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Barcelona, 27 de abril de 2006

El depósito de retención, una alternativa de solución del problema de inundación en medio urbano

Manuel Gómez Valentín Catedrático de Universidad. Grup de recerca FLUMEN

E.T.S. Enginyers de Camins, Canals i Ports - UPC Jordi Girona 1-3. D 1 08034 BARCELONA

Introducción En los últimos años en numerosas poblaciones de nuestro país se han agravado los problemas de inundación por diferentes causas. Quizás una de las más graves sea la falta de planificación en el desarrollo urbano y de los servicios ciudadanos correspondientes, en nuestro caso el alcantarillado. Pero se suele dejar a un lado la reflexión sobre las causas que han producido el daño, y surge la necesidad de dar solución a un problema que afecta a una parte de la población. Y se ha convertido en ocasiones en un sonsonete repetitivo, casi taumatúrgico, el oir: “…esto lo solucionamos poniendo un depósito…”. ¿Son los depósitos la solución de todos nuestros problemas de inundación? A esta y otras preguntas vamos a orientar el desarrollo de esta exposición.

Figura 1. Problemas de incapacidad de desagüe en la red

¿Por qué un depósito? Un depósito de retención cumple los mismos propósitos que un embalse de laminación en un río. El depósito pretende proteger la cuenca urbana existente aguas abajo, al producir un efecto de reducción de los caudales que siguen a la salida del mismo, bien por almacenar una cierta cantidad del volumen del hidrograma de entrada o bien de manera adicional por laminar gracias al efecto de su área en planta combinado con un elemento de regulación de salida. Cuando tenemos un primer episodio de inundación, debemos evaluar de manera concienzuda las causas que nos han llevado a esa situación. Esa lista de causas es el principal problema que tenemos y la inundación es tan solo uno de los signos externos del mal. Confundimos a veces los síntomas con las enfermedades del tejido urbano, que es cierto bien pueden acabar degenerando en una enfermedad mayor, en este caso una inundación generalizada de nuestro municipio. Si bien deberemos dedicar un esfuerzo a la solución de esas causas que generan la incapacidad de desagüe, debemos abordar también la eliminación de los efectos indeseados, la inundación. Y debemos plantear todas las alternativas de solución posibles que suelen ser: Ø Renovación de la red de alcantarillado, modificando secciones,

pendientes o duplicando los conductos existentes. Esta es una primera alternativa que debemos evaluar. Es la solución más clásica pero no por ello debe descartarse. Tiene e l inconveniente de ser una obra lineal, que suele ser compleja al coincidir con numerosos servicios urbanos y generadora de inconvenientes y molestias a los ciudadanos, como cualquier otra obra en medio urbano. Su coste en términos de valoración económica exclusiva de la obra (coste objetivo) debe considerarse junto a la posible valoración (costes subjetivos) de esas molestias generadas durante la construcción.

Ø Técnicas alternativas de drenaje, consistentes en reducir la escorrentía

sobre la superficie de la ciudad o aumentar el tiempo de recorrido por la superficie urbana antes de introducirse en la red. Estas actuaciones son acciones distribuidas en todo el territorio urbano, cuya efectividad se basa en una evaluación completa de las posibilidades de almacenamiento/retención en las cuencas urbanas, y en la puesta a punto y mantenimiento de esas soluciones. Tienen un efecto doble, al reducir la necesidad de actuar en la red, no teniendo que levantarse las calles a veces en zonas sin problemas de inundación, y permiten mostrar a la ciudadanía de una manera visible las actuaciones e inversiones en alcantarillado, que de otra manera quedan totalmente ocultas e invisibles para la población. Se tratará en muchos casos de aprovechar elementos urbanos existentes, parques, plazas, aceras amplias, rotondas, etc. que tienen una cierta capacidad de almacenamiento de agua a veces no despreciable. Podemos incluso

interpretarla como la generación de un volumen de retención pero en vez de concentrado en un lugar, repartido en toda la cuenca.

Figura 2. Cuneta de almacenaje de escorrentía. Parque ProLogis Sant Boi Ø Depósito de retención, frente a las actuaciones anteriores que son

distribuidas en toda la cuenca, se trataría de concentrar la capacidad de almacenamiento en un lugar existente o construido al efecto. El depósito aunque sea una obra civil, es una actuación local y no lineal, genera menos molestias al ciudadano y a priori parece una solución óptima, simple y menos conflictiva que otras. Pero a la frase comentada anteriormente “…esto lo arreglamos poniendo un depósito…” debe responderse de manera rigurosa, cuantificando las superficies en planta o los volúmenes de almacenamiento necesarios para cumplir el objetivo que queremos. En demasiadas ocasiones a la propuesta de construir un depósito, se opone la cruda realidad de que no hay sitio adecuado ni suficiente en área o volumen para ubicarlo.

De estas tres soluciones, alguna más o menos tradicional o innovadora, debe seleccionarse la mejor y más adecuada a cada caso. El depósito es una más de las que podemos utilizar, pero puede perfectamente que no sea ni la más económica, ni tan siquiera la que técnicamente pueda aplicarse por falta de espacio en planta. DEPOSITOS / BALSAS DE RETENCION, ¿A CIELO ABIERTO O ENTERRADOS? Los estudios iniciales puede que nos hayan conducido a descartar otras posibilidades y nos lleven a la propuesta de un depósito de retención. Pero aún después de encarar la solución del problema vía depósitos nos podemos plantear aún diferentes preguntas: ¿Podemos construirlos a cielo abierto o debemos hacerlos necesariamente enterrados? La respuesta suele darse atendiendo al tipo de red de alcantarillado que tengamos. Una red de tipo unitario supone que en tiempo de lluvia circulan aguas residuales y pluviales mezcladas. Por esa razón, derivar aguas hacia una balsa construida a cielo

abierto supone un problema sanitario después del suceso de lluvia. Tendremos a cielo abierto una zona con un nivel de contaminación microbiológica asociada a los pequeños volúmenes de agua que nos queden retenidos. Si hemos previsto un uso de ese espacio, o nos encontramos cerca de una zona habitada, deberíamos acudir a desinfectar después de cada episodio de precipitación que hace trabajar al depósito. Por ello se desaconseja cuando no se prohíbe según las legislaciones de varios países el uso de depósitos a cielo abierto para redes unitarias. Sin embargo el depósito a cielo abierto es la solución más económica frente al enterrado. Un depósito a cielo abierto se construye básicamente mediante movimiento de tierras. Tiene además sus elementos singulares, pero para obtener el cuerpo general del depósito de retención hay que generar una z ona de almacenamiento que puede ser básicamente la delimitada por los taludes de tierra construidos al efecto. La reflexión de que el depósito a cielo abierto es más económico y puede ser una alternativa factible de solución de problemas, puede orientar la decisión de seleccionar el tipo de red, en el sentido de proponer una red de tipo separativo frente a una unitaria. Si bien la mayoría de nuestras ciudades presenta una red unitaria y se suele adoptar el mismo tipo de red para las nuevas áreas de desarrollo de la ciudad, los problemas de inundación podrían decidir el uso de una red separada para esas nuevas áreas urbanas e impermeables, de cara a resolver o prever problemas de falta de capacidad de la red de desagüe.

Figura 3. Depósito a cielo abierto con espejo de agua permanente Planteemos este supuesto. Nuestra red de drenaje no tiene problemas de capacidad o los tiene pero no muy graves. Pero existe un proyecto de urbanización que supone un aumento de impermeabilización en una zona y un

incremento de caudales a conectar a la red de alcantarillado existente. Dicha conexión puede generar un problema de inundación donde no lo había, o agravar el problema existente. Esa situación no es aceptable y debe corregirse de alguna manera. Una posibilidad de solución puede ser limitar los caudales que se pueden conectar a la red de alcantarillado existente, por ejemplo hasta un valor máximo similar al que se producía por la cuenca antes de urbanizarse. La cubierta del terreno natural posee una cierta tasa de infiltración y los caudales punta para la lluvia de diseño eran inferiores a los que se generarán con una tasa de impermeabilidad mucho más alta. Esa limitación supone necesariamente una actuación sobre la respuesta de la cuenca, por ejemplo intercalando un depósito de laminación antes de conectar a la red actual. Ese depósito se construye en un espacio asociado a la nueva promoción urbanística realizada y si en ésta se adopta una solución de red separativa, el depósito puede ser una balsa a cielo abierto que recibe las pluviales de la zona, y que puede servir de parque, zona deportiva u otros usos en tiempo seco. Aguas abajo de la zona nueva la red sigue siendo unitaria y se conectan ambas redes separativas a la red unitaria. Se puede pensar que es una tontería tener redes separadas en una zona de la población y que aguas abajo se conectan a una red unitaria pero hay que tener en cuenta que en la nueva zona la red separada tiene el objetivo de solucionar un problema de inundación de la red, generado por el nuevo proyecto de urbanización. El depósito a cielo abierto se puede integrar fácilmente en el diseño urbano. Y más que decir que se puede, se debe aprovechar ese espacio para usos ciudadanos en tiempo seco, más aún con climatologías como las nuestras donde el número de eventos de lluvia anuales es menor de 80 ó 90. DEPOSITOS ENTERRADOS Son la alternativa única en caso de red unitaria o de zona urbana muy densamente edificada, donde la única reserva de espacio o de volumen de almacenamiento está bajo tierra. Esta opción siempre está disponible, aunque dependiendo de las dimensiones del depósito necesario puede no ser físicamente fácil de resolver o con un coste aceptable. Tramas urbanas con calles estrechas y sin espacios abiertos tipo plazas o esplanadas públicas hacen difícil encontrar un lugar adecuado para un depósito incluso enterrado.

Figura 4. - Depósito enterrado

UTILIDAD DE UN DEPOSITO – CRITERIO DE FUNCIONAMIENTO Es el momento de plantear cuál es la misión desde un punto de vista antiinundación de un depósito o bien de las diferentes opciones de funcionamiento que podemos aplicar en su caso y que condicionan el diseño y cálculo hidráulico del mismo. Antes de empezar recordar que una red de drenaje es como una red hidrográfica de un río pero a escala más pequeña. Y un depósito es a escala como un embalse de regulación. La misión del depósito es doble, retener parte del volumen de escorrentía que circula por la red, pero además puede ejercer una función de laminación (reducción de caudales punta) incluso cuando el depósito está lleno. Con frecuencia se olvida esta segunda utilidad del depósito, teniendo en ocasiones la impresión de que se confía en el volumen de agua que se retiene y que cuando un depósito está lleno deja de tener utilidad. Este concepto solo es aplicable a ciertas tipologías de depósito que comentaremos a continuación. Se suele hablar de depósitos “on line” y “off line”, donde bajo esas calificaciones podemos indicar los primeros como depósitos ubicados en la misma traza del colector, que de hecho suponen como una especie de ensanchamiento local de la red de drenaje, y bajo el concepto “off line” entendemos depósitos construidos en las cercanías de la red, pero no en la misma traza del colector, por lo que se debe construir un conducto de conexión entre la red y el depósito. Depósito on line, o en línea Este es el tipo de depósito más habitual, que consiste en localizar en la traza del colector existente un espacio suficiente para disponer un elemento de almacenamiento y regulación. El funcionamiento hidráulico es combinado entre el área en planta del depósito y el elemento de salida de caudal del depósito. A medida que va entrando caudal, va saliendo caudal también, pero en menor medida que el de entrada. Esta reducción de caudal se puede lograr con dos elementos: la mayor o menor área en planta, y el diseño del elemento regulador de caudal. El grado de atenuación se diseñará en función de las condiciones de la red aguas abajo, siendo esa la razón de ser del depósito. El régimen de caudales de entrada y salida se indica en la figura 5.

Figura 5.- Esquema de caudales de entrada y salida. Depósito en línea

Q Atenuación de caudales punta

Volumen almacenado en el depósito

En estos depósitos es tan importante el concepto volumen de almacenamiento como el de área en planta, si lo que deseamos es un depósito que se pueda vaciar por gravedad, lo que siempre es recomendable desde un punto de vista económico. No podremos alcanzar láminas de agua muy altas si no queremos que el depósito sobresalga del terreno y tenemos una limitación de cota máxima a alcanzar por el agua que no podremos superar. En este caso en ocasiones las áreas en planta pueden ser grandes, miles o decenas de miles de metros cuadrados lo que complica enormemente encontrar una ubicación adecuada del depósito. Depósito off line, o fuera de la traza de la red No es fácil como decíamos antes encontrar un espacio suficiente para albergar un depósito por lo que en muchas ocasiones se aprovecha un espacio urbano, plaza o parque que no está exactamente en la traza de los colectores principales. En este caso se puede optar por convertir ese espacio en la ubicación del depósito y debemos construir un conducto de conexión entre la red y el depósito. Podemos optar por dos alternativas: Ø Modificar la traza en planta de la red de drenaje de manera que el

depósito nuevo sea un depósito “ON LINE”, con conducto de entrada y de salida regulada

Ø Considerar el depósito como un elemento de almacenamiento puro, de

manera que el caudal que circula por la red o bien sigue por los colectores existentes o se dirige al depósito según las necesidades de operación. En este caso el criterio de explotación del depósito puede ser variado, pero habitualmente es tal que el caudal que viene por la red sigue por ella mientras el caudal circulante no supera un umbral de referencia, por ejemplo cercano al máximo que puede soportar la red aguas abajo del depósito, y a partir de superarse ese valor de referencia, todo el exceso de caudal sobre ese valor se dirige al depósito.

Figura 6.- Funcionamiento hidráulico de un depósito off-line

Hidrograma de entrada

Volumen almacenado

Hidrograma de salida

Volumen aportado desde el depósito

Inicio del vertido desde el depósito

Qo

Este último caso de operación se refleja en la figura 6. Mientras el hidrograma de caudal no llega a un cierto valor Qo el depósito no se utiliz a. A partir de ese valor de referencia la diferencia entre el caudal de aproximación y Qo se redirige hacia el depósito Este tipo de depósito sí se suele entender en términos de volumen, pues su operación es muy diferente al anterior, y básicamente se trata de almacenar un cierto vo lumen de agua. Tan solo en el caso en que deseemos un vaciado por gravedad sin recurrir a una gran excavación, puede ser importante el tema del área en planta. Esta tipología es más flexible en el sentido de ubicar el depósito donde se puede, pero la operación de redirigir caudales desde el colector principal al depósito se complica por la necesidad de construir un conducto de dimensiones respetables, y porque la necesidad de limitar el caudal que sigue por la red a un valor fijo no es sencilla de realizar y se ejecuta mediante vertederos laterales, o compuertas que no mantienen el caudal constante sino con una cierta variación en el tiempo. Pero dependiendo de la respuesta de la cuenca, este tipo de depósito puede ser o no adecuado. Esta opción sería adecuada para hidrogramas muy apuntados, que producen caudales muy altos pero con volúmenes reducidos, como el de la figura. En cambio, una cuenca de respuesta con caudales punta incluso menores que el anterior pero más mantenidos en el tiempo, puede suponer un volumen de almacenamiento muy grande. Debe evaluarse con cuidado en este caso si un depósito en línea es más adecuado. DIMENSIONAMIENTO Y CALCULO HIDRAULICO No existen criterios para definir el volumen del depósito en función del tamaño de la cuenca. Los criterios de dotar de unos ciertos metros cúbicos de volumen por cada Hectárea de cuenca no se pueden aplicar cuanto intentamos prevenir inundaciones. Esos criterios se refieren a la función anticontaminación de algunos depósitos cuyo objetivo es reducir vertidos contaminantes a los cauces. Cuando nuestro objetivo es prevenir inundaciones, el volumen o el área en planta son específicos de cada cuenca según la lluvia que actúe y el estado actual de la red. Es cierto que si las condiciones climáticas son iguales y el estado de falta de capacidad de la red es similar se podrían extrapolar datos de solución de una cuenca hacia otra, pero como vemos deben darse numerosas coincidencias. Para dar un orden de magnitud de los volúmenes con que tenemos que tratar, recordemos que en al área de Barcelona, una lluvia de 1 hora de periodo de retorno 10 años, es del orden de 60 mm, lo que supone un total de 600 m3 caídos por Hectárea. No vamos a retener el 100% de la lluvia caída, pero este valor supone una epecie de cota superior de almacenamiento El cálculo hidráulico de un depósito no presenta problemas desde un punto de vista de describir con detalle su funcionamiento. Se aplican los mismos conceptos que aplicamos en el análisis hidráulico de un embalse de laminación. Solo que en aquel caso asumimos que el embalse estará lleno y no

consideramos en fase de diseño en caso de avenidas su volumen de almacenamiento. En nuestro caso asumimos que el depósito estará vacío siempre, pues el volumen del mismo es en ocasiones un elemento a aprovechar. Asumimos que las velocidades del flujo son reducidas por lo que las consideramos cero, y el comportamiento del mismo está gobernado por la ecuación de continuidad

dtdS

QI =−

El caudal de entrada es el aportado por la red de drenaje como consecuencia de la respuesta de la cuenca aguas arriba. El caudal de salida está gobernado por el elemento de evacuación del depósito y por las condiciones del flujo existentes a la salida del depósito, cosa que a menudo se obvia y nos pone del lado de la inseguridad. Normalmente el caudal de salida se puede expresar en función del elemento de regulación existente (compuerta, orificio, etc) y del nivel del agua en el depósito y como el almacenamiento se puede expresar también en función del nivel de agua en el mismo, éste pasa a ser la variable de referencia en el cálculo del depósito. Lluvias de proyecto utilizadas en el cálculo de depósitos Para determinar los caudales que llegarán al depósito, el concepto habitual en el dimensionamiento de redes es considerar una lluvia de proyecto del mismo periodo de retorno que el nivel de seguridad solicitado a la red, en general de 10 años. De las diferentes opciones de lluvia de proyecto, la más habitualmente utilizada, la de bloques alternados, es una buena opción a la hora de comprobar la capacidad de desagüe de la red, pues suele dar caudales elevados. Sin embargo desde el punto de vista de dimensionamiento de depósitos pueden surgir ciertas dudas. Esa lluvia de proyecto puede ser adecuada desde el punto de vista de caudales pero no tanto de volúmenes de agua asociados a los hidrogramas de cálculo. Si el depósito tiene un efecto de laminación de caudales puntas, y no de almacenamiento de volumen puro, entonces la opción de utilizar esta lluvia de proyecto es más adecuada. Los hidrogramas generados con esta lluvia de proyecto generan caudales punta altos, y las dimensiones de los conductos están muy relacionadas con el valor del caudal máximo que debe circular por el conducto. Si decidimos ubicar un depósito para reducir los caudales punta circulantes por la red, los mismos calculados con una lluvia de proyecto de bloques alternados, puede ser algo más adecuada. Si por el contrario nuestro depósito está diseñado para almacenar un cierto volumen, el hidrograma de caudal obtenido a partir de una lluvia de bloques alternados quizás no refleja demasiado bien los volúmenes reales de un suceso de escorrentía. La lluvia de bloques alternados sobrevalora la lluvia caída pero además la distribución en el tiempo de la misma es ficticia y quizás

