Curso Hidrología Urbana 6ª Edición.pdf

8/10/2019 Curso Hidrologa Urbana 6 Edicin.pdf

1/395

Universitat Politcnica de Catalunya

E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona

Departamento de Ingeniera Hidrulica,

Martima y Ambiental

Curso

Hidrologa

Urbana 6 Edicin

Barcelona, Enero de 2006


2/395

Presentaci on

Las redes de alcantarillado constituyen sin ning un genero de dudas uno de los entramados m ascomplejos a la vez que desconocidos, entre las infraestructuras del tejido urbano. Existen otrosservicios p ublicos tales como el abastecimiento de agua potable, las redes viarias, el alumbrado,etc. que al estar en contacto m as directo con el ciudadano y constituir un patrimonio visible,resultan mucho mejor conocidos a la vez que las inversiones que a ellos se dedican son m asfacilmente justicables ante la opini on publica. El drenaje de la ciudad y los medios a traves delos cuales se realiza la evacuacion de sus aguas pluviales son por el contrario un patrimonio oculto,literalmente enterrado, en denitiva otra ciudad escondida debajo de la ciudad visible, que s olonos muestra de vez en cuando sus enfermedadescuando un aguacero supera su capacidad dedesague.

La historia de algunas grandes ciudades se podra reescribir a traves de las de sus sistemasde drenaje. Roma, Pars o Barcelona mismo han sido ejemplos de urbanismo y ordenaci on deltejido urbano en algunas epocas de la historia. Y tambien todas ellas han realizado en paralelograndes sistemas de drenaje en sus epocas de gran desarrollo. Desde la Cloaca M axima delForo romano, pasando por la red de grandes colectores del Pars del Baron Haussman, hasta elproyecto de drenaje de Barcelona de Pedro Garca Faria al nal del siglo XIX o la operaci onde mejora del drenaje de la zona de Villa Olmpica con motivo de la Olimpiada de 1992, sonejemplos del interes que en sus epocas de esplendor han demostrado las grandes ciudades anteun tema de importancia capital.

Pero en general hemos de reconocer que en muchos m as casos los disenos de las redes de

alcantarillado han sido muchas veces producto de evaluaciones muy descuidadas. En ocasionesla falta de datos ables de lluvia, indispensables para una buena estimaci on previa de caudalesde escorrenta y otras veces porque se emplean todava procedimientos de c alculo y vericaci oniguales a los empleados hace cincuenta a nos, dan como resultado el que nos encontramos tras elescaso interes dedicado al tema del drenaje urbano, con unas redes actuales con capacidades dedesague muy decientes en algunos casos. Peor a un, se ha empezado a establecer entre ciertascapas de tecnicos que el problema del drenaje se traduce en poner tubos y la soluci on del mismoes determinar que tubo hay que poner.

Ciertas situaciones han podido agudizar la situaci on de abandono de muchas de nuestrasredes. Podemos indicar por un lado la realizaci on de proyectos de ampliaci on de la red que

no han tenido en cuenta el comportamiento global de la misma, y por otro y quiz as el masgrave el aumento de los caudales de escorrenta debido a una impermeabilizaci on del sueloconsecuencia del crecimiento urbano de los ultimos a nos. Numerosos municipios han aumentadoen un porcentaje muy alto su supercie urbana, con nuevos polgonos residenciales de edicioso viviendas adosadas que generan aumentos a veces de m as del 100% del area impermeable.

Las soluciones de estos problemas no son en general ni f aciles ni economicas. Los costesde reposici on de estas infraestructuras son de los m as altos (si no el que m as) de los serviciosurbanos. Pero nuevamente nos enfrentamos a una particularidad: es un servicio oculto, cuyareparacion precisa enterrarpresupuestos de millones de euros.

En este curso se pretende dar un repaso a los procesos hidrol ogicos que se desarrollan en zonaurbana, siguiendo el ciclo hidrol ogico en la ciudad, presentando algunas de las aproximaciones

1


3/395

mas novedosas en los campos hidrologico e hidr aulico a la vez que se plantean criterios de dise no

y metodologas de solucion que sean aprovechables por los tecnicos responsables de su dise no ymantenimiento.

Finalmente, deseamos agradecer a los participantes, conferenciantes, a todos los que hancontribuido a esta lnea de trabajo en Hidrologa Urbana y a la Escuela Tecnica Superior deIngenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona el apoyo prestado para la celebraci ondel curso.

Manuel G omez Valentn

Director del Curso

2


4/395

INDICE

TEMA 01Problematica general del drenaje de aguas pluviales en zonas urbanasJosep Dolz Ripolles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

TEMA 02Eleccion del nivel de seguridad del sistema de drenajeManuel G omez Valentn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7

TEMA 03Informaci on de lluvia a utilizar.Manuel G omez Valentn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3

TEMA 04Lluvia neta. Perdidas de precipitaci on.Tiempo de concentraci on en zona urbanaManuel G omez Valentn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

TEMA 05Metodo racional en zona urbana. Bases conceptuales yaplicaci on en medio urbano

Ra ul L opez Alonso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83TEMA 06

Hidrograma unitario y Modelos de dep ositosManuel G omez Valentn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

TEMA 07Transformaci on lluvia - caudal mediante uso de la onda cinematicaManuel G omez Valentn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

TEMA 08Analisis del comportamiento hidr aulico de rejas y sumideros

Manuel G omez Valentn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139TEMA 09

Modelos de ujo en calles y criterios de riesgo asociadoLeonardo Nana Escobar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 1

TEMA 10Ejemplo de estudio de escorrenta en medio urbano.Aplicaciones con HEC-HMSHans Sanchez Tueros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

TEMA 11

BMP. Tecnicas alternativas de drenaje. Dep ositos de retenci onManuel G omez Valentn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 5

3


5/395

TEMA 12

Predimensionamiento de dep ositos de retenci onen redes de alcantarilladoHans Sanchez Tueros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

TEMA 13Grandes colectores. Criterios hidraulicos de dise noJosep Dolz Ripolles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

TEMA 14Estaciones de bombeo en sistemas de drenaje urbanoEnrique Cabrera Marcet, Vicente Espert Alemany, Jorge Garca-Serra Garca . . . . . . 245

TEMA 15 Diseno con regimen permanente: curvas de remansoHans Sanchez Tueros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 3

TEMA 16Movimiento no permanente. Modelos de c alculoManuel G omez Valentn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

TEMA 17Estudio e instrumentaci on de una cuenca urbana en elmunicipio de Sant Boi de LlobregatManuel G omez Valentn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 7

TEMA 18Problemas de calidad de las aguas receptoras en caso devertido desde colectores unitarios: CSOManuel G omez Valentn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 7

TEMA 19El Plan Director de Aguas PluvialesFrancisco Ca nedo Caba nas, Miguel Angel Gago Lara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

TEMA 20Programa nacional de medici on de descargas de sistemas unitarios (DSU)Jeronimo Puertas Agudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 1

ANEXOAbacos para el predise no de dep ositos de retenci onHans Sanchez Tueros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383

4


6/395

PROBLEMATICA GENERAL DEL DRENAJE DEAGUAS PLUVIALES EN ZONAS URBANAS

Jose Dolz Ripolles

Grup de Recerca FLUMENDep. de Ingeniera Hidr aulica, Martima y Ambiental. UPC.

