Humedales construidos para el control de la contaminación

proveniente de la escorrentía urbana. Jaime Andrés Lara Borrero, IC, MSc, PhD.

Pontificia Universidad Javeriana Aquadiseño

El presente trabajo presenta 3 casos de estudio en los que se instalaron humedales construidos de

distintos tipos para el control de la contaminación proveniente de las aguas de primer lavado, con

el fin de minimizar los impactos ambientales sobre los Humedales naturales adyacentes.

En el caso de las 3 urbanizaciones involucradas, la Empresa de Acueducto no estaba en

disponibilidad de permitir que los alcantarillados pluviales se conectaran a la red existente, por lo

que la opción más viable era permitir el vertido de las aguas lluvias a los Humedales naturales que

colindan con dichas urbanizaciones, no obstante, la parte inicial de la lluvia tiene concentraciones

de contaminantes mucho más altas que los periodos posteriores, y se llama Primer Lavado (First

Flush) (Deletic & Maksumovic, 1998), (Gupta & Saul, 1996). Durante este primer lavado, enormes

cantidades de contamiantes son descargados a los cuerpos de agua receptores (Lee & Bang, 2000).

La escorrentía ha sido identificada como una de las principales causas de degradación de la calidad

de las aguas receptoras, especialmente durante el primer lavado (Lee et al., 2002). Las

investigaciones han demostrado que el primer lavado tiene como resultado un pico de

concentración de contaminantes al comienzo de los eventos lluviosos (Bertrand et al., 1998)

(Deletic, 1998) (Butler & Davies, 2000). Sin embargo esta concentración pico puede variar para los

diferentes contaminantes en un mismo evento de lluvia, o en la misma cuenca durante diferentes

eventos (Gupta & Saul, 1996). En general el primer lavado depende de muchos parámetros, como

el área de la cuenca, intensidad de la lluvia, área impermeable y duración del periodo seco

antecedente (Wanielista & Yousef, 1993), (Gupta & Saul, 1996). Entre los principales

contaminantes arrastrados en el primer lavado están concentraciones altas de sólidos

suspendidos, grasas y aceites, hidrocarburos, metales pesados como zinc y plomo provenientes de

las descargas de los automóviles y en algunos casos herbicidas y fertilizantes.

Para minimizar los impactos de este fenómeno, se diseñan sistemas que pueden tener varios

objetivos como reducir la contaminación de las aguas, recarga de acuíferos, reducir la erosión en

los canales, control de inundaciones y tránsito de crecientes. Los sistemas que aquí se presentan

se diseñaron para el primero de estos criterios.

El primer problema que se presenta es estimar la cantidad de agua que corresponde al primer

lavado. Existen muchos métodos en la literatura al respecto, pero como se dijo anteriormente esto

depende de muchos factores. En los proyectos que se presentan en este trabajo se estimó la

cantidad de agua lluvia a tratar mediante el análisis de datos hidrológicos. En primer lugar se

determinó un año de precipitación típico para las estaciones pluviográficas aledañas, luego se

estimó la duración del evento lluvioso más frecuente, para por ultimo calcular la precipitación

promedio durante la primera media hora de dicho evento típico.

Posteriormente se diseñan una combinación de tecnologías blandas que incluye sedimentación

por gravedad y humedales construidos, con lo que se logra una fácil integración con las zonas

verdes del proyecto.

Usualmente las aguas lluvias se han tratado en otros países mediante humedales construidos o

lagunajes de aguas lluvias. Este tipo de sistemas permite una operación flexible y acorde con la

variabilidad de los eventos de lluvia y formación de escorrentía y constituyen a su vez una

alternativa estética y con valores ecológicos propios. Pueden proveer valor visual de importancia,

elementos de espacio abierto, características de hábitat de la vida silvestre y espacio verde. Estos

atributos son creados mediante el uso de niveles apropiados de agua y se puede usar vegetación

ornamental (plantas con floración) para dar más valor estético al humedal (Scholz, 2006).

El primero de los proyectos se realizó para la Urbanización Hatochico, de la constructora Urbe

Capital. El proyecto está situado en Suba, colindando con el Humedal de la Conejera.

El sistema recoge el agua de un área de drenaje de algo menos de 5ha y tiene una capacidad de

almacenamiento de algo más de 1209m3, con un área superficial de 1157m2, alrededor del 2.4%

de la cuenca aferente.