no sea la más desfavorable a la hora de dimensionar un depósito. Ha habido intentos de desarrollar lluvias de proyecto especiales para el diseño de depósitos pero no se utilizan en demasía. Otro problema es que el diseño se realiza para una lluvia aislada, de una cierta duración, con intensidades altas. Pero podemos plantearnos que se produzcan lluvias con menores intensidades y que con mayor duración y volumen de lluvia pero menores intensidades, se produjeran situaciones más desfavorables en el depósito y en la red. O que dos suc esos de lluvia diferentes pero separados pocas horas , produjeran una situación donde el depósito está parcialmente ocupado por la primera lluvia y no tiene capacidad suficiente ante la segunda lluvia. Ante esta situación, sólo se puede proceder a la comprobación del depósito mediante una simulación continuada. Se denomina simulación continuada al hecho de realizar la simulación del comportamiento de la red y el depósito durante un periodo de tiempo largo, en principio de los años de que se disponga de información de lluvia (hietogramas ) de manera que se tienen en cuenta todas las lluvias registradas con el intervalo de tiempo real entre cada lluvia medida. De esta manera comprobamos cómo se habría comportado el depósito a construir y los efectos sobre la cuenca, si hubiera estado en funcionamiento, además de este modo analizamos el efecto de posibles sucesos de lluvia concatenados, quizás de poca cantidad de precipitación cada uno por separado pero que juntos pueden suponer un volumen de lluvia serio. Para reducir el periodo de estudio, si la serie temporal es de decenas de años, se suele seleccionar un año representativo, ni muy seco ni muy húmedo, que tenga una precipitación anual similar a la precipitación media del observatorio, que incluya entre 60 y 90 sucesos de lluvia , y analizar el comportamiento del depósito diseñado con la lluvia de bloques alternados, con esta serie temporal. Si es necesario se modifican las dimensiones del depósito en base a estos cálculos. Lamentablemente no disponemos de muchas series temporales aptas para este estudio. En el área de Barcelona, tan solo disponemos de la serie del observatorio de Fabra, con más de 50 años de datos, y recientemente se ha empezado a usar la serie del observatorio de Granollers con 15 años de datos. En caso de no disponer de una serie adecuada, este enfoque no puede aplicarse, y debemos contentarnos con aplicar la lluvia de proyecto y dimensionar en base a ella exclusivamente. Elementos de regulación de salida Obviamente, uno de los objetivos del depósito de retención es controlar y regular el caudal de salida del depósito que se dirige hacia aguas debajo de la red. Por ello, este es uno de los elementos que con más cuidado debemos diseñar y reflexionar sobre su uso. Vamos a establecer una primera clasificación, atendiendo a sus condiciones de operación: Ø Elementos de regulación fijos, de manera que no se modifican durante el

suceso de lluvia. No necesitan ser operados y constituyen una estructura fija, calculada previamente y adecuada a las necesidades de la cuenca y

del depósito en cuestión. En esta categoría entrarían los orificios, vertederos, válvulas de regulación fijas, etc. No necesitan energía para funcionar ni tomar decisiones sobre como modificar el elemento de regulación. Son más rígidos de funcionamiento pues no se adaptan a las condiciones del hidrograma pero si lo que deseamos es una protección ante inundaciones, pueden ser una alternativa válida.

Ø Elementos de regulación variables, aquellos cuya regulación del caudal

de salida puede ser modificada a voluntad durante el suceso de lluvia. Básicamente nos referimos a compuertas móviles cuya abertura puede variarse según criterios a seguir durante el evento de lluvia. Necesitan un aporte de energía, que puede fallar durante la tormenta, por lo que debe preverse tal situación, y permiten regular el caudal de salida para adaptarse a situaciones no previstas, por ejemplos bloqueos aguas abajo de la red, que aconsejarían cerrar la salida del depósito y retener el máximo de agua para no provocar problemas. También consideramos en este punto la salida por bombeo, que aunque costosa en términos de consumo energético, puede que sea la única solución posible cuando por cotas no encaje una salida por gravedad.

Los segundos tienen más ventajas que los primeros, pero en muchas ocasiones un orificio de salida fijo es una solución perfectamente válida y no debe descartarse. Incluso me atrevería a sugerir que la primera opción a valorar debería ser un regulador fijo. Bien diseñado puede funcionar correctamente e incluso permite una cierta modificación. Siempre es posible construir un orificio de dimensiones mayores e irlo ajustando con ayuda de una pletina metálica hasta definir la dimensión más adecuada. En todos los casos debe preverse una protección para evitar que la salida se pueda bloquear por los arrastres de la red. Este problema suele ser mayor en los depósitos a cielo abierto pero debe cuidarse también en los enterrados.

Figura 7.- Protecciones para el desagüe de un depósito a cielo abierto

Un elemento excelente de regulación suelen ser las válvulas de tipo vortex u otros nombres comerciales. Sin necesidad de energía proporcionan un caudal de salida relativamente constante. El único inconveniente es que su uso es adecuado para depósitos con regulación de caudal de salida de pocos cientos de litros segundo o algún metro cúbico, pero por sus dimensiones no son aptas para caudales de regulación de salida de varios metros cúbicos por segundo o decenas de éstos. Puede pensarse en cambio en ellas para las conexiones a interceptores de aguas residuales que no aceptan más caudal que el de aguas residuales con una cierta dilución.

Figura 8.- Válvula de tipo vortex. Curva de caudales / altura Criterios de diseño generales Dejando aparte la definición de espacios en planta y volúmenes necesarios, que serán objeto de otras sesiones , vamos a indicar una serie de consideraciones necesarias en el proyecto de un depósito .

• Siempre que sea posible, ir a diseños con vaciado por gravedad, debido a la economía de operación que supone frente a un bombeo. Losc audales de bombeo no son elevados, mientras que un conducto en lámina libre de vaciado puede alcanzar un caudal muy alto.

• Ubicar los conductos de entrada y salida lo más alejados posibles , para

evitar cortocircuitos en el flujo del agua. Aunque asumimos que las velocidades son cero, se pueden desarrollar patrones de flujo que reduzcan el tiempo de residencia en el depósito

Situación inicial

Desagüe controlado por el vórtice

Q (l/s)

H (m)

• Se recomienda ir a diseños que suponan entre 3 y 4 metros de calado máximo en el depósito si queremos ir a vaciado por gravedad, aunque tengamos que cumplir la limitación de un calado menor a la cobertura del terreno. Si necesitamos calados más altos, casi seguro que deberemos vaciarlo por bombeo

• Prever un elemento de disipación de energía a la entrada del depósito

para que el flujo de entrada no ponga en resuspensión materiales ya sedimentados ni dificulte el propio proceso de sedimentación de los sólidos transportados.

• Formas en planta que faciliten la limpieza posterior. En caso de

depósitos a cielo abierto, se suelen utilizar relaciones 1.5 -1 entre largo y ancho. En caso de depósitos enterrados es conveniente tener en cuenta los mecanismos de limpieza que se van a instalar, pues pueden condicionar las dimensiones máximas en longitud. Distancias máximas en torno a los 150 metros son recomendables para limpieza mediante clapetas automáticas, aunque se han construido con distancias máximas del orden de 200 m (Depósito de S. Juan Desoí). Sistemas de limpieza mediante depósitos basculante se limitan a los 60 ó 70 metros máximo

• Es importante destacar que el almacenamiento no solo se puede

conseguir a partir de realizar obras nuevas. Se puede conseguir un volumen de almacenamiento del orden de miles de m3 mediante otros sistemas más económicos . Se está implantandoen numerosos países la técnica de disponer tuberías enterradas, a un coste menor que un depósito, pero que proporcionan un volumen de almacenamiento notable, especialmente en el caso de depósitos off-line. Se pueden complementar con elementos de infiltración o sencillamente prever su vaciado a posteriori. Por supuesto que el espacio en superficie se puede aprovechar para usos varios.

• Si bien se pueden plantear en primera aproximación los depósitos con

regulador fijo, los de tipo variable se pueden integrar en esquemas de funcionamiento con algoritmos de control en tiempo real. Incluso algoritmos sencillos de tipo local (PID o similares) pueden permitir reducir algo el tamaño de los depósitos . Cálculos realizados hasta ahora indican que entre un 10 y un 20% en tamaño puede ahorrarse en el volumen (área en planta) del depósito .

• Para depósitos a cielo abierto, se recomiendan taludes con inclinación

1:3, para evitar protegerlos. En caso de necesitar por razones de espacio mayor pendiente, analizar la estabilidad del talud y su posible protección (vegetación o mallas)

• Vaciado del depósito, se recomienda que el depós ito se pueda vaciar lo

más rápidamente posible para estar de nuevo en condiciones de operación. Ese periodo se suele establecer por las diferentes legislaciones existentes en cada país. En EEUU se pide que los depósitos a cielo abierto se vacíen en menos de 24 horas. Los depós itos

enterrados deberían vaciarse en menos tiempo ya que en caso de red unitaria el desbordamiento de la red supone un problema mayor. Se manejan tiempos entre 6 y 12 horas, según los análisis realizados de la precipitación al considerar el tiempo entre eventos.

Figura 9.- Almacenamiento en base a tuberías enterradas

• El depósito supone un primer proceso de tratamiento del agua circulante

por la red de alcantarillado. Aunque nuestro objetivo primario es evitar la inundación, el hecho de retener un volumen de agua favorece la sedimentación de materiales arrastrados por el agua y de la consiguiente carga contaminante asociada a ese material. Deberán preverse los correspondientes sistemas de limpieza y mantenimiento del depósito

• El depósito debe incluir un aliviadero de seguridad para el caso de que

la salida pueda colmatarse. Si por ejemplo utilizamos una salida por orificio, es conveniente prever un aliviadero de seguridad previsto para desaguar el caudal máximo de salida que se produce a depósito lleno. El concepto sería que en caso de fallo de la salida, el depósito no ponga a la red en peores condiciones de las que se encontraba sin depósito.

Un depósito de retención finalmente será la conjunción de un espacio subterráneo definido por su área en planta y la altura máxima, pero además de toda una serie de elementos auxiliares que deben considerarse ya en su proceso inicial de diseño. Son elementos más sensibles que otros de la red, por lo que se debe acompañar su construcción con un cuidado seguimiento de su operación, y un mantenimiento escrupuloso del mismo. Estos y otros temas serán objeto de revisión en estas sesiones.

PREDIMENSIONAMIENTO DE DEPOSITOS DE

RETENCION EN REDES DE ALCANTARILLADO

Hans Paul Sanchez Tueros

Grup de Recerca FLUMENDep. de Ingenierıa Hidraulica, Marıtima y Ambiental. UPC

E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y PuertosJordi Girona 1-3. D-1. 08034 BARCELONA

1 Planteamiento del problema

Uno de los principales problemas que sufren las ciudades ubicadas en zonas de fuertes precipi-taciones, es el asociado a la evacuacion de sus aguas pluviales. El mal funcionamiento de la redde alcantarillado origina grandes perdidas economicas y sociales, por lo que la preocupacion delos ingenieros ha sido siempre buscar los metodos mas idoneos para drenar las ciudades sin quese produzcan danos y que a la vez esten al alcance presupuestario de los ayuntamientos. Estatarea es necesaria en muchas ciudades, ya sea porque los disenos de los colectores se hicieronsin datos fiables de lluvia o porque se emplearon calculos y verificaciones que no representan elcomportamiento real del flujo, o simplemente por el aumento de las zonas urbanas que originala ampliacion de la red de drenaje y la impermeabilizacion del suelo, elevando los caudales deescorrentıa mas de lo que puede evacuar el colector.

Para hacer frente a este problema se puede recurrir a adecuar las dimensiones del colectorpara que pueda drenar los caudales requeridos, es decir, construir o reconstruir el colector conlas nuevas dimensiones. Esta medida puede ser difıcil desde el punto de vista economico por loque implica la ejecucion de nuevas obras, la rehabilitacion de colectores existentes y no solo enpuntos localizados sino a lo largo de toda la red, lo que origina la sobreelevacion de los costespor causas indirectas como: la obstruccion del transito de vehıculos, la reposicion y cuidado delas lıneas de otros servicios (luz, gas, agua, telefono, etc.). Incluso muchas veces por falta deespacios disponibles es imposible ampliar la red, por lo que se requiere utilizar otras medidas.

Los depositos de retencion, en sus diferentes variantes, hoy en dıa se han convertido enuno de los metodos propuestos con mayor frecuencia para solucionar los problemas de falta decapacidad de las redes, pero hay que indicar que muchas veces se sugiere su empleo sin tener unconocimiento cuantitativo de la magnitud del deposito que se requiere.

En este capıtulo se pretende dar a conocer las herramientas necesarias para tener una nocioncuantitativa de la magnitud de deposito que requerimos para laminar el caudal punta de unhidrograma de entrada.

1

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El conocimiento aproximado de la magnitud de deposito que se necesita es muy importantepara planificar los espacios y la definicion del tipos de deposito que se requiere. Para posterior-mente hacer el diseno definitivo.

2 Tipos de deposito de retencion

Los depositos retencion podemos dividirlo en dos tipos: los depositos de retencion sin derivaciony los depositos de retencion con derivacion: Dentro de estos grupos podemos distinguir segunsu tipo de salida: salida libre o salida anegada.

2.1 Depositos de retencion sin derivacion

Tambien llamados depositos en serie o en lınea (on line storage basin), son depositos que estanubicados en la traza del colector, de manera que todo el flujo circulante atraviesa el deposito deretencion, y cuya funcion consiste principalmente en atenuar los caudales punta aprovechandola capacidad de almacenamiento y laminacion que tenga el deposito. En este tipo de depositos,el parametro hidraulico mas importante es el area en planta que controla los niveles de agua enel deposito. (vease Figura 1 y Figura 2)

Conducto de entrada

Conducto de salida

Depósito de retención

Figura 1: Esquema de una red con deposito sin derivacion

El funcionamiento de estos depositos dentro de la red es muy similar a la gestion de cuencashidrograficas, donde las soluciones a la mejora del comportamiento de la red fluvial pasan poruna adecuacion de los cauces y por la ejecucion de obras como los embalses de laminacion, cuyoobjetivo es proteger el tramo de cauce y las poblaciones existentes aguas abajo del embalse.El funcionamiento de un embalse de laminacion es un problema clasico de atenuacion de unhidrograma de caudal que entra en el embalse, fruto de una crecida aguas arriba, y su salidacontrolada por los organos de desague (aliviadero, desagues de fondo y medio fondo) de maneraque el caudal punta de salida del embalse sea inferior al de entrada y de magnitud tal que noproduzca danos aguas abajo del embalse. Aprovechando esta idea clasica y aplicandola a unproblema como el del drenaje urbano, tenemos que a pequena escala en la red de drenaje, los

Predimensionamiento de depositos de retencion 3Predimensionamiento de depósitos de retención en redes de alcantarillado________

2


Caudal de Entrada

Caudal de Salida

Válvula de regulación

Figura 2: Deposito sin derivacion con valvula u orificio de regulacion

mismos elementos que en una cuenca hidrografica; los colectores de la red son similares a loscauces naturales y la necesidad de que no se desborden es la misma en ambos casos. Para protegeruna zona de la red del desbordamiento podemos reducir los caudales circulantes poniendo unembalse de laminacion que en el caso de drenaje urbano reciben el nombre de depositos deretencion (detention basin)

2.2 Depositos de retencion con derivacion

Estos depositos tambien reciben el nombre de depositos en paralelo, y se caracterizan porqueparte de las aguas circulantes por la red son derivadas mediante una estructura de alivio y unaconduccion a un deposito ubicado fuera de la red, (por lo que se les denomina ”off-line storagebasin”) reteniendose allı para luego ser evacuadas.

Lo mas significativo de este tipo de depositos es su volumen de almacenamiento, siendonecesario que se cuente con una capacidad suficiente para almacenar los volumenes requeridos,no siendo tan crucial el valor de la superficie del deposito a diferencia del deposito en lınea,(vease Figura 3).

El funcionamiento de este tipo de depositos es muy simple, ya que consiste en guardar oalmacenar en un deposito el agua que no cabe en la red, para luego ser evacuada progresivamenteuna vez haya pasado la tormenta. Lo que importa de este deposito es el volumen que almacene,que debe ser igual o mayor a la precipitacion de diseno menos lo que soporte la red.

En tiempo seco algunos depositos son utilizados para diferentes fines (estacionamientos,parques, campos deportivos, etc.), porque no circulan por el caudales residuales y solo cumplesu funcion real cuando los caudales generados por la lluvia sobrepasan el caudal admitido por lared. Un clasico ejemplo se muestra en la Figura 4, donde la superficie del deposito esta siendousada como un campo deportivo. Se trata de un deposito de retencion con derivacion, quecontrola los flujos de escorrentıa para caudales mayores a los 10 anos de periodo de retorno.

4 Predimensionamiento de depósitos de retención en redes de alcantarillado________

3

Conducto de derivación


Conducto de derivación

Conducto de entrada

Figura 3: Esquema de una red con deposito de retencion con derivacionPredimensionamiento de depósitos de retención en redes de alcantarillado________

4

Figura 4: Deposito de retencion con derivacion, en Denver. Esta siendousado como campo deportivo en epocas de tiempo seco

3 Predimensionamiento de depositos de retencion

Siempre se debe tener en cuenta que el correcto dimensionamiento hidraulico de los depositos deretencion se realiza mediante un modelo matematico que trabaje con las ecuaciones completasde Sant Venat , de tal manera que simule el flujo tanto en la red como en el deposito de formaconjunta e interactiva.

Sin embargo antes de hacer un diseno definitivo del deposito es necesario hacer una planifica-cion del proyecto, donde sepamos de antemano cual sera la ubicacion de nuestro deposito. Paraello es necesario tener conocimiento de la magnitud aproximada de deposito que necesitamospara satisfacer nuestra demanda de restriccion de caudal. Este valor lo debemos obtener de unamanera facil y con poca informacion que normalmente se tiene cuando se empieza a planificar.

En la literatura tecnica se han encontrado una gran cantidad de formulas empıricas quenos ayudan a definir un tamano de deposito. Entre estas formulas podemos mencionar las masconocidas:

Predimensionamiento de depositos de retencion 5

Ecuacion AutorSmaxSR

=(1− Qp

Ip

)2Abt and Grigg

SmaxSR

= 0.660− 1.76(

Qp

Ip

)+ 1.96

(Qp

Ip

)2− 0.730

(Qp

Ip

)3Soil Conservation Service (I y Ia)

SmaxSR

= 0.682− 1.43(

Qp

Ip

)+ 1.64

(Qp

Ip

)2− 0.804

(Qp

Ip

)3Soil Conservation Service (II y III)

Smax = Iptd −Qp

(td+Tc

2

)2Aron and Kibler

donde:

S[max] = Volumen maximo del deposito.SR = Volumen del hidrograma de entrada.Qp = Caudal punta del hidrograma de salida.Ip = Caudal punta del hidrograma de entrada.Tc = Tiempo de concentracion.td = Tiempo de duracion de la lluvia.

La mayorıa de las formulas que se encuentran son aplicables a depositos de retencion conderivacion, donde no existe ninguna interaccion deposito-red.

