultados de la simulación para ST=90 cm, cm (los flujos anuales están calculados en unidades de profundidad y representan el volumen total anual dividido por el área conjunta de jardín y superficie impermeable conectada.) Las tendencias mostradas entre recarga y rebalse versus razón de áreas son representativos de todos los casos modelados. Al aumentar la razón de áreas, el rebalse tiende a cero. Los resultados para la recarga son algo mas complejos. Al aumentar L, la recarga se incrementa hasta alcanzar un máximo y luego decrece. Para el caso mostrado en la ilustración 2, aumentar la razón por sobre 10% no trae beneficio adicional. A mayor razón de áreas, la evapotranspiración tiende a aumentar proporcionalmente, pues el agua infiltrada percola a menor profundidad.

Para este caso, la máxima recarga alcanzó 45 cm, alrededor del 80% de la lluvia media anual para abril-

septiembre. Este es del orden del doble que la tasa natural de recarga para los limos de esta región en condiciones de cubierta vegetal total.

b) Grosor de la capa de almacenamiento (ST)

La zona de almacenamiento tenía como objetivo proteger la zona de raíces de periodos saturados demasiado largos, dejando tiempo para el drenaje. No obstante, los resultados indican que la percolación es bastante insensible incluso al triplicado de ST desde 30 hasta 90 cm (cuadro 2).

La zona de almacenamiento provee beneficios modestos en cuanto a controlar saturación de la zona de raíces (resultados no mostrados aquí). Los resultados indican que el tiempo total decrece al aumentar ST, pero éste tiene baja influencia sobre el tiempo máximo de saturación, excepto para grandes áreas.

c) Profundidad de apozamiento

La depresión del jardín permite el almacenamiento de agua durante el tiempo donde la intensidad de la lluvia excede la tasa de infiltración. Los resultados para simulaciones con cm/h indican que la recarga aumenta con especialmente para L bajo 20% (ilustración 3). Sin embargo, los tiempos de saturación también suben al aumentar la profundidad de la depresión, especialmente para las razones de área menores (cuadro 3).

d) Conductividad hidráulica saturada del subsuelo

Después de que las zonas de raíces y de almace- namiento se saturan, la infiltración es controlada por la conductividad hidráulica del subsuelo. Para una reducción de K,, (0.25 cm/h en lugar de 1.0 cm/h), la recarga es moderadamente inferior y el máximo ocurre a un L mayor (ilustración 4), lo que sucede para todos los casos de Sin embargo, los tiempos de saturación aumentan dramáticamente para K,, menores (cuadro

4), y probablemente exceden las posibilidades de supervivencia de la mayor parte de las plantas.

Jardín de biorretención experimental: caracterización y experimentos

Parámetros hidráulicos del suelo del jardín experimental

Conductividad hidráulica saturada,

Los valores obtenidos para las muestras de ambas capas de suelo del jardín experimental se muestran en

el cuadro 5. Las densidades y conductividades medidas se encuentran en los rangos típicos para arenas. Se utilizaron los valores medios en las simulaciones de los experimentos.

Curvas de succión del suelo,

El cuadro 5 presenta los valores ajustados con base en los datos de las experiencias en columnas colgantes de laboratorio (se adjuntan datos de terreno, que resultaron en curvas similares). Si se estima la humedad de capacidad de campo aquella a una succión de 33 cm (Nachabe, 1998), entonces los valores para la zona de raíces y la zona de almacenamiento son aproximadamente 0.22 y 0.28 m³/m³, respectivamente.

Experimentos controlados y simulaciones del modelo

El cuadro 6 resume las características de los tres experimentos: VW (muy húmedo), MW (moderadamente húmedo) y FC (capacidad de campo). Luego del apozamiento máximo de 15 cm y corte del agua se monitoreó la baja del nivel del agua apozada, que varió entre 5 y 7 cm/h.

La entrada al modelo Recharge utilizó la misma condición inicial que la dada por la interpolación de los datos TDR de terreno. Se usó discretización espacial de 1 cm y se asumió una conductividad hidráulica saturada al pie de la columna de suelo de 5 cm/h.