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

1 Introducci on hist orica

A lo largo del siglo XIX la construccion de redes de alcantarillado en grandes ciudades sufri o unfuerte impulso. En gran medida ello se debi o a que fue probada la relacion entre enfermedadesendemicas y la ausencia de un correcto drenaje de las aguas residuales urbanas. Estas redes dealcantarillado, que tambien drenaban las aguas pluviales, fueron proyectadas hasta mitad delsiglo XX sin disponer de unos criterios tecnicos (hidr aulicos e hidrol ogicos) rigurosos.

El r apido crecimiento urbano que se inici o en la segunda mitad del siglo XX dio lugara graves decits de infraestructuras urbanas para el drenaje de las aguas de lluvia, lo quemotiv o importantes problemas de inundaci on. Todo ello impulso la aplicaci on de los conceptos

clasicos de la Hidr aulica e Hidrologa al medio urbano: estudio de la lluvia, de la transformaci onlluvia-escorrenta y del comportamiento hidr aulico del alcantarillado. De este modo hizo suaparici on una nueva disciplina: la Hidrologa Urbana.

A partir de los anos ochenta, una vez ya se ha realizado un notable avance en el conoci-miento de los fen omenos ligados a la cantidad (caudales), se ha impulsado el estudio de losfenomenos ligados a la calidad (carga contaminante) del drenaje urbano. El interes de este nue-vo enfoque ambientalista del estudio del drenaje urbano es motivado por los graves problemasde contaminacion que pueden crear las aguas de escorrenta urbana que son vertidas por la redde alcantarillado a un determinado medio receptor (normalmente ro o mar).

Observamos, pues, que en el estudio y realizaci on de infraestructuras de drenaje urbano ha

existido una evolucion en los objetivos a conseguir. Estos objetivos podran calicarse, en ordencronol ogico, como: higienicos, hidraulicos y ambientales.

5


7/395

6 Tema 1

Figura 1: Caudal maximo anual y porcentaje de supercie impermeabilizada.

2 Incidencia de la urbanizaci on en el proceso de escorrenta

Es conocida la tendencia al desplazamiento de la poblaci on desde zonas rurales hacia zonasurbanas. En la actualidad casi el 50% de la poblaci on mundial vive en zonas urbanas, habiendoseincrementado en m as de un 80% en los ultimos 20 a nos. En Espana entre 1980 y 1981 el totalde poblaci on en capitales de provincia se multiplic o por 4.5

La urbanizacion de una cuenca modica su respuesta hidrol ogica frente a una determinadalluvia. La urbanizacion conlleva la alteracion de las redes de drenaje natural (construcci on de

colectores y encauzamientos que aumentan la velocidad del agua hacia aguas abajo de la cuenca)y un incremento de las zonas impermeables en supercie, todo ello con el criterio de drenar lomas eciente y r apido posible el area urbanizada. Como hemos dicho, esta din amica afecta a lahidrologa de la cuenca y muy especialmente a las zonas situadas aguas abajo. La urbanizaci onaguas arriba modica el hidrograma que reciben estas zonas de forma que se incrementan elvolumen de escorrenta y el caudal m aximo. Asimismo es menor el tiempo que transcurre entreel inicio de la escorrenta provocada por la lluvia y el m aximo caudal: disminuye el tiempo deconcentracion. Todo ello conlleva que la zona aguas abajo este afectada con mayor frecuencia porcaudales que pueden crear problemas por inundaci on, tanto mas importantes cuanto menoressean las pendientes. En la gura 1 puede verse la evoluci on a lo largo del perodo 1954-1973 delmaximo caudal anual en una peque na cuenca (4.7 km 2 ) del sureste de Inglaterra en funci on de

la impermeabilizacion provocada por la urbanizaci on, Hall (pp. 165, 1984).El Ministerio de Construcci on del Jap on inicio en 1969 un estudio experimental sobre la

inuencia de la urbanizaci on en el comportamiento hidrol ogico de 13 cuencas urbanas de dife-rentes tamanos (de 0.32 a 23.96 km 2 ). Los resultados obtenidos se utilizaron en la planicaci onde las actuaciones frente a las inundaciones, Yoshino y Yoshitani (1990). Reriendonos a unade las trece cuencas (la de Minamiosawa, de 0.97 km 2 ) cuya urbanizacion pas o a afectar del 0al 61.5% de su supercie, las principales conclusiones son:

El coeciente de escorrenta pas o de tener un valor comprendido entre 0.03 y 0.46 (31episodios lluviosos estudiados) a otro comprendido entre 0.11 y 0.64 (20 episodios lluviosos

estudiados). Cabe indicar que el coeciente de escorrenta tiende a ser mayor cuanto mayores la intensidad.


8/395

Problem atica general del drenaje urbano 7

El tiempo de concentraci on pas o de estar comprendido entre 60 y 100 minutos antes de la

urbanizacion, a 35-50 minutos despues de la urbanizaci on.

Delleur (1982) presenta la experiencia de Brater y Sherill seg un la cual, para cuencas de Mi-chigan, el porcentaje de area impermeabilizada por la urbanizaci on de un territorio (I) est a re-lacionado con la densidad de poblaci on en habitantes por milla cuadrada (h) seg un la expresi on:I = 1.38 h. Tambien Delleur (1982) muestra los resultados obtenidos por Anderson en el estudiode la reducci on del tiempo de respuesta (tiempo comprendido entre los centros de gravedad delhietograma y del hidrograma) en funci on del grado de urbanizaci on. Estos resultados, obtenidospara cuencas cercanas a Washington D.C., se presentan en la gura 2.

Figura 2: Incidencia de la urbanizaci on en el tiempo de respuesta T. El par ametro P esun ndice de pendiente/longitud de la cuenca. La pendiente S est a expresada enpies/milla y la longitud L en millas

La disminuci on del tiempo de respuesta es debido, como ya se ha comentado anteriormente,a la mayor velocidad del agua en una cuenca urbana que en una cuenca natural. Evidentementeen este aumento de velocidad juega un papel importante la red de colectores.

Leopold, en Delleur (1982), al estudiar una cuenca de una milla cuadrada cercana a Was-hington DC, dedujo las curvas de la gura 3 donde se muestra la inuencia del area urbanizaday de la red de alcantarillado en los caudales de periodos de retorno un a no.

La problem atica anteriormente expuesta es mucho m as acusada en las regiones mediterr aneasdonde suele darse un rapido y desordenado crecimiento urbano (sobre todo en el litoral) a lavez que existen una condiciones hidrol ogicas adversas, Arandes (1992). Estas condiciones hi-drol ogicas son: lluvias localmente muy intensas y cuencas peque nas con fuerte pendiente. Undetallado analisis de estas precipitaciones puede verse en Martn (1992). En Barcelona la lluviade periodo de retorno 10 anos es de 33 mm para una duraci on de 15 minutos y 44 mm parauna duracion de media hora. Estas fuertes intensidades dan lugar a importantes caudales puntadebido a las elevadas pendientes que presentan las cuencas y la baja permeabilidad de las areasurbanas. Cabe recordar que tanto las fuertes pendientes como las intensidades de lluvia elevadasaumentan el coeciente de escorrenta, lo que se pone en evidencia en la gura 4. Este gr aco,

presentado por el Ministere de l Environement (1994), muestra la dependencia del coeciente deescorrenta respecto de la permeabilidad del terreno, la intensidad de lluvias y la pendiente. Fue


9/395

8 Tema 1

Figura 3: Inuencia del area urbanizada (a%) y del area que abarca la red de alcantarillado(b%) en la variacion de los caudales de periodo de retorno un a no: (caudal despuesde urbanizar) / (caudal antes de urbanizar)

obtenido con datos experimentales procedentes de peque nas cuencas interceptadas por autopis-tas. Observese la importante inuencia de la pendiente para intensidades superiores a los 70mm/h.