Tambien se puede obtener el volumen del deposito de forma grafica como se observa en laFigura 5: Se traza la curva del volumen acumulado del hidrograma de entrada a lo largo deltiempo. Tambien se traza el volumen acumulado del hidrograma de salida, si consideramosque el caudal de salida es constante e igual al maximo caudal permitido por la red, la curvadel volumen de salida serıa un recta. Entonces el volumen de nuestro deposito serıa igual a lamaxima diferencia entre estas curvas.

Volumen

Volumen Máximo

Volumen del hidrograma de entrada

Volumen del hidrograma de salida

Tiempo

Figura 5: Metodo grafico para el calculo de volumen de depositos de reten-cion

En la Universidad Politecnica de Cataluna se han realizado algunos estudios hidraulico conla finalidad de facilitar y brindar en forma grafica la posibilidad de obtener las dimensionesaproximadas del deposito de retencion y tener una idea rapida de la magnitud de depositoque se requiere para laminar un cierto caudal de entrada. Pero este procedimiento de ningunamanera puede sustituir a los estudios detallados que se deben hacer cuando se llegue a la etapade diseno.

6

Estas herramientas de prediseno en forma de abacos fueron elaboradas a traves de simulacio-nes hidraulicas para diferentes tipo de depositos, y en los que se ensayaron varias combinacionesde superficies de depositos, anchos de conducto de salida, tipos de vertedero y diferentes hi-drogramas de entrada. Teniendo en cuenta que todos los hidrogramas de entrada son de formatriangular con dimensiones proporionales al hidrograma unitario triangular del Soil ConservationService[1], tal y como se muestra en la Figura 6.

Predimensionamiento de depósitos de retención en redes de alcantarillado________

6

Tp Ip

Q

T 2.67*Tp

Figura 6: Hidrograma Unitario del Soil Conservation Service

En total se han llegado a simular casi unas 10 mil combinaciones para cada tipo de deposito.El intervalo de variacion de parametros ensayado fue: en caudal punta del hidrograma de entradadesde los 5 hasta los 50 m3/s, en ancho de conducto de salida desde los 2 hasta los 8 metros, enlongitud de vertedero desde los 2 hasta los 8 metros, en superficies de deposito desde los 5 milhasta los 50 mil metros cuadrados.

Con los resultados obtenidos se propusieron una serie de abacos para su empleo a la hora depredimensionar los deposito de retencion.

Los tipos de depositos que se han analizado son los siguientes:

• Depositos de retencion sin derivacion.

– Con salida libre o anegada, sin considerar la influencia del conducto de salida.

– Con salida libre y considerando la influencia del conducto de salida.

– Con salida anegada y considerando la influencia del conducto de salida.

• Depositos de retencion con derivacion.

– Vertido lateral sin considerar la interaccion deposito-red.

– Vertido lateral considerando la interaccion deposito-red

A continuacion explicaremos cada uno de estos casos.


3.1 Predimensionamiento de depositos de retencion sin derivacion

3.1.1 Con salida libre y anegada, sin considerar la influencia del conducto de salida

Akan (Akan, 2003) realiza unos estudios de tipo numerico, para depositos de retencion sinderivacion, con estructura de salida en forma de orificio o vertedero.

La geometrıa de los depositos puede ser cualquiera, y se considera tanto depositos naturaleso artificiales. La relacion de la altura de agua (h) con el volumen de almacenamiento (s) de losdepositos debe estar expresada como:

s = bhc (1)

donde la constante c es adimensional, y la constante b tiene dimensiones de (longitud)3−c.Estas constantes dependen de la geometrıa y el tamano del deposito. Para depositos de paredesverticales la constante c = 1 y b equivale a la superficie en planta del deposito. Si la relacionaltura-volumen esta dada en forma tabular, las constantes b y c pueden ser encontradas a travesdel analisis de mınimos cuadrados.


5

hCaudal de Salida (Q)

Caudal de Entrada (I)

Figura 7: Esquema de deposito de retencion analizado por Akan

El metodo de estudio se basa en depositos con salida libre, sin estar afectado por las con-diciones aguas abajo del conducto de salida, se calcula con la combinacion de la ecuacion de laconservacion de la masa (ec. 2), la ecuacion que relaciona la altura de descarga del depositocon el volumen almacenado (ec. 1) y una expresion que describe el paso del flujo a traves de laestructura de salida, ya sea para orificios (ec. 3) o vertederos (ec. 4). El resultado lo expresa enecuaciones diferenciales, los cuales los resuelve por diferencias finitas y finalmente los generalizaen parametros adimensionales que son presentados en diversas graficas.

I −Q =ds

dt(2)

8

Q = ko.ao.√

2gh (3)

Q = kw.L.h3/2 (4)

donde, I es el caudal de entrada, Q es el caudal de salida, ds es el incremento del volumen dealmacenamiento en un tiempo dt, siendo este el diferencial de tiempo, ao es el area del orificio,ko coeficiente de descarga del orificio, kw es el coeficiente de descarga del vertedero y L es elancho del vertedero, g es la aceleracion de la gravedad, y h es la altura de carga.

La representacion grafica de los resultados para depositos con salida tipo orificio (ver Abaco1) se realiza utilizando parametros adimensionales como Q*, P y F los cuales estan definidoscomo:

Q∗ =Qp

Ip(5)

P =tp.ko.ao.

√2g

bx.S1−xR

(6)

F =IptpSR

(7)

donde: Qp es el caudal punta del hidrograma de salida del deposito en m3/s, Ip es el caudalpunta del hidrograma de entrada en m3/s, tp es el tiempo de ocurrencia del caudal pico deentrada en segundos, SR es el volumen total de escorrentıa del hidrograma de entrada en m3, by c son los coeficientes que relacionan el volumen de almacenamiento del deposito con la alturade descarga (ec. 1), x es un coeficiente que es igual a 0.5/c para salida tipo orificio (en depositosrectangulares c=1 entonces x=0.5), y pasa salidas tipo vertedero x = 1.5/c.

Para depositos de retencion con salidas tipo vertedero, Akan presenta otros abacos de pre-dimensionamiento (vease Abaco 2). Estos graficos fueron realizados siguiendo la misma meto-dologıa que los de orificio, variando solo el parametro P que esta definido por los valores de lageometrıa del vertedero (ec. 8):

P =tp.kw.L

√2g

bx.SR

x−1 (8)

Los resultados de los abacos de predimensionamiento estan realizados para cualquier hidro-grama de entrada de forma triangular

Ejemplo de Aplicacion 1:

Una red ha sido disenada para evacuar un caudal maximo de 13.5 m3/s. Debido a la expan-sion de la ciudad, el hidrograma de escorrentıa de diseno se ha incrementado a 20 m3/s con un


tiempo pico de 1 hora. Se necesita conocer aproximadamente las dimensiones de un depositode retencion que pueda laminar el caudal del nuevo hidrograma, para solucionar el problema,sabiendo que el deposito evacuara sus aguas por un orificio de diametro 1.7 m y coeficiente dedescarga Ko=0.75. El deposito sera de paredes verticales.

Como datos tenemos: Qp=13.5 m3/s, Ip=20 m3/s, tp=3600 seg, D=1.7 m, c=1, por ser eldeposito de paredes verticales, necesitamos conocer b, que es igual al area en planta del deposito.

Calculamos Q* (ec. 5) que es igual a 0.675, y F (ec.7) es 0.75, ingresamos al Abaco 1,hallamos el valor de P=0.90. Reemplazamos el valor de P en la ecuacion (ec. 6), despejamos elvalor de b, ya que conocemos las otras variables (b=10628 m2.).

Para evaluar la altura del deposito despejamos h de la ecuacion (ec. 3), resultando h=2.85m. A este valor se le anadira el resguardo correspondiente.

Por lo tanto para solucionar el problema necesitamos un deposito de paredes verticales de10.628 m2 de superficie en planta y una altura efectiva de 2.85 m., aproximadamente. Que hacenun volumen de almacenamiento de 30337 m3.

3.1.2 Con salida libre y considerando la influencia del conducto de salida

Se realizo un analisis de depositos de retencion sin derivacion, con salida libre, pero conside-rando la influencia del conducto de salida (H. Sanchez - 1988), para lo cual, se desarrollo unmodelo matematico para simular numericamente el comportamiento hidraulico de un esquemade drenaje, en flujo no permanente, formado por un deposito de retencion al que entra un hi-drograma triangular con dimensiones proporcionales al hidrograma unitario triangular del SoilConservation Service [1]. Sale por un conducto que puede ser de seccion rectangular o circular,de longitud suficientemente larga, como para que las condiciones de contorno del conducto aguasabajo no influya en el desague del deposito.

El analisis hidraulico de este esquema se basa en resolver las variables de transicion entre eldeposito y el conducto de salida (calado yk, velocidad vk y altura h del deposito) como se puedever en la Figura 8, para ello se resuelve conjuntamente la ecuacion de la conservacion de la masadel deposito (ec. 9), la ecuacion de la conservacion de la energıa entre el deposito y el conductode salida (ec. 10) y la ecuacion asociada a la caracterıstica negativa del flujo no permanente enla salida de deposito (ec. 11), que precisamente es la influencia del conducto de salida.

I −Q =dh

dt.Sup (9)

(12g

).v2

k + yk = h (10)

vk − vs −g

cs.(yk − ys) + g.∆t.(Ifs − Io) = 0 (11)

10


7


h yk

Conducto de salida

I Q

vk

Figura 8: Interaccion entre el deposito y el conducto de salida

Con los resultados de las simulaciones se realizaron abacos, que relacionan el porcentaje delaminacion del deposito con parametros dimensionales que estan en funcion de las caracterısticasdel hidrograma de entrada, las dimensiones del depositos y las dimensiones del conducto desalida.

Para conductos de salida tipo rectangular, se propone la grafica que se muestra en el Abaco3 donde se relaciona el porcentaje de laminacion (%Lam) (ec. 12) y un parametro L (ec. 13),Definido como:

%Lam =Ip −Qp

Ip× 100 (12)

L = Q−3/4b · Sup

tp·

√Ip

B(13)

donde Ip es el caudal punta del hidrograma de entrada en m3/s, Qp es el caudal punta delhidrograma de salida del deposito en m3/s, Qb es el caudal base del hidrograma de entrada enm3/s, tp es el tiempo de ocurrencia del caudal punta del hidrograma de entrada al deposito, ensegundos, Sup es el valor de la superficie del deposito, en m2 y B es el ancho del conducto desalida del deposito, expresado en metros.

Para calcular la altura maxima del nivel del agua en el deposito (Hmax) se propone el Abaco4 que relaciona este parametro, en metros, con un parametro G (ec. 14), que esta en funcion delas caracterısticas del hidrograma de entrada, de las dimensiones de deposito y del conducto desalida.

G =I3.5p × tp

Sup×B2.5(14)

Utilizando el mismo procedimiento descrito para realizar los abacos de depositos con conducto


de salida rectangular, se propone Abacos para conductos de salida circular. Con la diferencia deque en lugar de utilizar como variable el ancho del conducto de salida (B) se utilizo el diametrodel conducto (D), ademas de que se agrego otro parametro que es el numero de conductos (N),con lo cual se da la posibilidad de utilizar una baterıa de conductos iguales como salida. Losabacos propuestos consisten en un grafico que relaciona el porcentaje de laminacion (%Lam)(ec. 12) con un parametro ”X”(ec. 15) vease Abaco 5 y la altura maxima del deposito (Hmax)con el parametro ”Y”(ec. 16), vease Abaco 6.

X =Sup

N ×D × t0.7p

×√

Ip

Qb(15)

Y =Ip

N ×D×

√tp

Sup(16)

Ejemplo de Aplicacion 2

En una ciudad se desea proyectar un deposito de retencion para poder laminar el caudalpunta del hidrograma de escorrentıa de entrada que tiene las siguientes caracterısticas: Ip =20 m3/s y tp = 1 hora; a un hidrograma que tenga como caudal punta 12 m3/s. El colectoresta formado por un conducto rectangular de 2 m., de ancho. Por el colector normalmentecircula un caudal base de 2 m3/s.

Como dato tenemos, Ip=20 m3/s, tp =3600 seg., Qb=2 m3/s, Qp=12 m3/s y B=2 m. Secalcula el porcentaje de laminacion que vamos a aplicar, para lo cual utilizamos la ecuacion (ec.12), de donde %Lam=40 %, con este valor ingresamos en el Abaco 3 para interpolar en la curvarespectiva de Qb/Ip=0.1, y hallamos el valor del parametro L=7.6, con este valor vamos a laecuacion (ec. 13) y despejamos el valor de la superficie del deposito, siendo Sup = 14550 m2 =15000 m2.

Finalmente para calcular la altura del deposito calculamos con la ecuacion (ec. 14) el parame-tro G = 1517 = 1.52E+03, con este valor ingresamos en el Abaco 4 de donde tenemos queHmax=3.8 m.

Por lo tanto necesitaremos un deposito de 15 mil metros cuadrados de superficie en plantay 3.8 metros de altura util.

3.1.3 Con salida sumergida y considerando la influencia del conducto de salida

Como una manera de complementar los estudios de predimensionamiento de depositos de re-tencion antes realizados, en la ETSECCPB se realizo un analisis de depositos de retencion sinderivacion, con salida sumergida y considerando la influencia aguas abajo del conducto de salida(S. Vazquez, 2000), para lo cual, se desarrollo un modelo matematico que simula numericamenteel comportamiento hidraulico en flujo no permanente de un esquema de drenaje como se muestraen la Figura 9, el cual esta formado por un deposito de retencion al que entra un hidrogramatriangular e igual que en los anteriores casos, con dimensiones proporcionales al hidrogramaunitario triangular del Soil Conservation Service.

12Predimensionamiento de depósitos de retención en redes de alcantarillado________

8

yk h ho

h < ho

yk

h

ho

h > ho

Figura 9: Corte longitudinal de esquema de desague de deposito por orificio

Este hidrograma sale por un conducto de seccion rectangular, de longitud suficientemen-te larga, como para que las condiciones de contorno del conducto aguas abajo no influya enel desague del deposito. La salida del deposito se realiza por un orificio tambien de seccionrectangular del mismo ancho que el conducto de salida y una altura igual a h0.

El analisis hidraulico del deposito se realiza basandose en tres ecuaciones: la ecuacion dela conservacion de la masa (ec. 9), la ecuacion de la conservacion de la energıa (ec. 10), si elnivel de agua en el deposito no cubre totalmente el orificio, de lo contrario, si cubre totalmenteel orificio utilizara la ecuacion de desague de orificio (ec. 17) y la tercera ecuacion es la queconsidera la influencia del conducto de salida: la ecuacion de flujo asociada a la caracterısticanegativa del conducto de salida en el punto de interseccion con el deposito (ec. 11).

Q = CdAo√

2g(h− yk) = ykvkB (17)

donde Cd es el coeficiente de descarga de orificios, Ao es el area abierta del orificio, que en casode ser rectangular como fue desarrollado en este ensayo sera igual a (h0.B), B es el ancho delconducto de salida, vk y yk es la velocidad y el calado en el punto inicial del conducto de salida.h es el nivel de agua en el deposito con respecto al fondo del conducto de salida.

Los resultados de los ensayos numericos se presentan graficamente, donde se establecen curvasen funcion de dos parametros Q* (ec. 18), y S’(ec. 19). Cada curva representa los resultadospara un determinado caudal punta del hidrograma de entrada (Ip). El conjunto de estas curvaspermite proponer un abaco, y cada abaco representa los resultados para cada altura de orificio,es decir para cada valor de ho, (vease Abaco 7, Abaco 8, Abaco 9, Abaco 10, y Abaco 11).

Q∗ =Qp

Ip(18)

S′ =Sup

tb ·B2(19)


donde Qp es el caudal punta del hidrograma de salida m3/s, Ip es el caudal punta del hidrogramade entrada m3/s, Sup es la superficie en planta del deposito en m2, tb es el tiempo base delhidrograma de entrada en segundos y B es el ancho del conducto de salida en metros.

Para calcular la altura maxima del nivel del agua en el deposito, se trazaron curvas dondese grafica el caudal punta del hidrograma de entrada (Ip) dividido entre el nivel maximo de laaltura del agua en el deposito (Hmax), relacionando con el parametro S’(ec. 19). Cada curvarepresenta los valores para una determinada altura de orificio (h0), y un conjunto de estas curvasforman un abaco con los resultados de un mismo ancho de conducto de salida (B). (Vease Abaco12, Abaco 13, Abaco 14 y Abaco 15).


Se necesita construir un deposito de retencion con salida por orificio, para laminar el caudalpunta de un hidrograma de entrada de 25 m3/s a 7 m3/s y se sabe que el hidrograma de entradatiene un tiempo base de 1 hora. El conducto de salida es rectangular con una anchura de 2 m.¿Que dimensiones aproximadamente deberıa tener el deposito, si el orificio es rectangular de lamisma anchura del conducto de salida y tiene una abertura de 0.6 m.?.

En este caso conocemos los siguiente datos: Ip=25 m3/s, Qp=5 m3/s, h0=0.6 m., tb=3600seg., B=2 m. Con la ecuacion (ec. 18) calculamos el valor de Q*=0.28, para ingresar al Abaco9 en el cual interceptamos en la curva que corresponde al Ip = 25 m3/s, y obtener el parametroS’=0.28.

En la ecuacion (ec. 19), remplazamos el valor de S′ y calculamos el area de la superficie deldeposito, Sup = 4032 m2. Para calcular la altura del nivel del agua en el deposito recurrimos alAbaco 12 que es el que corresponde a un colector de anchura B = 2 m., en donde con el valorde S′ que hemos hallado, interceptamos a la curva que corresponde a h0 = 0.6 m y obtenemos,el valor de Ip/Hmax, de lo cual deducimos que Hmax = 7.35 m.

Por lo tanto para laminar el caudal fijado, es necesario un deposito de aproximadamente4032 m2 de superficie y 7.358 m de altura util, haciendo un volumen de almacenamiento deaproximadamente 30000 m3

3.2 Predimensionamiento de depositos de retencion con derivacion

3.2.1 Vertido sin considerar la interaccion deposito-red

Se ha realizado un estudio numerico del comportamiento hidraulico de depositos de retencioncon derivacion, con salida libre y sin considerar la interaccion deposito-red (H. Sanchez – 1998),para lo cual se han creado modelos matematicos que resuelvan hidraulicamente un esquema dedrenaje formado por una red, que tiene una camara de captacion o derivacion que se encarga dederivar el exceso de escorrentıa a un deposito ubicado fuera de la red, mediante un conducto dederivacion, donde se almacena los excedentes de caudal y posteriormente son evacuados, (veaseFigura 10).

Los calculos hidraulicos de sistema de drenaje se desarrollaron resolviendo en regimen no


9

Vertedero Lateral

Cámara de Captación

P

L

Figura 10: Vista en perspectiva del esquema de deposito con derivacionlibre

permanente todo el esquema de drenaje, al que ingresa un hidrograma triangular con dimensionesproporcionales al hidrograma unitario triangular del Soil Conservation Service. La camara decaptacion se considera como un deposito sin derivacion con dimension de superficie muy reducida,para que no afecte en la laminacion. Para ello se utilizo un sistema de ecuaciones formado porla ecuacion de la conservacion de la masa (ec. 20), la ecuacion de la conservacion de la energıa(ec. 10), y la ecuacion de las caracterısticas negativas del conducto de salida (ec. 11).