El cuadro 7 compara los resultados experimentales de almacenamiento. Se muestra como ejemplo el caso con los resultados del modelo. Se puede observar del experimento FC (ilustración 5), donde se aprecia que Recharge entrega resultados muy similares para el buen ajuste del modelo a los datos experimentales. tiempos de apozamiento. Para los tres experimentos, La excepción es el caso del gráfico final, donde se los resultados de Recharge siguen la tendencia de los aprecia un salto en el contenido de humedad, lo que datos TDR, especialmente para los nodos en la zona puede deberse a una resolución insuficiente en los

parámetros de la discretización adaptativa del tiempo, o bien a fenómenos no capturados por el modelo, como histéresis o flujo no homogéneo.

apreciablemente (cuadro 7). Extendiendo el análisis a tiempos más prolongados, la estimación del modelo y la recolección en el estanque tienden a converger, especialmente para los experimentos VW y MW en un futuro cercano. (no mostrado aquí), sugiriendo que el tiempo de escurrimiento a lo largo de la tubería de drenaje de cien Conclusiones metros puede estar afectando. Otra posible explicación es algún almacenamiento temporal en el sistema. El modelo Recharge provee un acople exitoso de la

Usando el balance hídrico podemos arribar a otra ecuación de Richards con el balance hídrico de la estimación de la recarga. Se conoce el influjo de agua, no depresión superficial del jardín, como condición de borde hubo rebalse y se puede despreciar la evapotranspiración superior. El modelo es una herramienta potencialmente durante los experimentos. Así, la diferencia entre el influjo útil para el diseño de jardines de retención, en particular y el almacenamiento en la columna de suelo debe ser para aumentar la recarga al agua subterránea. igual a la percolación. Suponiendo que las seis sondas Para las condiciones climáticas del sur de Wisconsin, son representativas, se estimó el almacenamiento como Estados Unidos de América, los resultados de las

1.04, 0.67 y 1 .00 m³ para los experimentos, con lo que la recarga resulta de 0.77, 2.13 y 1.64 m³, respectivamente, valores muy similares a las predicciones de Recharge.

El modelo sobreestima el volumen de recarga Esto sugiere que puede existir un retraso en la llegada del agua al estanque colector de percolado, lo cual explicaría las discrepancias con el modelo. Se requieren registros de largo plazo para asegurarlo, que estarán disponibles

simulaciones del modelo indican que se pueden de la República, por la Pontificia Universidad Católica de Chile, por la alcanzar tasas de recarga muy altas, incluso doblando beca Neale-Silva de la Universidad de Wisconsin-Madison, y la beca las tasas naturales. Para este caso, la tasa de recarga se Fulbright de Estados Unidos de América. maximiza para un jardín de aproximadamente 10 a 20% del área de la superficie impermeable contribuyente.

El grosor de la capa de suelo de almacenamiento afecta la saturación de la zona de raíces suprayacente, especialmente si el subsuelo es relativamente permeable. Sin embargo, en un rango de diseño razonable, este Referencias parámetro parece no tener mucho efecto en la duración máxima de condiciones saturadas en la zona de raíces, ALLEY, W.M., HEALY, R.W., LABAUGH, J.W. y REILLY, T.E. factor clave para la supervivencia de las plantas. Notar Flow and storage in groundwater systems. Science. Vol.

de la unidimensionalidad del modelo, y lleva a que flujos BENSON, C. H. y BOSSCHER, P.J. Time domain reflectometry laterales potencialmente pueden atribuir mayor valor (TDR) in geotechnics: a review. Nondestructive and a la zona de almacenamiento. Para las simulaciones automated testing for soil and rock propertie. W. A. M. realizadas, la profundidad de la depresión superficial a. C. E. Fairhurst, ed., American Society for Testing and tuvo un efecto significativo en los tiempos máximos y Materials, West Conshohocken, PA, 1999, pp. 113-136. totales de saturación. BEVEN, K. y GERMANN, P. Macropores and water flow in soils.

La efectividad de un jardín de biorretención depende Water resources research. Vol. 18, núm. 5, 1982, pp. 131 1 - de manera crítica de la conductividad hidráulicade la zona 1325. bajo la capa de almacenamiento. Para conductividades BOOTH, D.B. y JACKSON, C.R. Urbanization of aquatic hidráulicas saturadas por debajo de aproximadamente ecosystems: degradation thresholds, storm water 0.5 cm/h, la duración de condiciones de saturación en detection, and the limits of mitigation. J. American Water la zona de raíces sería excesiva para las condiciones Resources Association. Vol. 33, núm. 5, 1997, pp. 1077-

1090. instalar un drenaje para controlar este caso, con algo de CELIA, M.A., BOULATAS, E.T. y ZABRA, R.L. A general mass- disminución de la recarga potencial. conservative numerical solution for the unsaturated flow

El modelo Recharge simula los tres registros de equation. Water resources research. Vol. 27, núm. 7, 1990,

valores de humedad del suelo muy similares a las DINGMAN, S.L. Physical Hydrology. Englewood Cliffis, New sondas TDR instaladas en el perfil de suelo. Se requieren datos de mayor longitud en el tiempo para verificar las DUSSAILLANT, A.R. Focused recharge in a rain garden: capacidades del modelo, pero la concordancia con los numerical modeling and field experiment. Ph.D. resultados de estos tres experimentos es alentadora. Dissertation. Madison: U. Wisconsin-Madison, 2002.