Inuencia del area urbanizada (a%) y del area que abarca la red de alcantarillado (b%) en lavariaci on de los caudales de periodo de retorno un a no: (caudal despues de urbanizar) / (caudal

antes de urbanizar)

Figura 4: Inuencia de la intensidad de lluvia y la pendiente en el coeciente de escorrenta

3 Caudal de proyecto

Dado que los datos de lluvia suelen ser m as abundantes que los de caudales, normalmente el

caudal de proyecto en un colector de pluviales de una determinada cuenca ser a jado teniendoen cuenta, entre otros factores, sus caractersticas pluviometricas. Es obvio que los episodios llu-


10/395


viosos en una cuenca dada no son siempre identicos: existe una distribuci on espacial y temporal

de la lluvia que vara de un episodio a otro. Normalmente las cuencas urbanas son de peque nadimensi on y por ello suele considerarse que la lluvia afecta a su totalidad (no se tiene en cuentala distribucion espacial).

El car acter aleatorio de la lluvia en el tiempo se tiene en cuenta a traves del periodo deretorno: una lluvia es de periodo de retorno T a nos si la probabilidad de ser igualada o superadaa lo largo de un determinado a no es 1/T. Por tanto el nivel de seguridad en la capacidad delcolector est a dado por el periodo de retorno considerado. Este par ametro sera jado atendiendo aun an alisis coste-benecio (coste de las inversiones en estructuras de drenaje urbano y beneciosdebidos a la reduccion de perdidas por inundaci on). A modo de ejemplo cabe indicar que enel Plan Especial de Alcantarillado de Barcelona se consider o un periodo de retorno de 10 anos.Segun Yen (1990) existe en los pases desarrollados una tendencia a considerar periodos deretorno mayores debido a que el aumento de los costes de los bienes urbanos es superior al de loscostes de las obras de drenaje. Un detallado an alisis de las implicaciones economicas del drenajeurbano puede verse en Parker et al. (1987). Otra tendencia es la de incorporar a las calles comoelementos de desague para caudales de periodos de retorno algo elevados. Evidentemente, estorequiere un adecuado dise no de las calzadas y de sus intersecciones.

Cabe indicar que en todo lo expuesto anteriormente, implcitamente se supone que el periodode retorno de un caudal es identico al de la lluvia que lo genera, o sea: lluvias de periodo T danlugar a caudales tambien de periodo T. Ello es tanto m as cierto cuanto mas importante sea elepisodio lluvioso. As cabe indicar que para lluvias muy intensas correspondientes a elevadosperiodos de retorno, tiene poca incidencia en la formaci on de la escorrenta el estado en que seencuentra el terreno: grado de humedad y vegetaci on. No ocurre lo mismo para las lluvias debajo periodo de retorno.

Hemos visto que al urbanizar una cuenca se incrementan los caudales asociados a una lluviadada. Por este motivo, el periodo de retorno del caudal asociado a una lluvia determinadadisminuye con la urbanizaci on de la cuenca.

Para la obtencion de una lluvia (o caudal) asociada a un determinado periodo de retorno sehan propuesto diferentes distribuciones de probabilidad, pero la bondad del c alculo estara engran medida condicionada por la calidad y amplitud de la serie de datos de campo disponiblespara ajustar dicha distribuci on. No obstante hay que hacer notar que en el caso de una serie

corta de datos, la distribuci on que ofrece un mejor ajuste no tiene por que ser la que asegure unamejor extrapolacion para obtener el valor correspondiente a un determinado periodo de retorno.

Habitualmente se utilizan las curvas intensidad-duraci onfrecuencia (curvas IDF) para laobtenci on del valor de una determinada lluvia. Estas curvas nos proporcionan para cierta regi ony una frecuencia dada (periodo de retorno), la relaci on entre intensidad media m axima de lluviay la duraci on de lluvia. Cabe indicar que estas curvas s olo nos dan informaci on sobre la m aximaintensidad media esperable a lo largo de cierto intervalo de tiempo, y no sobre el resto de latormenta: lluvia cada antes y despues de dicho intervalo. O sea, la duraci on de la tormenta es,en principio, superior al tiempo considerado en las curvas IDF.

En el diseno de estructuras de drenaje urbano, cada vez m as se precisa conocer no ya elcaudal de proyecto sino el hidrograma de proyecto. Este es el caso del proyecto de dep ositos


11/395

10 Tema 1

de retenci on donde el volumen del hidrograma es un dato b asico para el dise no. La correcta

obtenci on del hidrograma, que tambien es preciso conocer si se desea estudiar el funcionamientoen regimen variable de una red de colectores, conlleva la dicultad de establecer la distribuci onespacial y temporal de la lluvia.

4 Infraestructuras de drenaje urbano

Normalmente estas infraestructuras est an encaminadas a corregir los efectos negativos provoca-dos por la urbanizacion, o sea se tiende a disminuir los caudales punta y aumentar la capacidadde la red de drenaje. Dada la elevada densidad de nuestras ciudades es pr acticamente imposible

disminuir de forma signicativa la escorrenta mediante la inltraci on natural en el terreno: ellorequerira disponer de espacio suciente para, por ejemplo, crear zonas verdes donde se produjeradicha inltracion.

4.1 Dep ositos de retenci on

Una forma de evitar inundaciones cuando la capacidad de la red de drenaje es insucienteconsiste en el almacenamiento parcial de la escorrenta. Existen tres diferentes maneras deconseguir articialmente este almacenamiento: balsas, dep ositos subterraneos, utilizacion dela propia red de colectores cuando existe una fuerte distribuci on espacial de la lluvia y no

toda la red drena al mismo tiempo, etc. El correcto dise no de estas estructuras requiere unbuen conocimiento del hidrograma de proyecto ya que la forma y el volumen de este jar an lacapacidad de almacenamiento necesaria.

En las redes unitarias, cada vez son m as utilizados los depositos de retencion para almacenarla escorrenta de una lluvia no muy intensa o la escorrenta inicial debida a una lluvia intensa.Estas escorrentas suelen presentar una eleva da carga contaminante lo que aconseja evitar suvertido sin previo tratamiento. El almacenamiento de esta escorrenta permite su tratamientoposterior sin tener que incrementar notablemente la capacidad de las plantas depuradoras.

La ciudad de Osaka (Jap on) puede ser un ejemplo de este tipo de actuaciones, Murakami(1990) y Hashimoto et al. (1990). Esta ciudad, que posee un sistema unitario de alcantarillado,presenta la doble problem atica anteriormente expuesta: inundaciones motivadas por la urbani-zacion intensiva y necesidad de tratar la escorrenta. Actualmente est a en construccion un grancolector situado a 30-40 m bajo la supercie, de 6.5 m de di ametro y 12.2 km de longitud, cuyanalidad es facilitar el drenaje de un area de 12 km 2 . Este colector esta disenado de forma queen parte tambien pueda ser utilizado como dep osito de retencion de la escorrenta con fuertecarga contaminante.