I −Q−Qv =dh

dt· Sup (20)

donde I es el caudal de entrada a la camara de captacion, Q es el caudal que sale de la camarade captacion por el conducto de salida, Qv es el caudal que sale de la camara de captacion porel vertedero lateral (ec. 4), el cual a su vez esta en funcion de la geometrıa del vertedero y elnivel del agua h en la camara de captacion y Sup es la superficie de la camara de captacion.

Con los resultados de estos ensayos se propone el Abaco 16, donde se relaciona el porcentajede laminacion (ec. 12) con el parametro R (ec. 21), que esta en funcion del volumen del depositode retencion (Vd) en metros cubicos y el tiempo de ocurrencia del caudal pico del hidrogramade entrada (tp) en segundos.

R =Vd

tp(21)

En el Abaco 16 se puede ver que el porcentaje de laminacion esta directamente relacionado conel volumen del deposito de retencion, es decir a mayor porcentaje de laminacion necesitaremosmayor volumen del deposito, sin influir directamente las dimensiones geometricas del vertederoni del conducto de salida, puesto que estos valores indirectamente influyen en la laminacion, yaque si bajamos la altura del vertedero (P), haremos que mayor cantidad de agua se derive por elvertedero por lo cual mayor sera el volumen del deposito y tambien sera mayor la laminacion, aligual ocurre con los parametros de longitud del vertedero (L) y ancho del conducto de salida (B).Existen muchas combinaciones de estos tres parametros con el que se puede obtener la mismalaminacion y por ende aproximadamente el mismo volumen de almacenamiento.



Existe una red de alcantarillado que esta disenado para evacuar como maximo un caudalde 20 m3/s. Se sabe que en los ultimos tiempos por el incremento de las zonas urbanas y laimpermeabilizacion de los suelos la escorrentıa superficial se ha incrementado calculandose enun caudal pico de 35 m3/s el cual tiene ocurrencia a la hora de iniciarse la escorrentıa. Parasolucionar este problema se pretende construir un deposito de retencion que este ubicado fuerade la red, por razones de espacio y se desea saber aproximadamente cuanto volumen debe tenereste deposito.

Los datos que conocemos son los siguientes: Ip=35 m3/s, Qp= 20 m3/s y tp=3600 seg.De la ecuacion (ec. 12), calculamos el porcentaje de laminacion %Lam=43 %, con este valoringresamos al Abaco 16 y en la curva que corresponde a un Ip de 35 m3/s interpolamos yobtenemos el valor del parametro R=15.5, del cual despejamos el valor del volumen del depositosegun la ecuacion (ec. 21). Por lo tanto necesitamos un volumen util de depositos de 55.800,00m3.

3.2.2 Vertido lateral considerando la interaccion deposito-red

Se ha realizado estudios de depositos de retencion con salida libre y considerando la interacciondeposito-red (S. Vazquez, 2000), lo que significa que el deposito de retencion esta muy cerca dela camara de derivacion (vease Figura 11) de tal manera que las aguas ingresen al deposito atraves del vertedero lateral y tambien estas puedan retornar a la red segun las circunstanciashidraulicas que se presenten.


10

Depósito de Retención de

Superficie (Sup)

Ho

L

B

Conducto de Salida

Cámara de Derivación

Vertedero Lateral

Figura 11: Perspectiva del esquema de deposito con derivacion influenciada

La solucion hidraulica del esquema de drenaje pasa por resolver en regimen no permanente lacamara de derivacion, como si se tratara de un deposito en lınea, pero cuya superficie sera muypequena.

Las ecuaciones a utilizar son: la ecuacion de la conservacion de la masa en la camara dederivacion, la ecuacion de la conservacion de la energıa entre el la camara y el conducto desalida y la ecuacion de las caracterısticas negativas en el punto de union del conducto de saliday la camara de derivacion.


11

FASE 1: Comienza el ascenso del agua en la cámara de derivación. La altura del agua no ha alcanzado la altura del vertedero, no entra agua al depósito por lo tanto no hay laminación.

FASE 2: Al superar el agua la cota del vertedero, se inicia el vertido al depósito de retención, ascendiendo el nivel del agua en el depósito hasta alcanzar la cota del vertedero

FASE 3: En este instante el flujo a través del vertedero ya no es libre sino sumergido.

FASE 4: En esta parte el caudal de entrada a la cámara ha descendido, el nivel del agua en el depósito es mayor que en la cámara, por lo cual el flujo se invierte produciéndose un retorno de agua a la red.

FASE 5: Aquí el agua en la cámara desciende por debajo de la cota del vertedero y el retorno de agua del depósito a la cámara se realiza como un vertido libre.

FASE 6: Aquí el nivel del agua en el colector retorna al del caudal base, quedando solo almacenado la parte que no puede salir por el vertedero, para que luego sea desaguado por otros medios.

Depósito de Retención






Figura 12: Fases de comportamiento de depositos con vertido lateral con-siderando la interaccion deposito–red


Para la simulacion hidraulica de este esquema se tuvo en cuenta las distintas fases quepresenta el comportamiento de este tipo de depositos, como se muestra en la Figura 12.

Los resultados de todos los ensayos que se hicieron fueron graficados relacionando la lami-nacion Q* (ec. 5) con un parametro P (ec. 22), que esta en funcion de la superficie del deposito(Sup) en metros cuadrados, el tiempo base del hidrograma de entrada (tb) en segundos, lalongitud del vertedero (L) en metros y la altura del vertedero (Ho) tambien en metros.

P =Sup

tp·(

L

Ho

)0.3

(22)

Salieron curvas que representan los resultados para un determinado ancho de conducto de salida(B) y el conjunto de curvas forman un abaco para cada caudal punta del hidrograma de entrada.(vease Abaco 17, Abaco 18 y Abaco 19).

De igual manera para calcular la altura maxima del nivel del agua en el deposito los resultadosse expresaron en graficas que relacionan un parametro F (ec. 23), con otro parametro N (ec.24); (vease Abaco 20). Estos parametros estan en funcion de la superficie del deposito (Sup) enm2, la altura maxima del nivel del agua (Hmax) en metros, el tiempo base del hidrograma deentrada (tb) en segundos y el ancho del conducto de salida (B) en metros.

F =Sup ·Hmax

tb(23)

N =Sup

tb ·B(24)


Se tiene una red de alcantarillado de 2 metros de ancho, al que se le pretende construir undeposito de retencion para laminar el hidrograma de entrada, que tiene un caudal punta de 35m3/s y un tiempo base de una hora y media, a un hidrograma con caudal punta de 21 m3/s.Para ello se pretende construir un deposito de retencion con derivacion. Se ha planteado ponerun vertedero de una altura de 2 metros y una longitud de 6 metros..

Como datos del problema tenemos: Ip=35 m3/s, Qp=21 m3/s, tb=5400 seg., B=2 m., Ho=2m., L=6 m.

• De la ecuacion (ec. 5), calculamos Q*=0.6

• Del Abaco 18 obtenemos P = 3.8

• Reemplazando la ecuacion (ec. 22); tenemos Sup = 14,758 = 15,000 m2

• Con la ecuacion (ec. 24), calculamos, N = 1.40

• Del Abaco 20 obtenemos F = 11.2

• Y de la ecuacion (ec. 23); despejamos Hmax = 4.0 metros.

Por lo tanto necesitarıamos un deposito de 15 mil metros cuadrados de superficie con unaaltura util de 4 metros.

18

4 Modelo de predimensionamiento de depositos

Con la finalidad de simplificar aun mas las aproximaciones se ha creado un Modelo matematicoque se encarga de predimensionar los depositos segun la informacion que se le de. Este modelosolo se encarga de interpolar los valor de la curva en el abaco que le corresponda. El modeloesta disponible gratuitamente en la Pagina Web de FLUMEN (http://www.flumen.upc.edu).

5 Referencias

Akan, A.O. (1990) ”Single Outlet Pond Analysis ans Design”Journal of irrigation and Drai-nage Engineering, 116(4), with permission ASCE

Akan, A. O (1993) Urban Stormwater Hidrology”. Technomic Publishing Company, U.S.A.

Akan, A. O (2003) Urban Hidrology Hydraulics, And Stormwater Quality ”. John Wiley &Sons, INC, U.S.A.

ASCE (1985) ”Stormwater Detention Outlet Control Structures”Task Committee on the De-sign of Outlet Control Structures. New York

ASCE (1992) ”Design and Construction of Urban Stormwater Management Systems”, ASCEManual of Engineering Practice n. 77. New York.

Gomez, Manuel (1988) ”Contribucion al Estudio del Movimiento Variable en Lamina Libreen las Redes de Alcantarillado. Aplicaciones”. Tesis Doctoral. ETSECCPB - UPC.

Koral, Saatci (1976) ”Dimensions of Storm Water Basins”Gas-Wasser-Abwasser.

Larry W. Mays (2001) ”Stormwater collection systems design handbook”McGraw-Hill.

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Sanchez H., (1998) ”Analisis del Pre-dimensionamiento de Depositos de Retencion en Redesde Alcantarillado”. Tesina. ETSECCPB - UPC. Barcelona.

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Vazquez S. (2000) ”Predimensionamiento de Depositos de Retencion”. Tesina. ETSECCPB-UPC. Barcelona.

CALCULO HIDRAULICO DE DEPOSITOS DE

RETENCION

Manuel Gomez Valentın

Grup de Recerca FLUMENDep. de Ingenierıa Hidraulica, Marıtima y Ambiental. UPC.

E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y PuertosJordi Girona 1-3. D-1. 08034 BARCELONA

1 Introduccion

Un deposito de retencion es un elemento mas dentro de una red de alcantarillado. Y el flujodel agua dentro de en una red presenta en los casos reales de funcionamiento una variacioncon el tiempo por lo que podemos decir que el tipo mas general de movimiento que podemosanalizar en nuestra red sera el denominado no permanente. A partir de esta premisa, si deseamosrepresentar lo mas fielmente posible el flujo existente en una red de alcantarillado durante unsuceso de lluvia, deberemos adoptar la aproximacion del movimiento no permanente.

2 Descripcion matematica del movimiento

Las hipotesis basicas de las que partimos para describir el movimiento no permanente en unconducto de alcantarillado de seccion transversal prismatica, o lo que es lo mismo que no varıaa lo largo del conducto, son las siguientes:

• Asumimos que el flujo que se produce en cada conducto de la red es de tipo unidimensional.Es decir, solo tenemos en cuenta la componente de velocidad del agua en la misma direccionque la alineacion del conducto.

• Aceptaremos la existencia de una distribucion uniforme de velocidades en cada seccion,despreciando por tanto las variaciones transversales de velocidad dentro de la misma.

• Asumimos que la curvatura de la superficie del agua es reducida, por lo que en el interiordela masa del fluido aceptamos la existencia de una distribucion hidrostatica de presiones.

• Evaluaremos las perdidas de energıa en regimen no permanente con las mismas expresionesutilizadas en el analisis del flujo permanente

1

2

• La pendiente del colector es reducida, de manera que el coseno del angulo que forma elcolector con la horizontal es practicmaente 1, y de ese modeo podemos asumir que el valordel angulo θ es igual al senθ y a la tangente de θ

A partir de estas hipotesis principales, aplicamos el principio de conservacion de la masao ecuacion de continuidad, y el principio de conservacion de la cantidad de movimiento, loque equivale a plantear el equilibrio de las fuerzas actuantes. En el caso del movimiento nopermanente en lamina libre, las ecuaciones de conservacion de la masa y de equilibrio de fuerzasadoptan la siguiente expresion, para un conducto de seccion prismatica:

∂y

∂t+ v

∂y

∂x+

A

b

∂v

∂x= 0 (1)

∂v

∂t+ v

∂v

∂x+ g

∂y

∂x− g(Io − If ) = 0 (2)

donde v, es la velocidad media del agua en la seccion, y el nivel de agua (calado) en dichaseccion, A es la seccion transversal del conducto ocupada por el flujo, b el ancho superficial delagua, g la aceleracion de la gravedad, Io pendiente de la solera del conducto, If la pendiente dela lınea de energıa, x la abscisa a lo largo del conducto y t el tiempo.

La ecuacion matematica anterior representa algo tan sencillo como la expresion de todas lasfuerzas que actuan sobre el agua, a saber:

∂v∂t + v ∂v

∂x Fuerzas de inercia sobre el agua en movimiento (aceleraciones local y convectiva)∂y∂x Fuerzas de presion debidas a los diferentes niveles de agua entre puntos del colector

Io Pendiente del colector, expresion de las fuerzas gravitatorias

If Pendiente motriz (perdida de energıa por unidad de peso y por unidad de longitud)expresion de las fuerzas de disipacion de energıa por friccion, etc.

Estas ecuaciones deducidas por Saint–Venant (1871), no tienen solucion analıtica por lo quedebe abordarse su tratamiento mediante metodos numericos. Tecnicas bien conocidas comolos metodos en diferencias finitas, elementos finitos o el metodo de las caracterısticas (Streetery Wylie, 1979) se pueden utilizar en su resolucion. La utilizacion de un metodo u otro pro-ducira resultados casi iguales, por lo que no se puede reconocer un procedimiento como muysuperior a los otros.

La formulacion presentada engloba todas las descripciones de movimiento en lamina libre.Si por ejemplo, de la ecuacion (1) despejamos el termino de variacion de velocidad segun ladireccion del flujo ∂v/∂x, y reemplazamos en la ecuacion (2) obtendrıamos:

dy

dx=

∂y

∂x=

Io − If

1− Fr2+

∂y∂t

Fr2

v − 1g

∂v∂t

1− Fr2(3)

Calculo hidraulico de depositos de retencion 3

Si el movimiento fuera permanente, las variaciones locales respecto del tiempo tanto delcalado como de la velocidad serıan nulas, por lo que el comportamiento se podrıa describir conel primer termino de la derecha de la ecuacion (3), que resulta ser la conocida expresion de lacurva de remanso. En la medida que los terminos del segundo miembro de la ecuacion seanimportantes (variaciones temporales de calado y velocidad) las diferencias entre el calculo conuna u otra expresion seran mas significativas.

Este mecanismo representa el proceso de solucion de la red existente, tanto aguas arribacomo aguas abajo del deposito. Las hipotesis del calculo hidraulico del deposito son mucho massencillas: asumimos que la velocidad del agua en el seno del deposito es nula, y que la superficiedel deposito se desplaza en bloque hacia arriba o hacia abajo segun el balance entre el volumende agua de entrada y salida en un intervalo de tiempo dado. Esto no es estrictamente cierto,pero si que las velocidades en el deposito seran mucho menores en comparacion con el resto dela red, por loque se puede aceptar sin demasiados problemas. No consideramos en el calculo lospatrones de flujo secundarios que se puedan desarrollar en el deposito, por lo que en general noestamos en condiciones de describir el flujo de auas bajas de manera corecta. Es posible realizarmodelos mas de detalles para describir esos patrones mas locales.

3 Metodos simplificados de resolucion

Si bien las ecuaciones anteriores representan como decıamos antes el caso mas general de movi-miento, la dificultad de resolucion junto a la necesidad de disponer de mucha mayor informacionsobre la red y sobre el proceso de transformacion lluvia–escorrentıa, hizo que se utilizaran enlos anos 70 y 80 metodos de diseno y analisis hidraulico mas sencillos. Con respecto al flujo enla red, normalmente se desperciaban algunos de los terminos de las ecuaciones de Saint Venant,lo que daba lugar a las aproximaciones de onda difusiva, cinematica, etc. Si bien suponen unavance respecto a los metodos de diseno que consideran flujo permanente, todavıa no tienen encuenta en el proceso de calculo todos los terminos de la ecuacion de equilibrio dinamico. Lasolucion sera un resultado en flujo no permanente, pero tan solo una aproximacion al compor-tamiento descrito por las expresiones (1) y (2). Dichas aproximaciones pueden consultarse enalguna de las referencias (Gomez, 1988, 1992). Hoy dıa las razones que impulsaban el uso demodelos simplificados, fundamentalmente el menor tiempo de calculo por ordenador, han desa-parecido ante los incrementos de capacidad de calculo por lo que dedicaremos todo el capıtuloa los modelos que resuelven el regimen no permanente de forma completa.

Lo mismo se puede decir con respecto a las aproximaciones de calculo del deposito dentrode la red. Podemos utilizarlas para predimensionar, tener una cierta idea de las dimensiones dedeposito necesarias, etc., pero limitarnos al diseno definitivo con esos procedimiento aproximadospuede llevar a grandes errores. En particular todos los procedimientos que suponen que la salidadel deposito esta libre de las influencias del resto de la red existente aguas abajo puede llevara disenos del lado de la inseguridad. Este hecho es tanto mas evidente en el caso de depositosenterrados.

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4 Modelos basados en las ecuaciones de Saint–Venant. SWMM5.0

En la actualidad, con numerosas administraciones enfrentadas a la dura realidad de unas redes dedrenaje con muchos problemas de funcionamiento, la forma mas economica y rapida de abordarla solucion de esos problemas es con ayuda de un modelo numerico de simulacion de la red yque integre el comportamiento del deposito.

Recordemos algunos de los aspectos a considerar a la hora de realizar un estudio en regimenno permanente a traves de un modelo de calculo.

1. Necesitan como datos de partida un estudio hidrologico previo que proporcione hidrogra-mas de caudal/tiempo. No tiene sentido emplear un modelo en regimen no permanentepara disenar un deposito de retencion solo con unos caudales maximos estimados a partirdel metodo racional. Los procedimientos para realizar dicho estudio son variados perotodos ellos deben proporcionar hidrogramas de caudal de entrada en la red.

2. Para que los resultados de calculo sean representativos, necesita que se le suministre unainformacion sobre la geometrıa de la red, datos de pendiente, secciones transversales, saltosde solera, etc. lo mas detallada posible. Ello solo es posible despues de realizar o actualizarel inventario de la red: trazados en planta, perfil longitudinal, secciones transversalesy puntos singulares de la red. Debemos tener presente que el empleo de herramientascomplejas, como seran estos modelos, dentro del calculo hidraulico, requiere un nivel parejoen el detalle de la red a estudiar. Si no disponemos de una buena topografıa de la red, condatos fiables de pendientes, tipos de secciones transversales, etc, puede darse la paradojaque estemos exigiendo al modelo numerico una precision en su calculo de calados de porejemplo 1 cm, cuando en la informacion inicial relativa a los datos de solera del colectorpodemos estar introduciendo un error del orden de decımetros.

3. Eleccion del intervalo de espacio de estudio. No vamos a calcular las condiciones de flujo entodos los puntos de la red, por ejemplo cada milımetro de distancia. El calculo numericono se realiza de forma continua en el espacio sino solo en una serie de puntos de calculoseparados por una distancia ∆x. Cuanto menor sea esta distancia mayor numero de puntosde calculo, mejor conocimiento de la red pero tambien mayor esfuerzo de calculo y mayornumero de resultados de analisis. Una red de alcantarillado se puede estudiar con intervalosde espacio de 10 a 20 metros. En caso de tramos especialmente cortos, debe tomarse laprecaucion de que haya un mınimo de puntos de estudio (4 o 5).