El sistema está compuesto por una cámara de derivación con una rejilla que retiene material

sólido, posteriormente el agua ingresa al humedal, descargando sobre una pantalla de gaviones

que distribuye el caudal de forma proporcional a todo lo ancho del sistema.

El humedal construido tiene diferentes zonas con funciones específicas en la remoción de

contaminantes. Consta de una primera zona que denominaremos pozo de sedimentación que

tiene 2 m de profundidad y un área de 102.7 m2. En esta zona como su nombre lo indica se llevará

a cabo la remoción de la mayor parte de sólidos suspendidos que traiga un evento de lluvia. Esta

zona estará libre de vegetación enraizada pero se permite el crecimiento de vegetación flotante si

esto ocurre naturalmente. Al pozo de sedimentación le sigue un humedal de flujo libre que está

conectado al pozo mediante una estructura para distribución del agua. Esta zona tiene un área de

100 m2 y una profundidad del de 30cm. A continuación se sitúa una laguna de lenteja de agua,

separada del humedal por otro gavión. La profundidad de esta laguna es de 2m y tiene un área de

320m2. La cuarta etapa de tratamiento es un humedal de flujo subsuperficial conectado con el

anterior por otro gavión, tiene un área de 246.9m2 y una profundidad media de 60cm. Tras otro

gavión se redistribuye el flujo hacia una segunda etapa de humedal de flujo libre con un área de

156.4m2 y una profundidad media de 30cm, para posteriormente pasar a través de un gavión a la

última zona de humedal de flujo subsuperficial de 60cm de profundidad y 224.5m2 de área. Los

humedales se sembraron con Eneas (Typha latifolia) y Juncos (Scirpus californicus) en lechos de

grava de ½”.

Al final del humedal el agua es recogida por una tubería perforada que la llevará a una cámara de

control de nivel. El agua del humedal es descargada al Humedal de La Conejera a través de un

canal existente. (Lara, 2007b)

El segundo de los sistemas lo construyo Urbansa S.A. para su proyecto Camino Verde en 2007,

también en la localidad de Suba, junto al Humedal la Conejera. El sistema está compuesto por una

combinación de tecnologías blandas que incluye lagunaje y humedales construidos de flujo libre,

con lo que se logra una fácil integración con las zonas verdes de la urbanización, ya que el

emplazamiento se ubica dentro de la zona de cesión tipo A.

El agua de escorrentía pluvial de la Urbanización Camino Verde, es recolectada por medio de dos

colectores existentes, de 18” y 24”, y es dirigida a unas estructuras de derivación de caudales

compuestas por una rejilla para retención de material grueso y flotante, tras la cual se ubica un

vertedero que controla el caudal de entrada a los sistemas de tratamiento, permitiendo que los

excesos pasen directamente al Humedal la Conejera por el canal que ya existía. Se estima que los

caudales rebosados tendrán una carga de contaminación insignificante ya que el sistema de

tratamiento interceptará el volumen de lluvia que ha lavado la mayor parte de la contaminación.

Debido a que la recolección del agua lluvia se realiza por medio de dos colectores, el sistema de

tratamiento propuesto se dividió en dos humedales construidos.

Las áreas de drenaje de cada uno de ellos son 0.9ha y 4.8ha. Los volúmenes de los humedales

construidos son de 51,1m³ y 280,7m³ respectivamente. Adicionalmente se ha diseñado una zona

de sedimentación a la entrada del sistema, rodeada por una zona de humedal artificial de flujo

libre, que tiene como objeto aislar la zona profunda, especialmente de la población infantil de la

zona, dando unos volúmenes totales de 65.2m³ y 325.8m³. Las áreas superficiales de los sistemas

son 86.4m2 y 475.1m2, lo que corresponde aproximadamente al 1% del área aferente.

Una vez el agua pase la estructura de derivación de caudales, entra a la zona de sedimentación

descrita anteriormente. El sistema de tuberías y cajas de inspección descargará sobre una pantalla

de gaviones, que distribuirá el agua uniformemente en la sección transversal. El humedal

construido tiene diferentes zonas con funciones específicas en la remoción de contaminantes.