Otra actuaci on en esta misma ciudad consiste en un dep osito de 1.9 km de longitud y 10m de di ametro, construido a unos 20 m de profundidad. Este dep osito tiene por objeto evitarinundaciones en un area con deciente capacidad de drenaje. Esta obra est a parcialmente enservicio desde 1986 y varias veces ha entrado en funcionamiento. En particular, en septiembre de

1989 se almacenaron 100.000 m 3 en una hora, debido a una lluvia de 110 mm con una intensidadmaxima de 47 mm/h. En este caso fueron inundadas 963 viviendas, mientras que en 1982 (antes


12/395


de construir esta obra) una lluvia de 140 mm con intensidad m axima de 33 mm/h, inund o 25.303

viviendas.Cornell a de Llobregat es una ciudad situada junto al tramo nal del ro Llobregat y su area

urbana recoge las aguas pluviales de zonas situadas aguas arriba de la misma. La fuerte urbani-zacion de estas zonas junto con la insuciente capacidad de drenaje de la red de Cornell a, hacenque se vea frecuentemente sometida a inundaciones. Ello se agrava cuando las fuertes lluviaslocales coinciden con avenidas en el Llobregat, lo que diculta o incluso impide el desag ue de loscolectores al ro. Al objeto de solucionar esta problem atica se han proyectado diferentes actua-ciones, siendo una de ellas la construcci on de una balsa que permita almacenar la escorrentacuando no es posible desaguar al ro. Esta balsa ocupa una supercie de 50.000 m 2 y admiteun calado de 4 m. Dado su poco frecuente funcionamiento, la mayor parte del tiempo estar a enseco y se preve su utilizacion como parque p ublico. El desag ue de la balsa al ro se realizar a porgravedad cuando los niveles del ro y de la balsa lo permitan, o por bombeo, en caso contrario.La capacidad de bombeo prevista son dos grupos de 7 m 3 /s. Cabe indicar que el hidrogramade entrada (periodo de retorno 10 a nos) presenta un caudal m aximo de 130 m 3 /s. Al objeto dejar las necesidades de bombeo, se analiz o la estrategia de puesta en marcha y parada de losgrupos en funci on de los niveles en la balsa y en el colector que desagua a la misma (en este casose trata de un canal). Un detallado estudio de los criterios hidr aulicos de dise no de los depositosde retenci on puede verse en Stahre y Urbonas (1990) y STU (1994).

4.2 Colectores interceptores pluviales

El resolver problemas de drenaje en zonas urbanas densamente pobladas mediante la cons-trucci on de nuevos colectores presenta la dicultad de compatibilizar dicha construcci on conla escasez de espacio disponible en supercie, la afecci on a las redes de servicios urbanos y laincidencia en un traco durante la construcci on. Ello puede ser paliado en gran medida si elnuevo colector se situa a la profundidad suciente para que pueda ser construido en t unel.

Es frecuente que el desarrollo urbano se inicie en un area llana, y posteriormente se extienda azonas aguas arriba de la cuenca donde existen desniveles importantes. Este esquema es habitualen ciudades costeras o situadas en valles uviales. Como consecuencia de ello, suelen presentarseproblemas de capacidad en la red de drenaje existente en la zona baja, ya que normalmenteesta fue proyectada y construida sin tener en cuenta el incremento de caudal que supondra laposterior urbanizaci on de las zonas situadas aguas arriba. El resolver esta situaci on suele sercomplejo debido a que las pendientes disponibles en la zona baja suelen ser muy peque nas, loque obliga a considerar secciones importantes en los posibles nuevos colectores en l amina librea construir en esta zona, y ello, normalmente es incompatible con el escaso espacio disponibleen sus viales.

Una posible soluci on a esta problematica consiste en la construcci on de colectores dise nadospara que trabajen en presi on y que, aprovechando el desnivel existente, intercepten las aguaspluviales en la zona alta y las transporten aguas abajo de la zona baja. El dise no en presi on

requerir a unas secciones menores y permitir a una mayor exibilidad en el trazado. Esto ultimopuede ser de gran interes en areas densamente urbanizadas, ya que inclusive puede permitir


13/395

12 Tema 1

ubicar el colector a una profundidad suciente como para que pueda ser construido en t unel y

de este modo afectar lo mnimo posible a las redes de servicios urbanos y al tr aco.El diseno en presi on del nuevo colector normalmente no permitir a la conexi on de otros

colectores en la zona baja. Ello exige que la antigua red de drenaje existente en esta zona debesea capaz de transportar la escorrenta generada por la lluvia que cae sobre ella.

El valle de Mexico, Domnguez y Jimenez (1992), en el que se encuentra situada Ciudadde Mexico, historicamente presenta notables problemas de drenaje debido al car acter cerradodel mismo. Cabe indicar que Ciudad de Mexico est a ubicada en una antigua zona de lagunasque recogan el drenaje de las laderas circundantes. Estas lagunas que inicialmente (antes de lacolonizaci on) ocupaban una supercie de 1700 km 2 han quedado reducidas actualmente a unos50 km2 . La necesidad de dar salida fuera del valle al agua que actualmente ya no puede sertemporalmente almacenada en las lagunas, ha llevado a la construcci on de diferentes colectoresy canales. Estas actuaciones se iniciaron en 1607, siendo la ultima de ellas la denominadaDrenaje Profundo, cuya primera fase termin o de construirse en 1975. Consiste en un sistemade colectores situados a una profundidad comprendida entre 10 y 217 m, y que funcionan porgravedad. La gran profundidad a que est an situados les hace resistentes a los efectos ssmicosy evita que sean afectados por el hundimiento progresivo de las capas superciales de terreno.Este hundimiento, debido a la gran extracci on de agua de los acuferos, ha llegado a superar 0.5m/ano en la supercie de la zona centro del Distrito Federal. En la actualidad se han construido110.7 km de t unel, cuyo di ametro vara de 3.1 a 6.5 m y la capacidad entre 20 y 220 m 3 /s.

Al objeto de interceptar las aguas pluviales de las partes altas de las cuencas urbanas de

Barcelona y de los municipios limtrofes de LHospitalet y Esplugues, se ha realizado un pro-yecto que contempla la construcci on de un colector interceptor (Colector Interceptor Orientalde Rieras). Este colector debe transportar unos caudales que varan desde 33 m 3 /s al inicioa 220 m3 /s al nal (periodo de retorno 10 a nos). Est a formado por dos tramos notablementediferenciados: el primero es un t unel de secci on circular de 6 km de longitud y 6 m de di ametro,y el segundo (de 2 km) consiste en un cajero de 7 conductos circulares de 3.3 m de di ametro. Elcolector se inicia a la cota 45 y su entrega al ro Llobregat se sit ua a la cota 4. Se ha dise nadode forma que trabaje en l amina libre en los primeros 5 km (de la cota 45 a la 23) y en presi onen los 3 km restantes (de la cota 23 a la 4). A lo largo del tramo en l amina libre recibe todaslas incorporaciones de caudal existentes, situ andose este tramo a la cota m as elevada posible alobjeto de reducir al mnimo la altura que deben salvar las diferentes incorporaciones de caudales

(en algunas zonas el colector est a situado a mas de 60 m de profundidad). Dado que la secci ones constante en el tramo en l amina libre (diametro 6 m), el incremento de capacidad que exigela sucesiva incorporacion de caudales se obtiene incrementando la pendiente.