4. Eleccion del intervalo de tiempo de estudio. De igual forma que no se resuelve de formacontinua en el espacio, tampoco se sigue el mismo proceso en el tiempo sino que se calculaen una serie de puntos discretos. El intervalo de tiempo dependera del nivel de detalleque se desee y del procedimiento numerico de integracion. Los metodos numericos de tipoexplıcito como tienen una limitacion en el valor del intervalo de tiempo de analisis, que a suvez es funcion del intervalo de espacio seleccionado, se encargan de calcularlo ellos mismospara cumplir esa limitacion. En aquellos que permitan la opcion de elegir el intervalo detiempo (Programas que resuelven por metodos de tipo implıcito), y aunque los manualesde usuario sugieren elegir un intervalo de tiempo de 5 a 10 minutos, en muchos casos el


valor final debe elegirse alrededor de 1 minuto o de pocos segundos. Si bien los manualesindican que esos algoritmo de calculo son incondicionalmente estable, ello no siempre esdel todo cierto pues hidrogramas de entrada muy abruptos o cambios de regimen rapido alento, pueden generar inestabilidades de calculo.

5. Empleo de las ecuaciones completas de Saint–Venant, sobre todo en casos donde la redpresente tanto flujos rapidos (altas pendientes Fr>1) como lentos (pendientes reducidasFr<1). Los aspectos numericos sobre el tipo de esquema empleado no son tan importantes anivel de usuario. Sin embargo, tener presente que aquellos modelos que emplean esquemasnumericos de tipo explıcito, (tipo Euler modificado, Leap–frog, etc) presentan limitacionesen la eleccion de los valores del incremento de tiempo de calculo, cosa que los modelos conesquema de tipo implıcito (Preissmann, Abbott–Ionescu, etc) no tienen esta limitacion.Esto no supone ninguna desventaja clara de unos frente a otros, sino que sencillamente esun hecho que el usuario ha de tener en cuenta al utilizar el modelo.

6. Capacidad de resolucion de todo tipo de redes, tanto malladas como arborescentes. Algu-nos modelos comerciales no son capaces de resolver redes de tipo mallado, con circuitoscerrados internos.

7. El proceso de calculo se inicia a partir de una condicion inicial que representa la situacionde la red y del deposito en el primer instante de calculo. Representarıa el estado conlos caudales de aguas residuales circulando por la red. En caso de colectores que solotransportan aguas pluviales, el modelo debe permitir la representacion de una condicioninicial de caudal y calado cero.

8. En el proceso de calculo se deben incluir las condiciones de contorno habituales, tanto detipo externo (caudales de entrada en cualquier punto de la red, condiciones de desaguevarias, etc) como de tipo interno (nudos de union de colectores, resaltos moviles, entradaen carga, etc.) y los elementos mas habituales de un deposito, desagues por orificio,vertederos, bombeos, etc.

9. Posibilidad de calculo de todo tipo de flujo, rapidos y lentos, ası como de la transicion entreambos. La topografıa de muchas redes de drenaje presenta un escalonado de pendientesen los colectores, de mayor a menor. Ası en las partes altas el flujo es de tipo supercrıtico(numero de Froude mayor que 1) y en las zonas cercanas a la salida de la red sera de tiposubcrıtico (numero de Froude maenor que 1). La transicion entre ambos flujos se realizamediante un resalto hidraulico que, dada la variacion temporal de los caudales de paso,sera movil. En el caso de los depositos de retencion, al suponer un flujo de velocidad cero,tambien genera un cambio de regimen en aquellas zonas de gran pendiente.

10. Resolucion simultanea de todos los puntos de la red, en cada instante de tiempo de calcu-lo. Algunos modelos comerciales resuelven primero un conducto para todo el tiempo deestudio, luego otro, y ası sucesivamente, en un proceso que se suele denominar en cascada,empezando por los conductos de aguas arriba y progresando hacia aguas abajo. De esemodo se agiliza el proceso numerico pero no se tienen en cuenta de forma correcta todaslas interacciones entre los conductos de la red. Se debe exigir que para cada instantede tiempo de calculo, se resuelvan las condiciones de flujo de todos los puntos de la redincluidos en el calculo.

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11. Debe ser capaz de simular la entrada en carga de los colectores de la red. Nos encontramoscada vez mas con redes de drenaje que presentan una gran insuficiencia de desague, porlo que en fase de diagnosis de una situacion existente sera muy frecuente que parte de lared pueda funcionar en presion. Existen dos procedimientos de formulacion del flujo enpresion: uno a traves del denominado movimiento en bloque (Dieguez, 1994) y el otro eldenominado como ranura de Preissmann (figura 3), que consiste en prolongar de formaficticia la seccion en su parte superior para mantener la existencia de una lamina libre,donde la altura de agua alcanzada por encima de la cota de coronacion de la seccion serıala altura de presion existente en cada punto.

12. El modelo debera poder incluir las tipologıas de seccion existentes en la red. Algunosmodelos se limitan a trabajar con un conjunto limitado de formas de seccion predefinidas,circulares, ovoides, etc. Si bien estas son las mas habituales, es posible encontrarse ennuestras redes, secciones de formas extranas y que suelen estar en tramos importantes.Para que el analisis hidraulico sea lo mas fiable posible, sera conveniente poder introduciren el calculo incluso esas secciones.

13. Para facilitar el analisis de resultados, es conveniente que el modelo disponga de algunmodulo de analisis grafico para hacer mas facil y rapida la evaluacion del estado de unared. Pensemos que el resultado de calculo son las variables de flujo, calado y velocidad, encada punto de estudio de cada colector y en cada instante de tiempo. Por ejemplo paraun caso de estudio llevado a cabo en la red de Barcelona, con 43 colectores y 935 puntosde estudio durante 4 horas, con intervalos de tiempo de estudio de 5 segundos, resulta untotal de mas de 8.000.000 de datos, cifra que hace absolutamente inviable su analisis anivel de listados o incluso de dibujo en plotter.

5 Modelos comerciales de calculo. Modelo SWMM

Existen numerosas opciones de modelos de simulacion, pero aquı nos centraremos en uno de ellosque cubre practicamente todas las demandas planteadas anteriormente, de contrastada solvenciaen el calculo, y que al ser un modelo de dominio publico es de acceso universal, lo que facilitamucho su utilizacion en la resolucion de estos problemas.

El modelo de gestion de la escorrentıa de aguas pluviales en zona urbana desarrollado por laAgencia de Proteccion del Medio Ambiente americana, EPA, recibe el nombre de Storm WaterManagement Model o SWMM, y se trata de un modelo de simulacion concebido para el estudiode eventos de lluvia aislados o para la simulacion a largo plazo (continuada) de series temporalesde precipitacion y sus repercusiones sobre las cuencas urbanas.

SWMM fue inicialmente desarrollado para la solucion de los problemas de inundacion enla zona de la bahıa de San Francisco a principios de los anos setenta. A partir de 1973, laEPA adquirio el programa inicialmente desarrollado por los consultings Metcalf&Eddy y CDMy encargo a la Universidad de Florida a traves de Wayne C. Huber el mantenimiento y laactualizacion del software. Posteriormente, al desplazarse el profesor Huber a la Universidad deOregon, la EPA transfirio el contrato de mantenimiento a dicha universidad.


SWMM es un modelo de calculo de redes de alcantarillado que simula todos los procesos delciclo hidrologico en zona urbana y actua sobre un conjunto de subcuencas que reciben la preci-pitacion registrada o las lluvias de proyecto definidas, y generan los hidrogramas de escorrentıapara cada subcuenca, ası como las cargas de contaminantes asociadas a esa esacorrentıa, por loque se puede decir en justicia que es un modelo tanto para estudios de cantidad (inundaciones)como de calidad y vertidos contaminantes al exterior.Las primeras versiones estaban desarro-lladas en Fortran y presentaban unod formatos de entrada y salida poco vistosos. Las ultimasversiones desarrolladas con esta filosofıa, hasta la 4.4 funcionaban de esta manera: un archi-vo de entrada de datos que se editaba previamente, una ejecucion del codigo SWMM y unosresultados finales que se escribıan en un archivo de salida y cuyo analisis se realizaba con uneditor convencional. No tenıa ninguna opcion de analisis grafico, por lo que aunque su empleoproporcionaba los resultados deseados, habıa una cierta reluctancia a su empleo por aquellos noiniciados en el tema por la falta de una interface grafica amigable.

A finales de 2004, la seccion de la EPA de Cincinatti y Camp Dresser-McKee presentaronuna nueva actualizacion de SWMM, la llamanda version 5.0 totalmente reformulada en lenguajeC y que incluye una interfaz de usuario GUI de uso muy intuitivo y que permite de maneramuy facil la entrada de datos y la salida de resultados. Esta nueva version es tambien co-mo las anteriores de dominio publico, y puede accederse a ella a traves de la web de la EPAhttp://www.epa.gov/ednnrmrl/models/swmm/index.htm y es en este momento sin ningun gene-ro de duda la mejor opcion para introducirse en los aspectos del calculo de redes de alcantarilladoy en concreto del analisis de depositos de retencion.

En el apartado de modelacion de vertidos contaminantes desde la red, se pueden representardiferentes procsos fısicos como la acumulacion de agente contaminantes en la superficie de laciudad, el arrastre por parte de la escorrentıa o washoff de esos materiales existentes en superficie,la reduccion de esos elementos acumulados en tiempo seco debido a limpieza de la calle, lareduccion de la carga asociada al washoff debida a la implementacion de buenas practicas degestion en superficie o BMP’S (Best Management Practices) y otros muchos efectos.

5.1 Opciones de calculo hidraulico

La parte de calculo hidraulico se puede realizar mediante dos tipos de aproximacion. La incluidade manera inicial en las primeras versiones de SWMM, la subrutina TRANSPORT, era unenfoque simplificado, que utilizaba la aproximacion de onda cinematica para el flujo en la red.Esta formulacion es adecuada siempre que las pendientes de los colectores sean elevadas, y el tipode flujo en la red sea predominantemente supercrıtico. Pero en caso de pendientes moderadas,tıpico de las partes bajas de la poblacion, no reproduce la hidraulica de la red de manera correcta,por lo que se desaconseja su empleo.

Existe la opcion de utilizar la subrutina EXTRAN (EXtended TRANsport)ya incluida desdefinales de los anos 70, que resuelve las ecuaciones completas de Saint Venant por lo que serecomienda su empleo en caso de analisis de depositos.El modelo EXTRAN emplea una filosofıamuy propia del diseno de rdes de alcantarillado ya desde su inicio. En la descripcion de lared, utiliza dos entidades basicamente, Nudos (NODES) y conductos (LINKS), entendiendo pornudo allı donde hay una conexion con el exterior, como por ejemplo un pozo de registro, y

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conducto el tramo existente entre dos pozos de registro. Este esquema es el que se emplea a lahora de calcular.En el nodo se aplica en exclusiva la conservacion de la masa, y en el conductola conservacion de la cantidad de movimiento. En el nodo se calcula solo la altura de laminade agua y en el conducto, solo el caudal de circulacion. De esa manera se dividen por dos elnumero de vriables, aumentando la eficiencia de calculo y reduciendo el tiempo de CPU.

La forma de las ecuaciones de Saint Venant que utiliza esta ligeramente modificada respectoa la de cantidad de movimiento.

∂Q

∂t+ gAIf − 2v

∂A

∂t− v2 ∂A

∂x+ gA

∂H

∂x= 0 (4)

La ecuacion de continuidad se expresa de forma explıcita de la siguiente manera

∂H

∂t=

ΣconductosQ

Anudo(5)

H i+1j+1 = H i

j+1 +ΣconductosQ

i

Anudo∆t

donde el sumatorio esta extendido a todos los conductos concurrentes en el nudo. La reso-lucion de estas ecuaciones se hace mediante un metodo de barrido simple, con un metodo deEuler modificado, de tipo explıcito.

6 Modelacion de un deposito

SWMM incluye entre las diferentes opciones y elementos de simulacion uno especialmente pen-sado para depositos de retencion. Si bien en las primeras versiones utilizabamos un nodo simpleal que le asignabamos un area grande, en la version 5.0 tenemos el elemento STORAGE UNIT

La definicion del mismo es muy sencilla, y se puede ver la tabla de datos en la figura. Hayque proporcionar como datos basicos, la cota de fondo (INVERT LEVEL), la maxima alturaque puede alcanzar el agua sobre el fondo (MAX. DEPTH), y la condicion inicial de calado deldeposito (INITIAL DEPTH). El segundo bloque de informacion es la superficie en planta deldeposito y su evolucion en altura. SWMM permite utilizar una funcion potencial para definir lavariacion de la superficie en planta del deposito con la altura de agua

Area = A(Nivel)B + C

donde se puedn suministrar los valores A,B y C. Casi cualquier deposito se puede encajarcomo una funcion potencial de este tipo. O bien es posible definir mediante una curva altura, areaen planta la forma del deposito (TABULAR CURVE). Esta ultima es la opcion mas recomendablepor lo sencillo de su manejo. Si bien la mayorıa de depositos suelen ser de tipo prismatico, enocasiones puede ser conveniente modificar su area en planta con la profundidad.


Figura 1: Esquema de tratamiento del deposito

El elemento admite otras opciones como por ejemplo que entren directamente hidrogramas enel deposito y no solo a traves de los conductos de entrada, o incluso representar el nivel de trata-miento (eliminacion de carga contaminante) que se produce en el deposito. Es extremadamentefacil manejarse con el elemento a traves de la interface intuitiva de SWMM 5.0

6.1 Elementos de salida del deposito

Sea el que sea el elemento de salida del deposito, orificio, etc. SWMM lo representa como unLINK, o conducto, ya que se produce una circulacion de caudal a traves del mismo. Para elSTORAGE UNIT, el codigo permite un numero cualquiera de elementos de salida por lo que sepuede simular facilmente orificios, aliviaderos de seguridad, vaciado por bombeo, etc. Vamos adescribir la forma de uso de cada uno de ellos.

6.2 Orificios

Es posible representar con este elemento el caso de un deposito con orificio de desague de area fijaNos permite dos opciones, orificio en el fondo del deposito (opcion TYPE: SUMP) o en cualquierade los muros laterales del deposito (opcion TYPE: SIDE). Solo acepta orificios circulares orectangulares. En el primer caso hay que indicar el diametro (en el apartado HEIGHT) y laaltura desde la base del deposito hasta la parte inferior del orificio (CREST HEIGHT). Enel caso de orificio rectangular, debe dase el ancho y el alto del orificio (HEIGHT y WIDTH)ası como la altura desde el fondo del depnosito hasta el orificio (CREST HEIGHT).

Q = CdA√

2gH

donde Q, es el caudal de salida, Cd el coeficiente de desague del orificio, que se debe estimarpor el usuario, A la seccion transversal del orificio y h la carga hidraulica del orificio, diferencia

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Figura 2: Orificio de fondo y lateral en SWMM

de niveles entre el del deposito y el del nodo siguiente. Internamente, SWMM utiliza estos datospara ubicar un conducto ficticio.

6.3 Vertederos de salida

Tanto si tenemos una salida tipo vertedero como para representar el vertedero de seguridad,podemos utilizar esta opcion. Tambien se consideran como un LINK, ya que transfieren caudaldesde el deposito a otro nodo. SWMM permite 4 tipos de vertedero:

FRONTAL RECTANGULAR

LATERAL

TRIANGULAR

FRONTAL TRAPECIAL

Figura 3: Vertedero frontal en SWMM

donde para cada uno se utiliza su correspondiente ecuacion de vertido, mas o menos aproximada.La mas habitual es utilizar el vertedero frontal, sea rectangulat o trapecial, y el aliviadero lateral.En el caso del aliviadero frontal (en el modelo lo denominan TRANSVERSE en ingles, peropreferimos mantener el nombre de frontal). Para caracterizarlos debemos proporcionar la altura


(HEIGHT) sobre la base del deposito, la longitud del vertedero (LENGTH), la altura maximaque puede alcanzar el agua antes del vertedero (CREST HEIGHT) y finalmente el coeficientede desague (DISCHARGE COEFF.)

6.4 Bombeo desde el deposito

Sea para modelar el vaciado del deposito o para representar un deposito cuya unica salida exteriores por bombeo, podemos recurrir a las opciones de SWMM. SWMM permite diferentes opcionesde representar una bomba, que sera considerado como un LINK entre dos nodos, unos de ellosel deposito de retencion. y el otro el pozo de salida. Las 4 opciones de representacion son lassiguientes:

Tipo I.

La bomba funciona desde un pozo de almacenamiento, normalmente al final del deposito yde manera que el caudal aumenta en relacion al volumen de agua que tengamos en el pozo dealmacenamiento.

Tipo II.

La bomba funciona desde un pozo de almacenamiento, normalmente al final del deposito y demanera que el caudal aumenta segun el nivel de agua existente en el pozo de almacenamiento.Representarıa por ejemplo la tıpica conexion de bombas en funcion de la cota de agua deldeposito.

Tipo III.

La bomba se considera como si estuviera instalada en serie conectando dos pozos de la red dealcantarillado, de manera que el caudal varıa de manera continua segun la diferencia de nivelesde agua entre los pozos de entrada y salida. Para simular esta situacion, proporcionamos lacurva caracterıstica de la bomba.

Tipo IV.

Permite simular bombas de velocidad variable, situadas como en el caso anterior entre dospozos de la red,

La puesta en marcha y la parada de las bombas puede ser controlada si se desea de maneradinamica a traves de las Reglas de Control (CONTROL RULES) definidas por el usuario enterminos de indicar los niveles a los que se conecta y desconecta cada una de las bombas.

Para definir cada una de las bombas que estan en la red, tenemos que indicarle los 2 pozosentre los que esta dispuesta, el nombre de la curva que utilizamos para definir la bomba (PUMPCURVE) y que habremos creado previamente, y la condicion inicial de la misma, es decir siesta apagada o encendida (por ejemplo bombeando aguas residuales).

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Figura 4: Bombeo en la red

6.5 Outlets o extraccion de caudal segun tabla definida por el usuario

En ocasiones puede interesar representar una extraccion de caudal en funcion del caudal deentrada, representando situaciones hidraulicas que no podemos modelar con ninguna relacionhidraulica. Es similar a la opcion DIVERSION que aparece en otro programa como HEC-HMS.Se deben proporcionar los nodos entre los que esta ubicado el link representado por este elemento,y la tabla correspondiente entre caudales de entrada por la red y el caudal de extraccion asociado.

6.6 Salida por compuerta regulada

Los elementos de regulacion anteriores representan elementos fijos de salida. Pero en ocasionespuede convenir una explotacion dinamica del deposito, donde en ocasiones se retenga mas omenos caudal. Por ejemplo, una compuerta de abertura variable. SWMM permite mediantela aplicacion de CONTROL RULES, simular la variacion de un orificio (cambio de area) o delvertedero (variacion de la altura de vertedero). Dentro de las control rules, se puede plantearuna variacion de la abertura segun sea el nivel de agua en un pozo aguas abajo de la red.Permite incluir de esa manera algoritmos de control locales sencillos, del tipo PID (Proporcional,Integral y Derivativo) aunque deben modelarse previamente y fijarse las aberturas de compuertasoptimas en funcion de esos niveles de agua de referencia. Este tema entra dentro de un nivelde explotacion mas avanzado del deposito, y se aleja algo de los criterios de diseno y calculo deldeposito mas habituales.