Los resultados del modelo sobreestiman la recarga DUSSAILLANT, A.R., W U C. Y POTTER, K.W. Richards acumulada en el estanque colector por un margen equation model of a rain garden. J. hydrologic engineering. de aproximadamente 30%. Los datos a recopilar en Vol. 9, núm. 3, mayo-junio, 2004, pp. 219-225. el futuro mostrarán si esta tendencia se mantiene o si FERGUSON, B.K. Role of the long-term water balance in puede ser explicada por almacenamientos intermedios management of storm water infiltration. J. environmental o retrasos en el sistema de drenaje (como sugiere el management. Vol. 30, 1990, pp. 221-233. cálculo de balance hídrico) o bien por caracterización GOGOLEV, M.I. Assessing groundwater recharge with two insuficiente de las condiciones iniciales. Además, el unsaturated zone modeling technologies. Environmental drenaje del lisímetro puede afectar el flujo de una forma geology. Vol. 42, 2002, pp. 248-258. que el modelo unidimensional no puede capturar para el HOLLIS, G. E. y OVENDEN, J.C. The quantity of storm water evento. Adicionalmente, el lisímetro esta siendo revisado runoff from ten stretches of road, a car park and eight para eliminar la potencial existencia de perdidas. roofs in Hertfordshire, England, during 1983. Hydrological

processes. Vol. 2, 1988, pp. 227-243. Agradecimientos KAVETSKI, D., BINNING, P. y SLOAN, S.W. Adaptive time

stepping and error control in a mass conservative Este trabajo no habría sido posible sin el apoyo económico brindado al numerical solution of the mixed form of Richards equation. autor principal por el gobierno de Chile a través de una beca Presidente Advances in water resources. Vol. 24, 2001, pp. 595-605.

Recibido: 08/12/2003 Aprobado: 26/04/2004

que esto puede ser, al menos en parte, consecuencia 296, 2002, pp. 1985-1990.

climáticas del sur de Wisconsin. Obviamente, se podría

datos experimentales razonablemente bien, entregando pp. 1483-1 496.

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pp. 892-898.

Abstract

DUSSAILLANT, A., WU, C. & POTTER, K. W. Infiltration of stormwater in bioretention cells: numerical model and field experiment. Hydraulic engineering in Mexico (in Spanish). Vol. XX, no. 2, April-June, 2005, pp. 5-17.

Traditional stormwater management does not mitigate groundwater depletion resulting from groundwater pumping and reduction in recharge. lnfiltration practices, such as rain gardens, offer a potentially effective approach for addressing groundwater depletion. A rain garden is a landscaped garden in a shallow depression that receives the stormwater from nearby impervious surfaces, focusing recharge. We have developed a numerical model that can be applied in rain garden design and evaluation. Water flow through the rain garden soil is modelled over three layers -a root zone, a middle storage layer of high conductivity, and a subsoil lower layer. To continuously simulate recharge, runoff and evapotranspiration, the model couples the Richards Equation with a surface water balance. For the climate of southem Wisconsin, simulation results show that very high recharge rates are possible (twice the natural annual rates). A rain garden with an area of approximately 10% of the contributing impervious area maximizes groundwater recharge. We have installed an experimental rain garden to gather quantitative data on the water budget terms in a continuous fashion. Sensors were installed to measure the water input, garden ponding, soil moisture, and bottom drainage. To validate the Richards Equation model, we used data from three experiments resembling typical recharge events. The model results agree well with soil moisture data, but predict a higher recharge than measured (15 to 37% more). This could be due to intermediate storage in the system, insufficient characterization of initial conditions, or limitations of the 1-D model. Further study is recommended.

Keywords: rain garden, stormwater, infiltration, Richards, groundwater, recharge, urbanization, retention.

Dirección institucional de los autores:

Dr. Alejandro Dussaillant

Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Pontificia Universidad Católica de Chile, Avenida Vicuña Mackenna 4860, Santiago, Chile, teléfono: (56 2) 354 4227, fax: (56 2) 354 5876, adussa@ing.puc.cl

Chin Wu Kenneth W. Potter

Civil and Environmental Engineering Departament, University of Wisconcin-Madison, 141 5 Engineering Drive, Madison, WI53706-1691, United States of America.