Una de las actuaciones mas importantes incluida en la nueva red de colectores del frentemartimo de Barcelona, es la construcci on del colector de Ciudadela. Este colector interceptacaudales de la parte alta de la cuenca del Bogatell (24.5 de km 2 , aproximadamente un 20% de lasupercie urbana de Barcelona) conduciendolos directamente al mar. De esta forma se descarganotablemente la red del Bogatell y se evitan los tradicionales problemas por inundaci on existentesen la parte baja de la cuenca del Bogatell y actualmente ocupada por la nueva Villa Olmpica.El colector tiene una longitud total de casi 3 km, transporta un caudal comprendido entre los

145 m3

/s al inicio y los 210 m3

/s al nal. Presenta dos tramos notablemente diferenciados: untramo inicial de 716 m, con fuerte desnivel (de la cota 24.5 a la cota 10.5) y un tramo posterior,


14/395


con desniveles mucho mas reducidos. El primer tramo fue dise nado para trabajar en presi on

y el segundo en l amina libre. El tramo en presi on est a formado por 3 tuberas de 3.25 m dediametro colocadas mediante hinca. Dos elementos importantes de este colector son las obrasde toma (al inicio del tramo en presi on) y el desag ue (al nal del mismo). El diseno de ambasobras fue realizado mediante modelo reducido a escala 1:21.38.

4.3 Calculo hidr aulico de las redes de drenaje urbano.Modelaci on matematica

Normalmente los colectores de pluviales se dise nan de forma que, para el caudal de proyecto,su funcionamiento sea en lamina libre. Ello permite incorporar por gravedad los caudales quediscurren en supercie. En el caso de que el colector entrara en carga, podra ocurrir que loselementos que conectan al colector con la supercie se conviertan en puntos de salida de aguaprocedente del colector.

Un colector funcionando en lamina libre presenta un movimiento no permanente gradual-mente variable, es decir: el calado y la velocidad varan tanto de secci on a seccion para un mismoinstante, como de un instante a otro para una misma secci on. Estudiar un colector en regimenno permanente gradualmente variable requiere conocer los hidrogramas de entrada.

Con menor grado de aproximaci on, puede estudiarse el comportamiento hidr aulico en l aminalibre de un colector suponiendo movimiento permanente gradualmente variado. En este caso se

considera que el calado y la velocidad son constantes en el tiempo, pero variables de una secci ona otra. Para ello se utiliza la teora de las curvas de remanso y se considera el caudal m aximodel hidrograma correspondiente.

Hace unos a nos (y a un hoy en da) era habitual dimensionar los colectores suponiendo mo-vimiento permanente y uniforme: calados y velocidades constantes en todo instante y secci on.Para ello se suele utilizar la formula de Manning y tambien se considera el caudal m aximo delhidrograma correspondiente. Con esta hip otesis de c alculo no se tiene en cuenta, entre otros as-pectos, la incidencia de las condiciones de contorno en el comportamiento hidr aulico del colector(por ejemplo, niveles en el extremo aguas abajo).

La obtenci on del hidrograma correspondiente a la cuenca que drena el colector presenta unanotable incertidumbre debido fundamentalmente a la dicultad en determinar la distribuci onespacio temporal de la lluvia de dise no y al calculo de la escorrenta. Por este motivo estimamosque normalmente no se justica la complejidad de un c alculo en regimen no permanente y portanto parece logico realizar el c alculo hidr aulico suponiendo movimiento permanente gradual-mente variado.

Para el estudio de un colector en presi on podra tambien suponerse movimiento permanentey considerarse el caudal maximo del correspondiente hidrograma. El que en realidad no seamovimiento permanente, no introduce un error importante en el c alculo dada la lenta variaci onde caudales.

Al igual que en otros campos de la Ingeniera Hidr aulica, en los ultimos a nos ha tenidolugar un gran avance en la formulaci on y aplicaci on de los modelos numericos para el estudio


15/395

14 Tema 1

del drenaje urbano, por ejemplo ver G omez (1992), Nix (1994). Dichos modelos permiten, en

principio, un detallado an alisis del comportamiento hidr aulico de las redes de drenaje urbano. Noobstante, para su correcta utilizaci on se precisa conocer una serie de par ametros que identiquenlas particularidades del problema estudiado. La bondad de los resultados obtenidos depender a engran medida de la calidad de los datos de campo disponibles para ajustar dichos par ametros. Anuestro entender este es un serio problema que limita en gran medida la correcta utilizaci on dela modelaci on matematica en Hidrologa Urbana. Chow (1981) y Yen (1990) se nalan el riesgoque supone el asumir los resultados de un modelo numerico sin someterlos previamente a uncrtico analisis ingenieril por parte de tecnicos que posean un claro conocimiento fsico de losfenomenos objeto de estudio. Por otra parte, seg un McPherson y Zuidema (1978), los avancesen la modelaci on matematica han superado la disponibilidad de datos de campo que permitensu calibraci on. Esta situacion tambien se da en nuestro pas, donde todos somos conscientes

de las dicultades que existen para obtener unos datos de campo que, por ejemplo, permitanconocer con una mnima abilidad el hidrograma de proyecto de una determinada cuenca, o lascaractersticas geometricas (secciones, pendientes, disposici on en planta) de la red de grandescolectores de una ciudad. A nuestro entender sera de sumo interes el que la Administraci onintensicara la obtenci on y tratamiento de datos de campo (fundamentalmente lluvia y caudal),de forma que pudiera avanzarse en el conocimiento de los fen omenos hidrol ogicos. Ello permitiraoptimizar las cuantiosas inversiones que actualmente se realizan.

5 Referencias

Arandes, R. (1992) . Planeamiento urbanstico y drenaje urbano. Avenidas: Inundaciones yRedes de Drenaje Urbano. J.Dolz, M. G omez, J.P. Martn, Editores. Servicio de Publicacionesdel Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid.

Chow, V.T. (1981) . Crystal ball for urban storm drainage design: the probability conside-rations. Second Int. Conference on Urban Storm Drainage. Urbana. Illinois.

Delleur, J.W. (1982) . Introduction to urban hydrology and stormwater management. UrbanStormwater Hydrology. David F.Kibler, Editor. American Geophysical Union. Washington DC.

Domnguez, R., Jimenez, M. (1992) . El sistema principal de drenaje del Valle de Mexico.Avenidas: Inundaciones y Redes de Drenaje Urbano. J.Dolz, M.G omez, J.P.Martn, Editores.Servicio de Publicaciones del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid.

G omez, M. (1992) . Analisis hidr aulico de las redes de drenaje urbano. Avenidas: Inun-daciones y Redes de Drenaje Urbano. J.Dolz, M.G omez, J.P.Martn, Editores. Servicio dePublicaciones del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid.

Hall, M.J. (1984) . Urban hydrology. Elsevier. London.

Hashimoto, K., Kato, T., Nishimura, M., Tokuda, H. (1990) . Hiranogama under-

ground stormwater reservoir ood control in highly urbanized area. Fifth International Confe-rence on Urban Storm Drainage. Osaka, Jap on.


16/395


Martn, J. (1992) . Caractersticas extremas de la precipitaci on en la Espa na Mediterranea.

Avenidas: Inundaciones y Redes de Drenaje Urbano. J. Dolz, M. G omez, J.P. Martn, Editores.Servicio de Publicaciones del Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid.

McPherson, M.B., Zuidema, F. (1978) . Urban hydrological modelling and catchmentresearch: international summary. Technical papers in hydrology 18. Unesco.

Service Technique d Urbanisme. (1994) . Ruisellement pluvial urbain. Ministere de l Envi-ronement. Paris.

Murakami, H. (1990) . Improvement of combined sewer system through stormwater retentionat large scale ood control trunk sewers. Fifth International Conference on Urban StormDrainage. Osaka, Jap on.

Nix, S.J. (1994) . Urban stormwater modeling and simulation. CRC Press. Boca Rat on.Florida.