6.7 Otras versiones de SWMM o programas a utilizar en el calculo de deposi-tos de retencion

Aunque la version de SWMM de la EPA es practicamente el standard de calculo utilizado enmuchos paıses, e incluso se realizan reuniones anuales de usuarios del mismo, debido al libreacceso al mismo (gratis si se descarga desde alguna de las direcciones de Internet ) lo queha facilitado su difusion. durante anos el mayor inconveniente de su uso habıa sido el que


su entrada / salida de datos era poco amigable y las versiones Windows de dominio publicoeran poco fiables (se recomendaba encarecidamente no utilizarlas, desde diferentes tribunas porreconocidos expertos en drenaje urbano).

Empresas privadas o grupos de investigacion han desarrollado una serie de elementos, basi-camente en forma de programas de preproceso o postproceso para SWMM, o que han incluidoel codigo de calculo de SWMM en programas comerciales. Entre los mas conocidos tenemos:

• XP-Software, empresa australiana con delegaciones en USA, se ha dedicado a generarcon el codigo fuente de SWMM procedente de la EPA, un programa de tratamiento dedatos incial y de analisis de resultados finales. Se han introducido ciertas mejoras en elproceso de calculo hidrologico e hidraulico, de manera que se presenta con el nombre XP-SWMM, pero la base sigue siendo el mismo SWMM. El costo aproximado del programaestara sobre los 10.000 dolares (http://www.xpsoftware.com)

• MIKE-SWMM. El Danish Hydraulic Institute, si bien tiene su propio modelo de calculo,ha desarrollado un modulo de enlace de SWMM con un editor grafico similar al empleadoen MOUSE, para la entrada de datos y el analisis de resultados. Tambien existen modu-los que permiten enlazar MIKE-SWMM con un sistema de informacion geografica comoARCVIEW.(http://www.dhi-es.com)

• PCSWMM Desde 1984, la Universidad de Guelph en Ontario, Canada, ha desarrolladoun programa de calculo con modulos graficos, que incorpora SWMM como codigo decalculo. (http://www.chi.on.ca/pcswmm.html) Se trata de un modelo muy extendido porCanada y los Estados Unidos. Su coste es mucho menor que otros similares (del orden delos 500 dolares).

Pero como indicabamos antes, la EPA lanzo la nueva version de SWMM en entorno Windows,y ademas de dominio publico, SWMM 5.0. que recoge casi todas las caracterısticas del antiguoSWMM pero reformulado en un entorno de programacion C++ que convierte un modelo opaco yfarragoso de trabajo, en un modelo agradable y facil de manejar. Reune todas las caracterısticasbasicas hidrologicas e hidraulicas de otros modelos mas caros, y tan solo indicar que quizas suscapacidades de interaccion con GIS o bases de datos no es tan completa como en estos ultimos.Su sistema de menus permite mediante el procedimiento de arrastrar y soltar, crear un modelode cuenca en pocos minutos, con un entorno similar al de programas como EPANET (redesde distribucion de agua en presion) o como HEC–HMS (version 3.0 del conocido programahidrologico) y analizar sus resultados de forma rapida y eficiente.

MOUSE version para PC del modelo por el Danish Hydraulic Institute. Presentado en 1986,se trata en la actualidad de uno de los modelos con mayor penetracion en el mercado. Aello contribuye su concepcion a partir de un funcionamiento a base de menus autoexplica-tivos. Utiliza un metodo implıcito de solucion (esquema de Abbott–Ionescu). Considerala entrada en carga de los conductos, ası como realiza una aproximacion a la transicion deflujos mediante resalto, aunque no de forma completa. Dispone de unas salidas graficaspor pantalla que facilitan el analisis de resultados. MOUSE es un programa que inclu-ye ademas modulos de calculo de la lluvia de diseno y de estudio de la transformacion

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lluvia–escorrentıa. Se le han anadido en anos recientes otros modulos para el estudio dela contaminacion pluvial, posibilidades de control en tiempo real de la red, etc.

HYDROWORKS desarrollado por Wallingford Software, empresa del grupo Hydraulics Research–Wallingford, en Inglaterra, presenta una concepcion muy parecida a la de MOUSE. Es unmodelo que engloba todos los procesos de la hidrologıa urbana, lluvias, escorrentıa, etc.,pensado para desarrollarse en ordenador personal. Un sistema de menus autoexplicativoslleva al usuario a realizar el proceso de calculo, desde el principio al final. HYDROWORKSes una version reciente (1994) para redes malladas de un modelo previo, SPIDA y de otrodenominado WALLRUS, tambien de Wallingford Software, aunque este ultimo solo per-mitıa resolver redes de tipo arborescente. En la actualidad se ha desarrollado el programaINFOWORKS, que incluye todas las utilidades de un GIS para preparacion de datos y paraanalisis de resultados. Se trata junto con MOUSE de las opciones mas destacadas aunquetambien mas caras, estando los precios alrededor de los dos millones de pesetas versionesbasicas, coste que aumenta a medida que se anadedn modulos adicionales (transporte desedimentos, de contaminantes, etc)

CAREDAS – CANOE , desarrollado por la empresa SOGREAH, de Francia. Se tratabaen este caso del primer modelo comercial desarrollado ya en los anos 1973 y 1974. Esuno de los modelos completos mas interesantes desde un punto de vista de los procesoshidraulicos (empleo del esquema implıcito de Preissmann, simulacion de la entrada encarga), pero menos atractivo debido a que no incorpora moduos graficos de analisis dedatos. Es frecuente encontrarlo en universidades o centros oficiales, y no tanto por usuariosprivados, debido a ser un modelo bajo patente y a su precio de comercializacion. Hacepoco mas de dos anos, salio al mercado el programa CANOE, distribuido pr SOGREAH(http://www.sogreah.fr/) que sı incorpora utilidades graficas de pre y postproceso, lo quelo ha puesto a un nivel similar al de XP-SWMM, Mouse o Infoworks.

SOBEK–URBAN Un modelo de reciente aparicion en el mercado, desarrollado por DelftHydraulics, pensado para operar ya en un entorno GIS. Presenta un motor grafico muyavanzado y versatil, permitiendo la interaccion con otros modulos de simulacion. porejemplo SOBEK–RURAL para analisis de inundacion en llanuras fluviales, o estudiosde calidad de aguas superficiales. El modulo Urban, incluye 3 sub-modulos, calculo detransformacion lluvia - caudal, flujo en colectores y modulo de control en tiempo real.

SewerGEMS Desarrollado por Haestad Methods, permite el trabajo interactivo sobre Auto-CAD o ArcGis. Es un modelo tambien de reciente aparicion, y permite unas capacidadesmuy similares a las de otros presentados anteriormente.

MARA , se trata de un modelo no comercial, desarrollado en la Escuela de Ingenieros deCaminos de Barcelona. Apto para todo tipo de redes, malladas o arborescentes, utiliza unesquema explıcito de solucion (Metodo de las caracterısticas rectas). Simula la transicionmediante resaltos moviles, localizando cada resalto y siguiendolo por toda la red en sudesplazamiento. Aproxima la entrada en carga, mediante una prolongacion vertical de laseccion con un ancho ficticio, artificio similar al utilizado por los demas modelos. Disponea su vez de un modulo de analisis grafico de resultados muy potente, que permite visualizaren pantalla grafica el comportamiento hidraulico de cada conducto de la red. Carece demodulo hidrologico de solucion, pero en este momento se esta desarrollando una conexioncon HEC-HMS, de manera que se pueda usar este como modulo hidrologico y MARA


como modulo hidraulico. Este modelo ha sido utilizado para el estudio en regimen nopermanente de la nueva red de colectores del frente marıtimo de Barcelona, construidoscon motivo de los Juegos Olımpicos.

6.8 Modulos de calculo adicional que pueden incorporar

Algunos de los modelos revisados anteriormente presentan aparte de los temas de tratamientografico (importacion - exportacion de ficheros en diferentes formatos graficos o de base de datos)la posibilidad de analizar otros temas de interes ligados a las redes de alcantarillado.

Transporte de sedimentos: Acumulacion en superficie transporte a lo largo de la red.Hay que indicar que estos procesos son todavıa difıciles de calibrar. Las caracterısticas de lossedimentos, su granulometrıa y sobre todo el grado de cohesion de los mismos, condiciona elcomportamiento a nivel de red.

Acumulacion de contaminantes y calidad del agua en la red, SWMM, MOUSE,CANOE e INFOWORKS permiten estudiar la acumulacion en el tiempo de carga contaminanteen superficie de la ciudad, su arrastre por la lluvia y la propagacion y vertido al exterior. El temade estimar los polutogramas de vertido es sin duda uno de los mas importantes en un futuroproximo por las consecuencias sobre nuestros medios receptores, rıos o costas, de los vertidosdesde la red de alcantarillado en tiempo de lluvia.

Procesos de tratamiento y depuracion, SWMM permite aproximar el efecto de untratamiento fısico-quımico sencillo. MOUSE o INFOWORKS optan por dejar ese tema apartepara otros modelos de simulacion de plantas de tratamiento (STOAT, etc)

7 Consideraciones sobre la utilizacion de un modelo completoen el calculo de un deposito de retencion

Algunas de las consideraciones que haremos en este apartado se han dicho anteriormente. Pri-mero, insistir en la calidad de los datos de base que hay que suministrar al modelo completo.Esta en relacion directa con la confianza en los resultados finales del mismo. Datos de partidaadecuados de lluvia, de caudales de escorrentıa y de geometrıa de la red son indispensablespara sacar todo el partido posible a un modelo de simulacion. Si no se disponen de todas esascondiciones hay que pensar detenidamente si vale la pena realizar una simulacion de la red, y lafiabilidad que daremos a los resultados de la misma.

Segundo, la utilizacion de un modelo completo supone en muchos casos un volumen y untiempo de trabajo adicional del que el menos importante es el tiempo de calculo por ordenador.No es automatico sentarse ante la pantalla del PC y esperar que vayan saliendo resultados, puessi no se dispone de la topografıa de la red, hay que encargarla, analizarla e introducirla en elmodelo. El estudio de transformacion lluvia–escorrentıa se complica (ya no se trata de aplicar elmetodo racional) y aunque tambien se puede realizar con ayuda de un modelo numerico, surgendudas a la hora de escoger una serie de parametros.

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Y tercero, el aprovechamiento maximo de las capacidades del modelo requiere una persona oun equipo de trabajo dedicado a estos temas. Instalar el modelo supone un desembolso inicial,pero su explotacion requiere una atencion continua para conocer las capacidades y limitacionesde todos los modelos.

La necesidad de estimar una serie de parametros que el programa pide hace que se recurraen demasıa a la opcion por defecto en el programa. Muchas veces desconocemos el valor, nisiquiera aproximado, de alguno de los coeficientes que nos pide. Y claro, la opcion de darlea la tecla return a veces es una tentacion demasiado grande. El maximo aprovechamientode las capacidades de estos programas se obtiene cuando se introduce como se ha dicho antes,”informacion fiable”. Y esa informacion es fruto de mediciones, bien geometricas o topograficas,o bien hidrologicas o hidraulicas. Ningun dato sacado de una tabla de un manual de usuario o deun libro puede mejorar el inapreciable valor de un dato medido in situ. El mayor rendimiento enla utilizacion de estos programas de calculo se obtiene cuando se conjugan su empleo con medidasde campo, especialmente las de lluvia y caudal asociado, que permiten extraer conclusiones deprimera mano sobre el comportamiento de la red.

Pero una vez introducida la informacion, es una herramienta inapreciable que nos permiteprobar ciento y mas opciones de diseno. Podemos ”jugar”y ver el efecto de aumentar o reducirla altura del vertedero, el area del orificio, etc. y recibir de manera inmediata la respuesta a esapregunta. Incluso en fase de diseno, podemos realizar un esquema simple de la red y probar conhidrogramas aproximados el efecto de un posible deposito, tantear areas en planta, controles desalida de caudal, etc.

Entre los beneficios que podemos observar en el uso de un codigo de calculo para el analisisde redes de alcantarillado y depositos de retencion en particular, se encuentran toda una seriede fenomenos que solo pueden ser descritos mediante flujo no permanente:

• Atenuacion de caudales, reduccion del caudal punta a medida que los hidrogramas decaudal se propagan por la red.

• No unicidad entre calados y caudales. Especialmente para colectores con pendientes re-ducidas, la evolucion de caudales y calados en una seccion sigue una relacion en forma debucle. Ası durante la fase de aumento de caudales de paso se producen menores niveles deagua asociados a un caudal determinado que durante la fase de decrecimiento de caudales,para ese mismo caudal. Este fenomeno es tanto mas acusado cuanto mas reducida es lapendiente del colector. Esto es importante sobre todo para los colectores de salida y losefectos que el hidrograma de salida del deposito pueda producir.

• Empleo como condicion de diseno para nuevos colectores de la envolvente de calados maxi-mos que se produce. En cada punto de calculo de cada colector de la red se toma el valormaximo alcanzado por el calado a lo largo de todo el suceso de estudio. Dicho valor maxi-mo se produce en un instante de tiempo determinado que no tiene por que coincidir conel instante en que se produce elcalado maximo en otro punto de calculo. Al considerartodos los calados maximos alcanzados en cada punto (definicion de envolvente) estamosgarantizando que el perfil de lamina de agua que se ha producido en cualquier instante enel colector esta por debajo de esa curva envolvente. Hay que aclarar que esta envolventeno representa el perfil de lamina de agua para ningun instante determinado sino que se


Figura 5: Bucle de evolucion calado/caudal

construye a partir de los calados maximos en cada punto.

• Es el unico procedimiento que tiene en cuenta una caracterıstica muy importante de loshidrogramas de caudal: el volumen de escorrentıa. Calculos hidraulicos en regimen per-manente para hidrogramas con igual caudal punta pero con diferente tiempo base (y portanto con diferentes volumenes de agua asociados), solo consideran el caudal maximo ypor tanto no diferiran en nada en su resultado. Sin embargo, calculos en regimen nopermanente para cada uno de ellos pueden diferir de forma sustancial. Los efectos dealmacenamiento dentro de la propia red empezaran a jugar un papel no tenido en cuentahasta ahora. Se convierte en la unica alernativa para el correcto analisis de depositos deretencion y volumenes de inundacion.

A la vista de la situacion de cada red y de las disponibilidades existentes en cada administra-cion respecto a los datos disponibles, etc. se debe escoger el procedimiento de analisis hidraulicomas adecuado a la red objeto de estudio, incluyendo en la misma la posicion del deposito paraobtener una vision integrada del comportamiento global sel sistema. Existen herramientas defacil acceso y relativamente faciles de manejar que permiten realizar dicho analisis de maneraplenamente satisfactoria.

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Depósitos para retención de primera escorrentía. Criterios de diseño y operación.

Beniamino Russo1,2, Pere Malgrat Bregolat3, David Suñer Roqueta3

1Escuela Universitaria Politécnica de La Almunia (EUPLA), Universidad de Zaragoza

2Grup de Recerca FLUMEN, Universitat Politècnica de Catalunya 3CLABSA Clavegueram de Barcelona S. A.

1. Introducción Tradicionalmente, las inundaciones asociadas a problemas de capacidad de las redes de alcantarillado han centrado la atención de los responsables municipales. Pero en los últimos años el problema de la calidad de las aguas de los medios receptores ha ido cobrando mayor importancia en buena parte debido a la aprobación de la Directiva Marco del Agua. Para resolver este problema no se pueden centrar todos los esfuerzos en la construcción de depuradoras y en el tratamiento de las aguas residuales, pues aproximadamente un 50 % de la contaminación vertida al medio receptor proviene de estos vertidos en tiempo de lluvia. Pasa en muchas ocasiones, que los logros conseguidos mediante la construcción de depuradoras y el tratamiento de las aguas en tiempo seco quedan anulados por estas descargas. En el caso de una red unitaria de saneamiento, que es una red diseñada para recoger y conducir hacia un determinado punto la suma del caudal de aguas residuales y de aguas de lluvia, estos vertidos, llamados “Descargas de Sistemas Unitarios” (DSU) (“Combined Sewer Overflows – CSOs”) contienen no solo agua de lluvia sino residuos industriales y domésticos , materiales tóxicos, microorganismos patógenos, nutrientes y metales que tienen unos efectos muy nocivos sobre el estado ecológico de las aguas superficiales. Durante los días anteriores a un evento de lluvia se produce un proceso de acumulación de carga contaminante en superficie. Se considera que intensidades menores de 0.013 mm/h no interrumpen este proceso. Esta acumulación se debe a diferentes fuentes de contaminación, entre las que cabe destacar:

- Restos orgánicos de vegetales y animales domésticos

- Restos sólidos de basuras y lixiviados de éstas

- Sustancias químicas procedentes de procesos industriales

- Compuestos y sustancias en suspensión que han precipitado

- Residuos tóxicos procedentes de emisiones de vehículos

Durante un suceso de lluvia, el agua arrastra todos estos elementos transportando la carga contaminante hacia la red y evacuándola hacia el medio receptor. Además, al producirse una lluvia, el nuevo caudal puede llegar a resuspender todo o parte del material sedimentado en las alcantarillas, originando en las primeras parte de la tormenta elevadas concentraciones contaminantes que pueden verterse al medio receptor en los aliviaderos; a este fenómeno se le conoce como primer lavado (en la literatura anglosajona first flush). En EEUU se estima que más del 80 % de los

problemas de contaminación de los medios acuáticos se debe a estas escorrentías urbanas. La importancia de la contaminación vertida por las aguas pluviales ha quedado demostrada en estudios como el PROMEDSU (“Programa Nacional Para la Medida de la calidad de las descargas de los sistemas de alcantarillado unitarios hacia los medios receptores” ) donde se indica que los vertidos en tiempo de lluvia puedan aportar hasta un 50% de la contaminación que llega a los medios receptores (repartida entre un 25% procedente de la escorrentía y otro 25% procedente de los sedimentos depositados en el alcantarillado). 2. Contaminantes presentes en los vertidos Existen numerosas substancias en el agua que producen una alteración inaceptable en especies animales, plantas, etc. que viven en los medios receptores. La cantidad de estas materias en el agua se puede considerar como un índice de calidad. Estas sustancias se pueden clasificar en:

1. Sedimentos:

Los efectos de los sedimentos son un aumento de la turbidez del agua, reduciendo la transmisión de la luz y el crecimiento de la flora, acumulación en el lecho limitando la zona de puesta de los peces, alteración de la cadena alimenticia y alteración estética del medio. Estos son importantes porque las sustancias químicas están muchas veces adheridas a partículas muy finas de tamaños inferiores a 100 µm. Se clasifican en

a) Sólidos en suspensión /sólidos disueltos: se distinguen por filtración en fibra de vidrio

b) Sólidos volátiles / no volátiles: se distinguen por desaparecer a temperatura de 550º durante una hora.