Consta de una primera zona de humedal de flujo libre sembrado con Junco (Scirpus californicus)

para el tratamiento, con el 75% del área total (68.3m2 y 367m2 respectivamente) con una

profundidad de 45cm. En la zona intermedia de este humedal se encuentra una laguna de 1.65m

de profundidad, que puede tener lenteja de agua si está se da naturalmente, el área de esta

laguna corresponde al 13.5% del total (11.1 m2 y 58.7 m2 respectivamente). Esta laguna está

separada del humedal de flujo libre por un bordillo en concreto, que permite sostener el material

de soporte del humedal e impedir que se mueva hacia el fondo de la laguna. La parte final del

sistema está compuesta por una última estructura de gaviones, en la que se sitúa la tubería de

recolección y la salida del sistema. Las lagunas propuestas se presentan en los siguientes

esquemas.

Las especies que se sembrarán en la zona de almacenamiento extendido (fuera del volumen

principal del humedal en la zona de más baja pendiente 1:3 indicada por una línea verde) serán

especies que normalmente se encuentran en zonas secas pero con alto nivel freático o

intermitentemente inundadas (Lara, 2007a).

El tercer proyecto está siendo desarrollado por la constructora Arrecife contiguo al Humedal de

Cordoba. Este proyecto tiene la particularidad de que se trata de 3 torres de apartamentos de 13,

15 y 17 pisos, con la total impermeabilización del lote, por lo que el sistema de tratamiento debe ir

integrado en la zona de construcción. El área total del lote es de 4370 m².

El sistema está compuesto por una combinación de tecnologías blandas que incluye

sedimentación por gravedad y humedales construidos de flujo sub-superficial, con lo que se logra

una fácil integración con las zonas verdes del proyecto.

El agua de escorrentía pluvial del proyecto Bora - Bora, es recolectada por medio de un sistema de

alcantarillado que la distribuye hacia dos zonas de entrega, uno en la Torre 1 (costado oriental) y

otro en la Torre 3 (costado occidental). En cada uno de estos puntos de recolección se construye

un humedal que trate el agua lluvia del primer lavado de los eventos de lluvia más frecuentes. Los

diseños de los dos sistemas son independientes debido a las restricciones de espacio a la

complicada geometría de las áreas disponibles

A partir de los diseños hidráulicos del alcantarillado del proyecto Bora - Bora, se obtuvieron los

caudales totales que conduciría el sistema de recolección de aguas lluvias. Con los volúmenes

calculados se obtendría un área total de los humedales inferior al 1% del área total de drenaje.

Debido a que con frecuencia se recomienda que el área mínima de este tipo de humedales sea

por lo menos el 1% del área de drenaje, para este caso se tomó el área de cada humedal como el

1% del área drenada, manteniendo el caudal calculado.

Dado que solo se trata el agua del primer lavado, se diseñó una estructura de derivación de

caudales por medio de un vertedero de excesos. Después de que el agua lluvia pasa por el sistema

de humedales, se conecta a un pozo de inspección que conducirá el caudal total (el tratado y el no

contaminado) al humedal Córdoba. Después de la estructura de derivación se construye una cámara

de retención de sólidos, para prevenir que el lecho del humedal subusperficial se colmate. Para la

torre 1, esta estructura tiene el 10% del área del sistema de tratamiento, mientras que para la torre

3 es el 13.5%.

Para la Torre 1 la capacidad de almacenamiento de agua en el sistema es de 5,5 m³ y su área

superficial será de 11 m², ligeramente superior al 1.0% de la cuenca aferente. Debido a la

complicada geometría del área disponible, se hiso necesario separar el caudal afluente en 3

sistemas que funcionan en paralelo, con el fin de asegurar el flujo subsuperficial del agua a través

de la grava y así evitar posibles inundaciones del sistema. Después de la salida de las tuberías de la

zona de sedimentación, cada sistema de tuberías llegará a una unidad de tratamiento y allí

descargarán sobre la zona de entrada del humedal, que distribuirá el agua uniformemente en la

sección transversal del humedal por medio de una flauta. Cada unidad de humedal construido

tendrá diferentes zonas con funciones específicas en la remoción de contaminantes (ver Esquema