Parker, D.J., Green, C.H., Thompson, P.M. (1987) . Urban Flood Protection Benets.Glower Technical Press. Brookeld.

Stahre, P.; Urbonas, B. (1990) . Storm water detention. Prentice Hall. New Jersey.

STU (Service Technique de l Urbanisme). (1994). Guide technique des bassins de retenued eaux pluvials. Lavoisier. Paris.

Yen, B.C. (1990) . Return period risk and probability in urban storm drainage. From theexperience of 20th century to the science in 21st century. Int. Conference on Urban StormDrainage. Osaka. Jap on.

Yoshino, F., Yoshitani, J. (1990) . Estimation of runoff changes due to urbanization inJapan. Fifth International Conference on Urban Storm Drainage. Osaka. Jap on.


17/395

ELECCION DEL NIVEL DE SEGURIDAD DELSISTEMA DE DRENAJE




1 Introducci on

Cualquier diseno en el campo de la Ingeniera Hidr aulica e Hidrol ogica asume una vida utilde la instalacion, de manera que se espera que durante ese periodo de tiempo se cumplan lasespecicaciones y criterios utilizados en su dise no. Esa vida util en ocasiones esta denidade manera muy concreta y determinada. Por ejemplo, el t unel de desvo del ro durante laconstruccion de una presa debe funcionar durante un corto n umero de a nos, los que duren lasobras de la presa. Una atagua provisional, un recinto estanco para la construcci on de unaobra martima, etc. son otros ejemplos de obras de vida util limitada. Pero en instalacionesgrandes, lease encauzamientos, grandes conducciones, etc. este concepto de vida util no est a tanclaramente establecido. El tecnico responsable de la infraestructura debe manejar el problemade disenar una obra considerando los da nos que pueden producirse en caso de un fallo en elfuncionamiento de la misma. Hasta ahora, entendemos que el sistema de drenaje est a constituidobasicamente por la red de alcantarillado o red de drenaje, y el primer problema que se planteaes decidir para que tipo de eventos de lluvia debemos dise nar esta infraestructura. La preguntainmediata es: que nivel de seguridad debemos utilizar en el dise no de la red?

2 Periodo de retorno considerado en el dise no de la red

La red de drenaje debe cumplir la misi on de evacuar los caudales de escorrenta de la lluviacada en medio urbano, para as permitir el normal desarrollo de las actividades ciudadanas.Cuanto mayores sean las dimensiones de la red, menos probabilidades tiene de verse superadasu capacidad de desague, y menos problemas de inundaci on encontraremos en la supercie dela ciudad. Pero por supuesto, no se puede asegurar que las probabilidades de inundaci on en laciudad sean del todo nulas. Siempre es posible un fallo hidr aulico, falta de capacidad de desag uede la red, cuando se presenta un suceso de lluvia superior al considerado para el dise no de la

red o que puedan darse circunstancias accidentales (hundimiento o fallo estructural, bloqueo porarrastres de materiales s olidos, etc) que generen una inundaci on en la ciudad.

17


18/395

18 Tema 2

El criterio de selecci on del nivel de seguridad se suele realizar en el ambito hidrologico e

hidr aulico recurriendo a un concepto que denominamos periodo de retorno. Decimos que unvalor de nivel o caudal, por ejemplo un caudal de valor Qo, es de periodo de retorno T a nos,cuando como media se produce un caudal mayor que Qo una vez cada T a nos. Quiere ello decirque si tuvieramos informaci on del comportamiento de la variable en cuesti on (caudal Q, porejemplo) durante un horizonte de tiempo de muchos a nos, N, veramos que tiene periodo deretorno T anos como el cociente entre el n umero de veces, m, que se ha superado el valor Qo, yel numero total de anos del que se dispone informacion, N.

1T

= mN

Esta denicion anterior esta expresada en terminos de frecuencia de superaci on de la variableQ y se puede realizar de manera aproximada cuando el n umero de a nos del que se disponeinformaci on es elevado. Por contra, cuando el n umero de a nos con datos de lluvia o caudal no esmuy grande, para hacer una predicci on de comportamiento futuro debemos pasar al dominio dela probabilidad. Un suceso de periodo de retorno T, presenta una probabilidad de ser superado,P, que se puede expresar como:

P (X > Q ) = 1T

Cuando analizamos un periodo de n a nos, podemos preguntarnos cu al es la probabilidadde que no sea superado una vez al menos el valor de referencia, por ejemplo el caudal Q. Sillamamos P (X < Q ) n a la probabilidad de que Q no se iguale o supere en un periodo de n a nos,asumiendo que los eventos de caudal son sucesos independientes, podemos escribir:

P (X < Q ) n = P (X < Q ) n = [1 P (X > Q )]n

Si queremos expresar la probabilidad de que se vea superado una vez en los n a nos, ser a:

P (X > Q ) n = 1 [1 P (X > Q )]n

Si lo expresamos en terminos de periodo de retorno, se puede escribir:

P (X > Q ) n = 1 [1 1T

]n

Podemos expresar la probabilidad de que un suceso de periodo de retorno T a nos ocurra

en un periodo de tiempo de n anos en la tabla siguiente, expresada en tanto por ciento dichaprobabilidad.


19/395

Eleccion del nivel de seguridad del sistema de drenaje 19

Periodo de tiempo n anos T = 5 T = 10 T = 50 T = 100 T = 500

1 20 10 2 1 0.22 36 19 4 2 0.45 67 41 10 5 110 89 65 18 10 220 99 88 33 18 450 99.9 99.5 64 40 10

100 99.9 99.9 87 63 18500 99.9 99.9 99.9 99.3 63

Tabla 1: Probabilidad de que un suceso de periodo de retorno T ocurra en n a nos

3 Analisis de coste benecio para la determinaci on del periodode retorno

Este es un enfoque cl asico de cualquier actuaci on, analizar la inversion optima a realizar enfuncion de la maximizacion de benecio obtenido. Podemos plantear por ejemplo para la red dedrenaje a construir cu al sera el costo asociado a la construcci on de la misma. Para una serie delluvias de periodo de retorno por ejemplo 2, 5, 10 a nos, etc. evaluamos los caudales de c alculoy disenamos la red adecuada para su circulaci on con los criterios que se jen en su momento.Para cada uno de los disenos, podemos evaluar el presupuesto de construcci on. Aun cuandola realizaci on de presupuestos es siempre una tarea difcil que puede dar resultados diferentessegun la persona que lo realice, esta fase del estudio se puede considerar razonablemente objetivasi utilizamos los mismos precios unitarios para las diferentes unidades de obra en cada uno delos presupuestos. El resultado ser a una curva de costes creciente con el periodo de retornoconsiderado.

Podemos cruzar esta informaci on con otra distinta. Podemos plantear un horizonte de vidautil de la construccion de N anos (por ejemplo 50). Si este periodo de tiempo fuera de compor-tamiento normal, sin a nos muy secos ni muy h umedos, y por ejemplo nuestra obra de drenajefuera de periodo de retorno 10 anos, como media la capacidad de desag ue de la red se verasuperada 5 veces en esos 50 a nos. Si por contra el periodo de retorno de dise no de nuestra obrafuera 25 anos, como media se vera superada s olo 2 veces en esos 50 anos. Podemos evaluar losda nos asociados a las inundaciones en este horizonte de tiempo (los 50 a nos de vida util), paracada obra de drenaje construida. Los da nos aumentan cuanto menor es el periodo de retornode diseno de la red de alcantarillado, y en cambio disminuyen a medida que sube el periodode retorno de las lluvias empleadas en el dise no de la red de drenaje. Es por tanto una curvadecreciente, del tipo de la indicada en la gura.