2. Sustancias con demanda de oxígeno:

El oxígeno disuelto en el agua (DO) se consume en parte por las reacciones de oxidación de materia orgánica. El oxígeno eliminado se repone a través del aporte atmosférico y a través del O2 generado por algas y vegetales. Si la producción de O2 no compensa su consumo los niveles de oxígeno se pueden reducir por debajo de los umbrales de supervivencia de las especies. Se mide directamente como DO o de forma indirecta como DBO5, DQO y TOC

3. Indicadores biológicos u organismos patógenos:

El agua de escorrentía puede contener cantidades importantes de bacterias y virus patógenos. Así se usan indicadores de su presencia como por ejemplo: CF (Coliformes Fecales), CT (Coliformes Totales), EC (Escherichia Coli), EI (Enterococos Intestinales), etc.

4. Nutrientes:

Son sustancias químicas que estimulan el crecimiento de algas y plantas. Los nutrientes básicos son C, N, y P. Este crecimiento excesivo puede provocar disminución de DO en la noche debido a la respiración nocturna, aumento de algas en superficie, olores molestos, coloración del agua, etc.

5. Metales pesados:

Procedentes del agua de escorrentía casi siempre, pueden provocar daños letales por encima de unas concentraciones umbral. Los metales que se controlan normalmente son Pb, Cu, y Zn. Otros pueden ser As, Ba, Cd, Cr, Fe, Mn, Hg, Ni.

6. Otras sustancias tóxicas:

Pueden aparecer en el agua como resultado de un vertido tóxico. Algunos habituales son compuestos tóxicos, fenoles, pesticidas y herbicidas, aceites, grasas, cloruros, etc. 2.1 Concentraciones habituales de contaminantes en DSU y en DSP Existen diferentes fuentes de información sobre campañas de medidas y de concentraciones de contaminantes de los vertidos de sistemas unitarios (DSU) y pluviales (DSP) en distintos países (USA, Francia, España). Cabe destacar los valores de concentraciones medias durante un suceso (CMS) obtenidos en el estudio del PROMEDSU que se adjuntan en la siguiente tabla:

Tabla 2.1 - Concentraciones medias de varios contaminantes según el PROMEDSU

3. Medidas para el control de los vertidos durante un suceso de lluvia Existen diferentes técnicas para limitar los vertidos de un sistema de alcantarillas y controlar el grado de contaminación en los medios receptores. Las técnicas de gestión de la escorrentía urbana se pueden clasificar desde numerosos puntos de vista. En la literatura nos encontramos con clasificaciones diferentes. Dos de las clasificaciones más coherentes son las que se presentan a continuación:

1. Según el grado de intervención de la estructura en la red

a) Medidas no estructurales: son aquellas que no precisan una actuación en la estructura de la red y por tanto no requieren inversiones elevadas (pavimentos porosos, almacenamiento en las cubiertas, limpieza viaria, almacenamiento en las propias conducciones existentes, etc.)

a) Medidas estructurales: son aquellas en las que es preciso operar en la estructura de la red o en la depuradora.

2. Según el lugar del sistema de alcantarillado donde se apliquen:

a) Control en origen: son aquellas medidas que se aplican a elementos del sistema de drenaje previamente a su incorporación a la red de saneamiento.

b) Control de vertidos (o aguas abajo): son aquellas medidas que se aplican en la red de alcantarillado o en la EDAR.

Generalmente las medidas no estructurales coinciden con el control en origen; por su parte las medidas estructurales lo hacen con el control de vertidos. 3.1 Medidas no estructurales o control en origen Las medidas no estructurales en la superficie de la cuenca, generalmente no requieren inversiones elevadas. Son ejemplos de esos sistemas los pavimentos porosos que evitan la entrada de la escorrentía en el sistema de saneamiento, dirigiéndola hacia las capas subyacentes; la retención y almacenamiento de volúmenes de agua en azoteas que demoran la entrada de la escorrentía en la red o los drenes con superficie vegetal que permiten reducir la punta del hidrograma de escorrentía y aumentar la infiltración del agua pluvial en el terreno. Otras medidas no estructurales suponen la realización de diseños adecuados para minimizar la acumulación de contaminantes en las calles y en las pequeñas estructuras de unión entre la superficie drenante y la red de alcantarillado. La adopción de estas medidas disminuye las cargas contaminantes de la escorrentía de agua pluvial, por lo que también disminuyen las cargas contaminantes de los reboses aunque normalmente no se consigue una reducción sustancial. La aplicación de estas medidas en una escala precisa para controlar los reboses, es impracticable en muchas ciudades debido al nivel de desarrollo y ocupación existente en las mismas. Sin embargo pueden ser necesarias en construcciones o desarrollos futuros evitando el aumento de caudales de agua pluvial en el alcantarillado unitario. La aplicación de controles puede lograrse mediante la incorporación de medidas apropiadas en las cuencas recurriendo a ordenanzas municipales y mediante una revisión estricta de los planes de desarrollo propuestos.

En general, las medidas no estructurales pueden afectar a la cantidad y concentración de los contaminantes en los reboses, pero se debe ser realista y no confiar solamente en ellas para lograr una reducción considerable en las cargas contaminantes o en la mejora estéticas de las aguas (Equipo de Calidad de Aguas, 1994). 3.2 Medidas estructurales o control de vertidos aguas abajo Las medidas estructurales son aquellas medidas que se aplican en la red de alcantarillado o en la estación de depuración y generalmente requieren inversiones elevadas. Son actuaciones frecuentes tanques o túneles de retención de las primeras aguas de lluvia (primer lavado o first-flush) y en estos casos, una particular atención se debe dedicar al diseño de los aliviaderos. 4. Depósitos de retención de primera escorrentía 4.1 Depósitos y Aliviaderos Una red unitaria de saneamiento se dimensiona para recoger y conducir hacia un determinado punto la suma del caudal de aguas negras y de lluvia. El volumen de aguas de lluvia, en general, es muy superior al de aguas negras. En ciertos puntos de la red se disponen aliviaderos; estos dispositivos permiten sacar fuera de la red de alcantarillado el volumen de agua que supera un cierto umbral. Los aliviaderos se pueden clasificar en frontales y laterales Los laterales permiten el vertido de las aguas perpendicularmente a la dirección del flujo principal; los frontales permiten el vertido en la misma dirección que el flujo principal. En las redes de saneamiento los aliviaderos frontales se suelen presentar asociados con un depósito en donde se almacena el gua; si el caudal entrante es suficiente se llegará al umbral del aliviadero y rebosará. Los depósitos de almacenamiento también llamados de tormenta o de retención, se dimensionan para alcanzar dos objetivos: control de caudal en el sistema y control de la contaminación vertida en el aliviadero. Los depósitos cuyo objetivo es el control de la contaminación vertida al exterior, se diseñaron históricamente con un criterio de dilución, según el cual las aguas negras debían verterse mezcladas (diluidas) con una cierta cantidad de agua de lluvia supuestamente limpia. Hoy en día el control de la contaminación vertida por los aliviaderos debe hacerse mediante sistemas de control y tratamiento de vertidos. Los depósitos de almacenamiento pueden clasificarse atendiendo a su disposición en la red de saneamiento. Así, pueden situarse antes (depósitos en superficie) o en la propia red de alcantarillado. Estos últimos se pueden dividir, a su vez, en:

- Depósitos en línea. Son aquellos por los que siempre pasa el agua procedente de aguas arriba del sistema;

- Depósitos fuera de línea (en paralelo). Entran en funcionamiento cuando en un punto prefijado de la red se supera un cierto umbral de caudal. En ese instante parte del agua es conducida al depósito fuera de línea. Cuando el aguacero cesa, el agua almacenada se dirige, de nuevo, a la red de saneamiento situada aguas abajo.

El tanque en serie o en línea, en general, es más económico y el flujo sigue la dirección lógica del colector. En cambio presenta el inconveniente de que en caso de lluvias de

intensidad baja toda la superficie del tanque entra en funcionamiento, produciéndose sedimentaciones que es necesario evitar, bien con una limpieza manual o automática. En cambio, el tanque en paralelo tiene mucho mejor resuelto este problema, ya que para pequeñas lluvias la superficie mojada se reduce de forma importante y, por tanto, no es necesario un sistema de limpieza en esta cámara. La elección de una tipología u otra depende de la importancia del tanque (volumen a retener) y de las posibilidades de ubicación de ambas opciones. Los depósitos en superficie son los situados antes de la red de alcantarillado. Se pueden dividir en secos o permanentes según que el agua se presente sólo durante las lluvias o de forma constante. Pueden estar en línea o fuera de línea. Cuando se elige la opción de depósitos de retención como medida de calidad de los medios receptores se debe tener en cuenta un factor importante: la capacidad de la planta depuradora. No obstante esta medida represente la solución más eficaz en términos de reducción de contaminantes, la capacidad de las EDAR en una ciudad puede no estar dimensionada para un adecuado vaciado de todos los depósitos de primer lavado. Históricamente, el criterio de diseño de un aliviadero se ha basado en la dilución. La hipótesis básica de este método es que las aguas de lluvia procedente de la cuenca están limpias. A lo largo de la red de alcantarillado se mezcla el agua residual y el de lluvia. El aliviadero se calcula para conseguir la relación de dilución de diseño en el instante en que se alcanza el umbral de vertido del aliviadero. En el momento en que se inicia el vertido, tanto el caudal que sale al exterior como el que sale por el orificio de desagüe presentan la misma dilución, que es la de diseño. Una dilución de cuatro veces, por ejemplo, significa que en el rebose están presentes una parte de agua residual y tres parte de agua de lluvia. Debido a la calidad de las aguas de lluvia, este criterio de diseño no es claramente justificable ante la protección del medio receptor. En particular pueden hacerse dos objeciones importantes:

- Las aguas de lluvia distan mucho de carecer de contaminantes, por lo que, en modo alguno puede adoptarse el criterio de lluvia limpia o de dilución con agua de lluvia;

- ¿Qué valor debe adoptarse para la dilución en el diseño de un aliviadero concreto? No es posible dar un valor fijo, ya que éste depende de las características de la cuenca drenante, de la red y del medio receptor.

Estas dos objeciones imposibilitan el diseño según el concepto clásico de dilución, sin un estudio local más detallado. Dependiendo de la bibliografía consultada, el valor de la dilución de diseño varía notablemente. Las cifras habituales oscilan entre 2 y 7. Camp (Camp, 1959) menciona valores que van de 2 a 5; Paz Maroto y Paz Casañé (Paz Maroto y Paz Casañé, 1968) dan un valor fijo de 5; las normas alemanas (Pecher, 1992) especifican una cuantía de 7; y en el Reino Unido se da el valor 9 para los aliviaderos de reciente construcción. 4.2 Problemática de los depósitos de primer lavado Los depósitos de retención son elementos estructurales que consisten en dedicar una cierta superficie de terreno, con su correspondiente capacidad de almacenamiento, para retener parte del volumen del hidrograma de caudal de escorrentía y reducir por laminación y almacenamiento los caudales que se presenten.

En el caso particular de depósitos de retención anti-DSU, el estudio de la reducción del impacto contaminante sobre los medios procedente de los vertidos de la red de drenaje en tiempo de lluvia, debe abordarse analizando de forma conjunta los aspectos de cantidad y calidad del agua. Aspirar a que el 100% de las aguas de escorrentía urbana se depuren antes de su vertido no es practicable, dado que deberíamos diseñar unas instalaciones de tratamiento y depuración varias decenas de veces superiores a las que ya tenemos. Sirva como ejemplo que la capacidad de tratamiento de la estación depuradora del Besós, en Barcelona, tiene una capacidad del orden del 10-12 m3/s mientras que el caudal punta producto de la escorrentía urbana para un periodo de retorno de 10 años en la zona servida por dicha planta de tratamiento es cercano a los 500 m3/s. Pero debemos analizar la distribución en el tiempo de la carga contaminante transportada por el caudal de escorrentía y determinar si existe el fenómeno de primer lavado de la superficie de la ciudad (first flush). Si ello es así, tal vez sea planteable la posibilidad de almacenar si no toda el agua de escorrentía, sí al menos la primera que transporta una carga contaminante superior. Dicho fenómeno puede ser más acusado en zonas que presenten precipitaciones con grandes intensidades de lluvia en pocos minutos. En este caso un almacenamiento de volumen moderado puede ser una estrategia de control de la contaminación vertida al medio. Por esta razón se puede plantear el almacenamiento de los primeros volúmenes de agua en un depósito construido a tal efecto. Dicho depósito puede disponerse bien intercalado en línea en la red (almacenamiento on-line) o bien aparte, en paralelo, donde el agua debe llegar después de sobrepasar una estructura de interceptación (almacenamiento off-line). El esquema de funcionamiento en los dos casos es muy similar. Por ejemplo, para la operación de un depósito en línea, el agua en tiempo seco atraviesa el depósito y se dirige a la planta de tratamiento. Por el contrario, en tiempo de lluvia, al aumentar el caudal de paso existe un elemento de regulación que limita el caudal que va hacia la planta de tratamiento, almacenando el sobrante. Cuando el depósito se llena, existen estructuras en forma de aliviadero que permiten verter al medio receptor el caudal que llega por la red de drenaje. Una vez que ha dejado de llover, se irá vaciando poco a poco el depósito de retención, cuyas aguas se dirigirán a la planta de tratamiento. La forma de operación de un depósito en paralelo es similar, sólo que el agua entra en dicho depósito cuando se supera un cierto caudal de paso por la red por lo que en tiempo seco dicho depósito está vacío. De esa manera se retienen los primeros volúmenes de escorrentía, y podemos mitigar en parte el impacto sobre el cauce de vertido. Normalmente en estos casos el vaciado del depósito debe hacerse con ayuda de un grupo de bombeo. 5. Métodos de dimensionamiento de depósitos de retención de primera escorrentía El parámetro más importante que regula el diseño de un tanque de retención de primera escorrentía es su volumen y el área en planta que ocupa. Este volumen depende inicialmente del caudal de salida hacia el interceptor general (este es el colector que recibe los vertidos de los tanques de retención y los traslada hasta la estación de depuración), de la pluviometría de la zona y del número de vertidos que permitamos en el medio receptor.

5.1 Método Inglés (British Standard 8005) En cuanto al volumen del tanque de tormenta, la filosofía de esta normativa es que este volumen sea capaz de retener la contaminación producida por la primera lluvia como mínimo. Así, se señala que este volumen corresponde al necesario para que una lluvia de 20 minutos de duración y con una intensidad de 10 l/s/ha no produzca vertidos por el aliviadero de tormenta. Considerando esta normativa, el volumen de depósito así calculado resulta ser de 12 m3 por hectárea impermeable. En cuanto al caudal de salida hacia la estación de depuración, la British Standard 8005 (British Standard Sewerage, 1987) define un caudal dado por la siguiente fórmula:

TSI QQPQ ++= 286400·365.1

siendo: Q = caudal (l/s) P = población QI = caudal industrial (l/s) QTS = caudal medio en tiempo seco urbano (l/s) Es decir, que sobre la base de una dotación de 250 litros por habitante y día permite una dilución del orden de 5.5 a 1. Esta fórmula es similar a la usada en el norte de España (Confederación Hidrográfica del Norte) de 20 l/s por cada 1.000 habitantes (Redondo, 1997). La fórmula inglesa se empleó en Liverpool por primera vez en los años cincuenta. Supone llevar un importante caudal hacia la depuradora, lo que permite disminuir el volumen de los tanques de retención. En general crea problemas a la entrada de la estación de depuración, ya que obliga a que el tratamiento primario se diseñe para estos caudales, mientras que el secundario se suele diseñar para el caudal punta en tiempo seco, del orden de 2 a 2.5 veces el caudal medio en tiempo seco 5.2 Método Alemán (Norma ATV-128) Según la normativa alemana ATV-128 (Standards for the dimensioning and design of stormwater overflows) (ATV, German Association for Water Pollution Control, 1992). el caudal de diseño de la estación de depuración y, por tanto, del interceptor, viene dado por la fórmula:

ipxCW QQQ += 2

siendo: QCW = caudal derivado hacia el interceptor Qpx = caudal medio del día de máximo consumo Qi = caudal de infiltración

En relación al volumen de los tanques de tormenta, la norma alemana varía respecto a la norma inglesa proponiendo en lugar del valor de 10 l/s/ha un abanico entre 7.5 y 15 l/s/ha impermeable que varía en función del tiempo de concentración de la cuenca. Para tiempos de concentración inferiores a 120 minutos, la lluvia crítica viene dada por la fórmula:

120120

·15+

=ct

lc

siendo: lc = lluvia crítica en l/s y ha impermeable tc = tiempo de concentración, en minutos para tc > 120 minuto: lluvia crítica = 7.5 l/s y ha impermeable La gráfica siguiente muestra la relación entre las intensidades de la lluvia crítica y el tiempo de concentración.

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

0 15 30 45 60 75 90 115 120 135 150 165 180

Tc (min)

inte

nsi

dad

crí

tica

(l

/s/h

a)

ATV 128

Figura 5.1 - Criterio para calcular el volumen de un tanque de primer lavado (ATV-128)

El volumen de un tanque de tormenta así calculado oscila entre un mínimo del orden de 5 m3/ha impermeable hasta un máximo de 40 m3/ha impermeable. Un valor normal oscila entre 15 y 20 m3 por hectárea impermeable. Pero además de este volumen mínimo que consigue evitar la contaminación producida por la primera lluvia, si se quiere reducir el caudal que va hacia la estación de depuración es necesario ampliar la capacidad del tanque de tormenta. Para conocer este nuevo volumen, la norma ATV-128 marca una metodología basada en el principio que la contaminación vertida por el tanque de tormenta más la vertida por la estación de depuración correspondiente al caudal de lluvias no debe ser superior a la contaminación producida por un sistema separativo de agua pluvial, a nivel de valores medios anuales. Con base en esta hipótesis se desarrolla un método de cálculo que depende de la relación entre el caudal medio anual de alivio de un tanque de tormenta y el caudal medio en tiempo seco. Es decir, de la contaminación que pueda traspasar el caudal de agua residual al caudal de agua pluvial durante una lluvia.