1). Después de la zona de entrada, se encuentra el humedal propiamente dicho en el que se

propone sembrar papiros por su valor estético. Al final del humedal el agua será recogida y llevada

a una cámara de control de nivel y toma de muestras. Seguida de una caja que recolecta el agua

de las tres unidades (todas diseñadas con la misma filosofía). Después de esta caja el agua es

conducida a un pozo de inspección que descarga al humedal de Córdoba. El sistema de

tratamiento (Dividido en 3 unidades) se presenta en el siguiente esquema. (Lara, 2010a)

Para la Torre 3 la capacidad de almacenamiento de agua en el sistema es de 15,4 m³ y su área

superficial será de 34.2 m², ligeramente superior al 1.0% de la cuenca aferente. Después de la

salida de la tubería de la zona de sedimentación, se realizará la descarga sobre la zona de entrada

del humedal que distribuirá el agua uniformemente en la sección transversal del sistema. Después

de la zona de entrada, se encuentra el humedal propiamente dicho en el que se propone sembrar

también papiros. Al final del humedal el agua será recogida por dos tuberías perforadas, colocadas

en forma de anillo, en el fondo en sentido transversal al flujo, que la llevará a una cámara de

control de nivel y toma de muestras. Fue necesario hacer este sistema de recolección debido a la

geometría del área disponible y a su menor sección transversal respecto a la de entrada. El sistema

se diseño para que se compense la disminución en la sección transversal con la perdida de cabeza

hidráulica y así evitar que el sistema pueda inundarse. La cámara de control de niveles recolecta el

agua que sale de la tubería perforada y por medio del vertedero que garantiza la cota de nivel

máximo del humedal el agua es conducida a un pozo de inspección que se conecta con el pozo de

inspección que recibe el caudal de excesos, para finalmente descargar al humedal de Córdoba. El

sistema de tratamiento descrito anteriormente se presenta en el siguiente esquema. (Lara, 2010b)

Se podría esperar lo siguiente de los humedales construidos en cuanto a la mitigación de impactos

sobre el los humedales naturales:

El impedimento de aporte de sólidos gruesos al humedal de La Conejera a través de la

implementación de la rejilla

Una reducción en el aporte de sólidos finos al humedal en más del 80%. Se esperan

concentraciones promedio en el efluente del humedal artificial de menos de 30 mg/L.

Una reducción de la DBO a valores de alrededor de 10 mg/L.

Es difícil predecir las reducciones que serán logradas en las diferentes formas de

nitrógeno y fósforo y otros parámetros como metales pesados, hidrocarburos y

grasas y aceites. Sin embargo, se esperan reducciones en estos parámetros.

Referencias:

Bertrand, J.L., Chebbo, G. & Saget, A., 1998. Distribution of pollutant mass vs volume in

stormwater discharges and the first flush phenomenon. Water Research, (32), pp.2341-56.

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Deletic, A., 1998. The first flush load of urban surface runoff. Water Research, (32), pp.2462-70.

Deletic, A. & Maksumovic, C.T., 1998. Evaluation of water quality factors in storm runoff from

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Gupta, K. & Saul, A.J., 1996. Specific relationships for the first flush load in combined sewer flows.

Water Research, (30), pp.1244-52.

Lara, J., 2007a. Diseño de un Humedal Artificial para el control de la contaminación de la

escorrentía pluvial para la urbanización Camino Verde. Bogotá: Urbansa S.A.

Lara, J., 2007b. Diseño de un humedal artificial para el control de la contaminación de la

escorrentía pluvial para la urbanización HatoChico. Bogotá: Urbe Capital S.A.

Lara, J., 2010a. Diseño de un humedal construido para el control de la contaminación de la

escorrentía pluvial para la torre 1 del proyecto BORA - BORA. Bogotá: Arrecife S.A.

Lara, J., 2010b. Diseño de un humedal construido para el control de la contaminación de la

escorrentía pluvial para la torre 3 del proyecto BORA - BORA. Bogotá: Arrecife S.A.

Lee, J.H. & Bang, K.W., 2000. Characterization of urban stormwater runoff. Water Research, (34),

pp.1773-80.

Lee, J.H. et al., 2002. First flush analysis of urban storm runoff. The Science of The Total

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Maryland Department of the Environment, 2000. Maryland Department of the Environment.

Scholz, M., 2006. Wetland systems to control urban runoff. Amsterdam: Elsevier.

Wanielista, M.P. & Yousef, Y.A., 1993. Stormwater management. Nueva York: John Wiley and

Sons, Inc.