El coste total de la infraestructura durante su periodo de vida util es la suma de los costesde construccion y de los danos durante esa vida util. La composicion de las dos curvas produce

una curva suma, cuyo mnimo debera se nalar el periodo de retorno m as economico en el disenode la red de alcantarillado.


20/395

20 Tema 2

Costemnimo

T ptimo Periodo deretorno

Coste

Coste dela red

Daos asociadosen la vida til

Figura 1: Estimaci on del periodo de retorno

Este proceso sera el deseable para dimensionar desde un punto de vista de rentabilidadeconomica la obra a construir. Sin embargo surgen problemas a la hora de evaluar la curvade da nos por inundacion. No es facil asignar un coste economico objetivo a esos da nos. Una

parte puede ser extremadamente objetiva, por ejemplo incorporando la valoraci on pericial porlas compa nas de seguros de los danos de los bienes que tienen asegurados. O los costes por da noso lucro cesante de companas de servicios publicos (telefonos, luz, transportes ferroviarios o porcarretera, etc). Pero existen a veces otros muchos da nos de cariz local o individual, derivadosde los problemas que sufre cualquier residente bien en su casa por no poder salir al quedarsebloqueado, o los costes en tiempo derivados de quedar retenidos sin acceder a su casa o trabajo.

Este procedimiento a un siendo desde un punto de vista racional el m as solido, no se utilizade manera habitual por los inconvenientes planteados en la valoraci on de da nos. Es cierto quecada vez m as se ajustan los estudios de costes asociados a estos da nos, y existen proyectos deinvestigaci on en otros pases en la lnea de permitir su empleo con bases de datos m as ajustadas

y faciles de usar. Ante los problemas descritos, se suele recurrir a jar un periodo de retorno dereferencia para los caudales de dise no (o las lluvias de dise no) a utilizar en el dimensionado ycalculo de la red de drenaje.

4 Selecci on de un periodo de retorno de dise no en la red dedrenaje

De las diferentes opciones de seleccion de periodo de retorno que se utilizan en otras latitudes,podemos encontrar una gran variabilidad seg un el pas que se trate. En pases n ordicos como

por ejemplo en algunas ciudades de Suecia, se han propuesto dise nos para periodos de retornobajos, de 2 a 5 a nos. Pero hay que indicar que en este caso se realiza un an alisis conjunto del


21/395


comportamiento de la red enterrada y del ujo en la calle, aceptando un sistema de drenaje

dual. Ello supone ademas la incorporacion de la presencia del agua en el diseno de la ciudad ensupercie, previendo vas de circulaci on y puntos de recogida de la misma.

Las ciudades que aceptan el concepto de drenaje dual con estos periodos de retorno de dise nomas bajos, asumen que parte del agua circular a en supercie, y que algunas veces durante unano, tendran dicultades de tr aco viario o peatonal. Pero tambien hay que apuntar que eldiseno de las calles es tal que permite transportar una cierta cantidad de agua sin producirda nos graves ni inundaciones localizadas, y nalmente ese caudal puede ser desaguado a alg uncauce natural sin suponer un problema de inundaci on. Aplican el siguiente concepto: parte delujo circula por la red y parte del ujo circula por la calle cuando la capacidad de desag ue de lared se supera. Esta idea no es f acilmente aplicable a ciudades muy consolidadas y m as antiguas,pues en ellas en ocasiones nos encontramos con calles de perl longitudinal tal, que tenemospuntos bajos en los que se concentra caudal auente de las calles colindantes. Si ese punto bajono se drena mediante un conducto de la red enterrada, podemos crear un problema local deinundaci on grave.

4.1 Criterios de dise no en EE.UU.

En los EE.UU. el problema del drenaje de aguas pluviales es algo diferente al europeo. Laurbanizacion de las ciudades norteamericanas presenta un grado de impermeabilidad menor porejemplo del que tenemos en Espa na, especialmente en las areas residenciales donde abunda laalternancia de casa individual y jardn privado. El patr on urbano de nuestras poblaciones tansolo es comparable en el caso de los centros de negocios tipo downtown o en algunas ciudadesen concreto. La mayor parte del transporte de agua pluvial debe realizarse mediante canales acielo abierto o cunetas junto a vas de comunicaci on. Eso ha hecho que los Departamentos deTransportes de algunos estados norteamericanos se hayan mostrado muy interesados en resolverel tema del drenaje para no afectar a las vas de comunicaci on. Como consecuencia, algunasde las referencias de trabajo m as importantes se encuentran en los Manuales de Drenaje deestos Departamentos de Transportes, o bien de ciudades o condados que han establecido suspropios Manuales de Drenaje. No existe una unicidad en los criterios adoptados pero puede serindicativo del mismo el siguiente resumen.

El estado de Virginia propone en su Manual de Drenaje de 10 a 25 a nos para los colectoresde desag ue. Mientras tanto, en Connecticcut se sugiere el valor 10 a nos simplemente, parasumideros y conductos de evacuaci on. El condado de Clark, que incluye la ciudad de Las Vegasen Nevada, propone disenar para 10 anos y comprobar el funcionamiento de la red ante lluviasde 100 anos de periodo de retorno. Aqu tambien se considera la capacidad de transporte delas calles. El estado de Nueva York se reere en su manual a los canales de desag ue grandes,exigiendo en ellos un periodo de retorno de c alculo de 100 anos. En Georgia nos encontramoscon ejemplos de condados como el de Gwinette que propone valores de periodo de retorno de25 anos para los colectores de drenaje. En Texas tambien sugieren la adopci on de un valorde 25 anos. A diferencia de estos valores considerados en estos Manuales de Drenaje, todava

encontramos referencias de uso o de formaci on donde se recomienda disenar con periodos deretorno 5 a nos (Iowa State Univ). Vemos pues un estado de la cuesti on bastante variado.


22/395

22 Tema 2

4.2 Criterios de dise no en Canada

Canad a es otro pas con larga tradici on en el tema de drenaje urbano. En este sentido es un pasdonde se ha aplicado a nivel normativo el concepto de drenaje dual. En esas condiciones, porejemplo el estado de Alberta propone para la red de drenaje un periodo de retorno de 5 a nos,mientras que el resto de caudal circulara por la calle. Se incluyen estudios de comportamientodel sistema supercial hasta periodos de retorno de 100 a nos. De todos modos se indica que cadapoblaci on ja su nivel de dise no en la red de drenaje, y se comentan que hay poblaciones quedisenan con 2 a nos de periodo de retorno y otras con 10 a nos. La capital Ottawa tambien dise nala red entre 1 y 5 a nos de periodo de retorno, pero exige la comprobaci on del comportamientode la red de calles para periodos de retorno de 100 a nos (SWM Planning and Design Manual.Ministry of the Environment, Draft Final Report, Noviembre 1999), en los que exige condicionesde funcionalidad a sus calles segun la importancia de las mismas. Vas principales no debenpresentar calados superiores a los 15 cm, y en otras de menor importancia se limita a que elagua no alcance la acera, en un pas donde se encuentran bordillos de 20 a 30 cm de altura.