5.3 Método Austriaco (Norma ÖWWW Regelbatt 19 del 1987) La norma ÖWWW Regelbatt 19 (1987) (la equivalente austriaca de la ATV-A128) fija el valor de 15 l/s/ha impermeable para el diseño de medidas anti-DSU como depósitos de retención de primer lavado. Si el medio hídrico receptor puede presentar eventuales problemas de dilución de los contaminantes o tiene una particular importancia este valor mínimo será de 30 l/s/ha impermeable. Como en Alemania, el diseño de un depósito de retención se basa sobre la hipótesis de retener el first flush. Se consideran dos tipos de depósitos:

- catch tanks (fuera de línea) a menudo posicionados en la periferia de la cuenca

- flow-through tanks (en línea)

Para el diseño de depósitos, se específica un volumen mínimo de 15 m3/ha impermeable. Cuando se requiere una protección más eficaz debido a la importancia del medio receptor, la OWWV Regelbatt-19 sugiere los valores de 20-26 m3/ha impermeables para depósitos non en línea y 45 m3 /ha impermeable para depósito en línea. La norma no permite depósitos con volúmenes totales menores de 50-100 m3. 5.4 Métodos franceses En Francia, a pesar de los numerosos estudios y depósitos realizados, no existe una metodología o una normativa general que se aplique. Una referencia (Temprano J. et al., 1998) ofrece una serie de valores en relación con específicas tipologías de contaminantes. En particular se habla de un intervalo entre 100 y 200 m3 por hectárea impermeable si nos referimos a sedimentación o a resuspensión de sólidos (Bachoc et al., 1993), de un intervalo entre 200 y 300 m3 por hectárea impermeable si nos referimos a descargas de nutrientes (Hvitved-Jacobsen et al., 1987), entre 31 y 68 m3 por hectárea impermeable si consideramos sólidos en suspensión (Saget et al., 1995). En esa misma referencia (Temprano J. et al., 1998), los autores obtuvieron datos también en relación con la seguridad de las especies en los medios receptores. En particular obtuvieron valores entre 60 y 150 m3 por hectárea impermeable para garantizar la presencia de salmónidos, y entre 0 y 6 m3 por hectárea impermeable para garantizar la presencia de cipriánidos. Otro interesante estudio, desarrollado en Francia, propone un criterio de diseño según la eficiencia que a la estructura se requiera (Saget et al., 1995). En particular, considerando los contaminantes de sólidos en suspensión y de BOD5 se definen los procedimiento para dimensionar los depósitos según el porcentaje de las cargas contaminantes que se pueden admitir. Volumen Almacenado

in m3/ha.imp. Masa (en %) de contaminante

interceptada anualmente Masa (en %) de contaminante

interceptada durante los eventos críticos

20 36-56 5-15 50 57-77 13-34 100 74-92 26-74 200 88-100 60-100

Figura 5.2 - Tabla de comparación de las eficiencias obtenidas para la interceptación de sólidos en suspensión.

5.5 Métodos italianos En Italia comúnmente los depósitos de retención anti-DSU se dimensionan utilizando el valor de 50 m3 por hectárea impermeable. Según algunos estudios recientes se ha comprobado que para alcanzar una frecuencia de vertido por año de algunas unidades se deben retener grandes volúmenes en un rango entre 200 y 300 m3 por hectárea impermeable. Otros resultados han demostrado que valores muy altos de volúmenes de retención no se justifican considerando el ratio beneficios / inversión y que el valor óptimo en este sentido se da alrededor de los 50 m3 por hectárea impermeable. Un estudio del Mignosa (Mignosa et al., 2005) demostró que aplicando la Normativa anti DSU de la región de Lombardia que prevé la retención de los primeros 5 mm de lluvia caída, se registraban todavía decenas de graves eventos de vertidos a los medios receptores. Los resultados del estudio proponen la retención de volúmenes del orden de cientos de mm. La cantidad de 300 m3/ha resultó reducir sensiblemente la frecuencia de los vertidos. Calomino et al. (2004) a través de un estudio experimental en una cuenca del Sur de Italia (Cosenza) demostraron que capacidades del orden de 100-150 m3/ha daban reducciones sensibles en términos de frecuencia de eventos de vertidos, de volúmenes de vertidos y de masas de contaminantes. En otro estudio Milano et al. (2005) en un estudio basado sobre una serie de 25 años de lluvias y sobre observaciones de la calidad de los medios receptores aplicando el modelo SWWM, llegaron los siguientes resultados: Retención de 50 m3 por hectárea impermeable ? 37% de reducción de los volúmenes vertidos Retención de 250 m3 por hectárea impermeable ? 80% de reducción de los volúmenes vertidos Otro interesante ratio en términos de masa de contaminante lo proponen Artina et al. (2002). Según este estudio reteniendo un volumen de 25 m3 por hectárea impermeable se retiene el 50 % de las masas de contaminantes presentes durante episodios de lluvia. Bornatici et al. (2003) proponen los resultados de un estudio sobre una cuenca experimental (Cascina Sala) y ofrecen datos en términos de frecuencia (número de eventos por año) y de volúmenes de vertidos. Según este estudio a través de la retención de un volumen de 25 m3 por hectárea impermeable se alcanza el resultado de una reducción del 50 % tanto como números de vertidos como volúmenes de descargas. 5.6 Método de la Confederación Hidrográfica del Norte En España, la Confederación Hidrográfica del Norte propone, como unidad de medida de depósitos anti-DSU, un orden de magnitud entre 4 y 9 m3/ha impermeable dependiendo de la densidad demográfica de la cuenca. En cuanto al caudal de salida hacia la estación de depuración, la Confederación propone el valor de 20 l/s por cada 1000 habitantes y eso es un valor muy similar al señalado por la British Standard 8005. La filosofía de este método es la de conseguir la laminación de los fuertes caudales que producen las lluvias en las redes de alcantarillado, con el objetivo doble de poder ser transportados hacia las plantas de tratamiento, y de ser tratados en dichas instalaciones sin alterar de forma sustancial su funcionamiento normal.

El criterio seguido, en Asturias, para el dimensionado de la cámaras de retención de los aliviaderos, es que sea capaz de retener los caudales entrantes correspondientes a una lluvia de 10 l/ha y de 20 minutos de duración. Todos los aguaceros que produzcan caudales iguales o inferiores a dichas lluvias, no producirán vertidos a los cauces. 5.7 Otras metodologías utilizadas en España En el PECLAB’97 (Plan Especial de Alcantarillado de Barcelona) se dimensionaron unos volúmenes de retención que se determinaron a partir de la construcción de unas gráficas número de episodios de DSU anuales – volumen de depósitos anti-DSU y volumen de DSU – volumen de depósitos anti-DSU. Estas gráficas se construyeron mediante simulaciones de largas series temporales con distintas hipótesis de volúmenes de retención anti–DSU. El volumen óptimo de depósitos anti–DSU se estimó como ese en el que para conseguir retener un episodio anual más, es necesario aumentar un 5% más el volumen de depósitos. Este punto de las gráficas coincidía aproximadamente en la reducción a 1/3 del número de DSU y a la mitad en volumen de DSU. Esta metodología se utilizó para el diseño del depósito de Taulat (50.000 m3) que tiene una función exclusivamente anti-DSU. Una vez calculado el volumen se desarrolló una simulación a través de un modelo integrado para comprobar el cumplimiento de los estándares de calidad del medio receptor establecidos por la Directiva de las Aguas de Baño. En la cuenca del Besós se usó una metodología similar a la usada para el PECLAB pero incorporando la función de costes de construcción / m3 de depósitos anti–DSU. Así para disminuir la contaminación del río debida a descargas de redes unitarias, se aplicó una metodología (Gómez et al., 2005) basada sobre la simulación de una larga serie temporal de lluvias (15 años). A través de los resultados de la simulación y de la relación entre costes de construcción y volumen de retención se decidieron los objetivos alcanzables por el Consorcio por la Defensa de la Cuenca del Besos (una autoridad local formada por las municipalidades afectadas). Los objetivos se expresaron en términos de volumen de DSU vertido anualmente respecto al volumen inicial y a la nueva frecuencia de vertidos permitida. En este caso se planteó la solución de 7 depósitos anti-DSU para reducir el volumen de DSU al 50% y la frecuencia anual de vertidos de 1/3. Si hay disponibilidad de serie temporales significativas, la metodología se puede aplicar en cualquier cuenca siendo necesario un análisis previo de la función coste construcción / m3 retenido. Una vez conocida esta función es posible construir gráficas y elegir el grado de protección del medio en función del coste de la infraestructura y de los m3 de retención necesarios. 6. Ejemplos de actuaciones en España y en el mundo A pesar de la falta de una metodología general para el diseño de depósitos de retención, existen muchos ejemplos de actuaciones de este tipo en España y en el mundo. A veces se prefiere construir tanques y otras veces túneles, especialmente cuando el objetivo es proteger una línea de costa. En este apartado se resumen las actuaciones más significativas.

6.1. Situación en España Actualmente la ciudad de Barcelona dispone de 10 depósitos de retención con un volumen total de 522.400 m3. considerando el volumen de obra civil asociado a estas actuaciones. De los 10 depósitos, los 2 únicos a cielo abierto (Diagonal Mar y Parc del Poble Nou) tienen función de anti-inundación, de los restantes 2 (Taulat y Plaça Fórum) tienen función exclusiva anti-DSU y los otros 6 (Zona Universitaria, Bori i Fontestá, Parc Joan Miró, Doctor Dolsa, Escola Industrial, Parc Central Nou Barris) función mixta. Madrid en poco tiempo tendrá 22 depósitos de primer lavado y 4 depósitos de almacenamiento asociados a las 4 depuradoras en la zona del río Manzanares con una capacidad total de retención de 1.200.000 m3. En este caso el criterio de diseño fue un coeficiente de dilución muy alto (todos los caudales con diluciones inferiores a 17 veces el caudal punta de aguas negras debían ser dirigidos a la estación depuradora para su tratamiento. En Asturias la Confederación Hidrográfica del Norte ha ejecutado más de 34 depósitos de retención con función exclusivamente anti-DSU. Santander actualmente dispone de 7 depósitos con una capacidad total de 11.605 m3. 6.2. Situación en el mundo Actualmente existen 31.000 depósitos o estructuras de retención anti-DSU activos en Alemania que representan un volumen total de retención de 33.000 millones de m3. Como ejemplo de túneles más destacables en el mundo tenemos el Northside Storage Túnel de Sydney construido cuando la ciudad fue elegida como sede de los Juegos Olímpicos del 2000. Los 16.1 Kilómetros del Northside Storage Tunnel se desarrollan desde el Lane Cove River (con una profundidad de 40 metros) hasta la península del North Head (100 metros por debajo del nivel del mar y 160 m por debajo del nivel del suelo) donde se encuentra la planta de tratamiento. Otro tramo de 3.7 Kilómetros empieza en Scott Creek y se junta al túnel principal en Tunks Park. Los diámetros del túnel tienen un rango entre 3.8 m y 6.6 m, y globalmente el túnel alcanza una capacidad de retención de 500.000 m3.

Figura 6.1 – Recorrido del Northside Storage Túnel en la ciudad de Sydney.

Figura 6.2 – Perfíl del Northside Storage Túnel en la ciudad de Sydney.

En Milwakee (Estados Unidos) 27 millas de túneles están incluidas en el reciente programa anti-DSU y actualmente 130 DSUs están conectadas a esta red. Las profundidades de estos túneles llegan a 100 m y los diámetros son de 5 a 7 m en la zona aguas arriba y 32 m en los tramos finales. El sistema tiene una capacidad de 1.500.000 de m3. Los problemas del control de inundaciones y DSU se resolvió en Chicago (Estados Unidos) a través del proyecto “Tunnel and Reservoir Plan”, uno de los proyectos públicos más ambicioso de la historia de los Estados Unidos. Solo el túnel principal, que elimina el 80% de los problemas de DSU en un área de 530 Km2, tuvo un coste de 975 millones de dólares. El túnel principal es de 50 Km y tiene una capacidad de 3.790.000 m3 y secciones de hasta 10 m de diámetro. En Estocolmo (Suecia) el túnel SNAKE es un túnel de 3.5 Km de longitud, 3.5 m de diámetro y una pendiente de 0.004 con 35.000 m3 de volumen. La red del centro de Estocolmo es unitaria y el túnel fue construido para almacenar las aguas sobrantes en la red, que antes eran aliviadas al lago Malaren.

Figura 6.3 - The SNAKE. Planta y perfil.

7. Problemáticas asociadas a la determinación del fenómeno del first-flush Se ha visto que para el dimensionamiento de tanques de primer lavado es necesario conocer el fenómeno del first-flush relacionado a la cuenca objeto de estudio. El estudio del fenómeno del first-flush se asocia a la curva M-V que relaciona la cantidad de contaminante al volumen vertido. De hecho en unos casos el contaminante puede verterse de forma uniformemente distribuida a lo largo del evento de lluvia o presentarse en mayor o menor porcentaje durante el comienzo o al fin del mismo

suceso. En un estudio Calomino et al. (2005) demuestran que el primer 60-70 % de un volumen asociado a eventos de lluvia en una cuenca del Sur de Italia (Cosenza) contenía el 90% de contaminantes en masa. En el mismo estudio los autores concluyen que el fenómeno del first-flush está estrictamente relacionado con la morfología y las condiciones pluviométricas de la cuenca así que es necesario dimensionar los depósitos de retención de primer lavado a través de estudios específicos.

Figura 6.1 – Curva M(V)( Bertrand-Krajewski et al., 1998)

Es posible estudiar con detalle el fenómeno del first-flush a través del análisis de la distribución de la masa de contaminante respecto al volumen, M(V), relacionada para un suceso de lluvia y obtenida representando el cociente entre la masa de contaminante y la masa de contaminante total en ordenadas y el cociente entre el volumen vertido y el volumen total en abscisa. En particular si: • si la curva M(V) coincide con la bisectriz, la concentración de contaminante en los vertidos queda constante durante toda la duración del evento de lluvia; • si la curva M(V) se posiciona por enzima de la bisectriz, la concentración disminuye progresivamente durante toda la duración del suceso de lluvia; • si la curva M(V) se posiciona por debajo de la bisectriz, la concentración aumenta progresivamente durante toda la duración del suceso de lluvia; La relación analítica de las curvas M(V) puede aproximarse a través de una función potencial: M(V) = Vb donde el valor del exponente b indica la distancia entre la curva M(V) y la bisectriz (Bertrand-Krajewski et al., 1998); por eso se definen 6 zonas, simétricas respecto a la bisectriz (Figura 6.1) y caracterizadas con los valores del exponente b (Figura 6.2).

X, Y b (0.30, 0,80) (0.78, 0.80) o (0.25, 0.30) (0.80, 0.80) o (0.30, 0.30) (0.82, 0.80) o (0.30, 0.25) (0.80, 0.30)

0.185 0.862 1.000 1.159 5.395

Figura 6.2 – Valores del parámetro b para las 6 zonas (Bertrand-Krajewski et al.,1998)

8. Objetivos de calidad. Estándares de calidad en el medio receptor.

A pesar de todas las problemáticas asociadas al estudio del first-flush otro importante problema es conocer el impacto que nuestro vertido pueda tener sobre el medio receptor. Este impacto obviamente depende de algunos parámetros relacionados a la red de alcantarillado como el número de vertidos al medio en términos de frecuencia y volumen pero también hay que considerar las condiciones del medio hídrico (por ejemplo para un río habría que considerar el caudal dominante durante el año, la climatología, etc..). La misma actuación (como por ejemplo un depósito) puede representar una buena medida de control de la contaminación para un medio receptor pero podría ser insuficiente para otro.

Es evi dente entonces que cualquiera de las metodologías propuestas en este artículo, debe ser interpretada como un medio para alcanzar unos objetivos de calidad asociados a un medio receptor. Resumiendo en general hay dos tipos de formas de considerar el impacto ambiental sobre los cauces que provocan los vertidos desde las redes de alcantarillado unitarias.

1. Estandares de emisión (ES, Emission Standards) donde se estudian e imponen restricciones a los vertidos que se realizan, evaluando su frecuencia, volumen, carga contaminante, etc.

2. Objetivos de calidad ambiental (EQS, Environmental Quality Standards). Son objetivos que se plantean no sobre los vertidos sino directamente sobre el medio. Se evalúa la capacidad del medio receptor para adaptarse a los contaminantes.

Sería entonces, buena norma comprobar que los volúmenes de diseño garantizan el cumplimiento de los requisitos de calidad que hoy en día siempre con mayor frecuencia están asociados a los medios receptores (por ejemplo los Estándares Urban Pollution Management UPM para ríos, los requisitos de la directiva de Aguas de Baño, etc.)

8. Norma UNE-EN752-4: Sistemas de desagüe y de alcantarillado exteriores a edificios. Parte 4: Cálculo hidráulico y consideraciones medioambientales Esta norma es la versión oficial, en Español, de la Norma Europea EN752-4 de septiembre 1997. En el parágrafo 12.3, “Vertederos de sistemas unitarios” del apartado 12 “Consideraciones Medioambientales” la norma propone dos metodologías relativamente simples para diseñar vertederos de alcantarillas en sistemas unitarios. Según la primera un vertedero de una alcantarilla puede diseñarse para comenzar a verter sólo después de alcanzar una intensidad crítica de lluvia, generalmente en un intervalo entre 10 l/s.ha (área impermeable) hasta 30 l/s.ha (área impermeable), dependiendo del grado de protección requerida. O bien, cuando la capacidad de autodepuración no es un riesgo, un criterio simple (comúnmente una dilución de 5 a 8 veces el caudal de tiempo seco antes del vertido) puede utilizarse como un límite de vertido.

9. Conclusiones A continuación se concluye esta memoria con las siguientes conclusiones sobre los principales temas tratados:

• En los últimos años el problema de la calidad de las aguas de los medios receptores se ha convertido en un problema de primaria importancia para los organismos competentes en temas de drenaje urbano en gran parte debido a la entrada en vigor de la Directiva Marco del Agua.

• En los días anteriores a un día de lluvia se produce un proceso de acumulación de carga contaminante en superficie. Durante un suceso de lluvia, el agua arrastra todos estos elementos transportando la carga contaminante hacia la red y evacuándola hacia el medio receptor. Además, al producirse una lluvia, el nuevo caudal puede llegar a resuspender todo o parte del material sedimentado en las alcantarillas, originando en las primeras parte de la tormenta elevadas concentraciones contaminantes que pueden verterse al medio receptor en los aliviaderos; a este fenómeno se le conoce como primer lavado (en la literatura anglosajona first flush).

• Existen diferentes técnicas para limitar los vertidos de un sistema de alcantarillas y controlar el grado de contaminación en los medios receptores (Control en origen y Control de vertidos aguas abajo).

• Una de las medidas estructurales más eficaces es la construcción de depósitos de primer lavado.

• Se han analizado diferentes metodologías para el diseño de depósitos de primer lavado a nivel nacional e internacional.

• Las metodologías se diferencian entre ellas mismas y no existe un procedimiento universalmente válido debido al hecho que el fenómeno del first-flush está estrictamente relacionado con la morfología y las condiciones pluviométricas de la cuenca así que sería necesario dimensionar los depósitos de retención de primer lavado a través de estudios específicos.

• No obstante el rango muy variable de los parámetros que indican el volumen a retener en las distintas metodologías parece existir una convergencia de los expertos sobre la necesidad y eficacia de esta medida para el control de la calidad de las aguas de los medios receptores.

• A nivel mundial y nacional existe ya una larga serie de ejemplos y actuaciones concretas y los depósitos siguen representando una de las medidas más utilizadas para garantizar la protección de la calidad de las aguas de los medios receptores.

• El diseño de un tanque de retención debe considerarse como un medio para alcanzar un estándar de calidad asociado al medio hídrico receptor. El estándar de calidad es el objetivo mientras que las actuaciones son las medidas para conseguirlo y son específicas de las condiciones morfológicas de las cuencas, de la climatología de la zona y de las condiciones características del medio. Es evidente entonces que la misma medida puede resultar buena para un medio pero insuficiente para otro.

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