4.3 Normativa europea. Norma EN-752

Europa ha hecho un esfuerzo en los ultimos a nos, cuando en el Comite Europeo de Normalizaci onCEN/TC 165 se elabor o la EN-752, Norma europea con 7 apartados que algunos pases hantraspuesto en su normativa interna (Francia, Alemania, Dinamarca, etc). En concreto la parte 4se reere a los conductos de la red de alcantarillado. Entre los aspectos interesantes que recoge,indicar que la expresion de Colebrook-White y la de Manning son las recomendadas como m asadecuadas para el calculo de perdidas de carga, pero donde supone un cierto cambio con laspr acticas habituales es al introducir el concepto de dise no de la red en funci on de la frecuenciade inundacion.

Hasta ahora estamos dise nando en funcion del periodo de retorno de la lluvia cada, asumien-do que lluvias de periodo de retorno T a nos generan caudales de periodo de retorno tambiende T a nos, circunstancia que en el medio urbano es m as razonable de aceptar que en el mediorural dada la elevada impermeabilidad y la escasa o nula dependencia de la humedad del terrenopermeable, ya que este casi no existe. Desde luego es interesante el hecho de transferir el criterio

de diseno a la frecuencia de cuantas veces nos mojamos los pies, por expresarlo gr acamente yno de la lluvia que cae. El resumen de la norma EN-752 se recoge en la tabla siguiente:

Zona de estudio Frecuencia de inundaci onArea rural 10

Area residencial 20Centro ciudad, zonas industriales y comerciales 30

Metro - pasos subterr aneos 50

Tabla 2: Frecuencias de inundaci on sugeridas en la EN 752


23/395


Nos est an exigiendo para el referente m as cercano a nuestras ciudades, tipo centro ciudad,

una frecuencia de inundaci on de 1 vez cada 30 anos. Esto suele estar por encima de los valoreshabituales que manejamos habitualmente. En la norma adem as se indican los procesos decalculo hidr aulico y la sugerencia de emplear un modelo de simulaci on aceptado por la autoridadmunicipal. En el parrafo siguiente a la tabla de referencia anterior, se introduce una frase quepermite al utilizar el modelo de simulaci on mencionado anteriormente, ... garantizar un niveladecuado de protecci on contra la inundaci on en lugares especialmente sensibles.... La traducci ona nivel llano de esta frase es que permite a las administraciones municipales rebajar los nivelesde protecci on de la tabla anterior, pero obliga a justicar a la municipalidad que adopte estecriterio, cual es el nivel de protecci on adecuado y por que considera que ese es el nivel adecuadocon preferencia al indicado en la norma.

Este hecho esta provocando una serie de dolores de cabeza en las ciudades europeas preo-cupadas por estos temas, y en sus responsables de alcantarillado. En los pr oximos anos nosveremos obligados todos a revisar nuestros criterios de dise no y a evaluar las consecuencias deeste cambio.

4.4 Normativa alemana ATV-118

De las referencias de normas tecnicas de pases europeos, quiz as la mas interesante sea la ATV118, Diseno Hidr aulico y Simulaci on del Comportamiento de Redes de Alcantarillado, de usoen Alemania y pases de inuencia germana. De salida la norma ATV plantea un cierto con-

icto con la nueva EN-752 pues la primera considera las frecuencias de inundaci on como uncriterio inapropiado mientras que preere utilizar las frecuencias de entrada en carga de la red.La norma germana sugiere el empleo de una lluvia de proyecto o una serie de precipitacioneshist oricas de unos 30 a nos. A pesar de considerarlo inadecuado, contiene una tabla que indicalas frecuencias de inundacion admisibles.

Zona de estudio Frecuencia de inundaci onArea rural 1 ano

Areas de edicaci on moderada 2 a nosCentros urbanos 3 anos

Metro - pasos subterr aneos 5 anos

Tabla 3: Frecuencias de inundaci on sugeridas en la ATV - 118

Los valores son muy diferentes de los de la EN752 y supondr an un problema de adaptaci onen el pas, de acuerdo con las opiniones formuladas por expertos alemanes.

4.5 Criterio de dise no utilizado en Espa na

No existe una legislaci on a nivel nacional sobre el periodo de retorno a considerar en el dise no dela red de alcantarillado. Revisando los valores m as habituales encontrados en diferentes ciudades


24/395

24 Tema 2

espanolas, encontramos que el valor de 10 a nos es el mas habitual. Alguna considera valores de

25 anos o un criterio de exigencia que ciertas zonas de la ciudad, denidas como estrategicas encaso de inundaci on tengan un nivel de seguridad mayor como por ejemplo vas de emergencia ode evacuaci on o acceso de servicios de urgencia, a las que se va a exigir periodos de retorno de50 anos.

5 Criterio de homogeneidad del periodo de retorno. Cuencaurbana y cuenca de cabecera

Es frecuente que el estudio de la red de una poblaci on contemple zonas mas conictivas queotras o zonas donde la orografa o la ocupaci on en supercie diculte la aplicaci on de alguntipo de soluci on. En esas condiciones, puede darse el caso de que alg un tecnico caiga en latentacion de, para no complicarse la vida en alguna zona de la ciudad, aceptar alguna soluci onmas sencilla y adem as con un periodo de retorno menor. Esto es una situaci on que debe evitarseencarecidamente.

Una red con un ndice de rendimiento no homogeneo tendr a entonces una serie de puntosdebiles por los que en caso de problemas, se iniciar a la inundacion. Debe tenderse hacia unobjetivo de nivel de seguridad lo m as homogeneo posible, para que de esa manera en caso deinundaci on, esta se produzca no de manera concentrada sino de manera repartida. De este modopodemos entender tambien que los da nos en vez de estar concentrados se hallar an mucho m asrepartidos. Afectar an a una mayor supercie de la ciudad pero esos da nos ser an en terminosabsolutos mucho menos importantes. No es aceptable ese espect aculo de poblaciones con lasplantas bajas inundadas en los barrios de zonas con baja pendiente por falta de capacidad dedesag ue de la red, mientras que otros barrios de zonas con mayor pendiente tienen un nivel deseguridad mas alto con una capacidad de desag ue combinada entre la red enterrada y el ujosupercial por las calles.

Sin entrar en contradicci on con lo anterior, algunas poblaciones empiezan a exigir un nivelde seguridad mas alto en algunas zonas, pero no con ning un criterio de exclusion. Se trata deexigir que por ejemplo ciertos ejes de circulaci on viaria tengan un nivel de seguridad mayor, porejemplo de periodo de retorno de 50 anos, con el objetivo de que esas vas puedan ser utilizadaspor los servicios de emergencia, bomberos, polica, protecci on civil, servicios medicos, etc. encaso de necesidad. Se aseguran unos ejes de evacuaci on o acceso en caso de necesidad, de maneraque aun con problemas en parte de la ciudad, esas vas pueden permitir acceder con prontitudy mitigar los efectos de las inundaciones.

En ocasiones las poblaciones presentan en la zona aguas arriba de la poblaci on una cuencade cabecera, con una cubierta natural. Adem as esa cuenca desagua en la ciudad y su desag uese integra en la red de alcantarillado. Pero a veces, cuando la cuenca es m as grande, el caudaltambien crece y se preere establecer un cauce especco para su desag ue. En este caso losperiodos de retorno de la cuenca de cabecera y de la poblaci on pueden ser diferentes. Se sueledimensionar la capacidad del cauce especial para el caudal de periodo de retorno T anos, con la

supercie de la cuenca de cabecera, sin considerar la supercie de la ciudad. La red de drenajede la poblaci on se calcula para el periodo de retorno T, en general inferior.


25/395


Cuenca urbana

Cuenca de

cabecera

Figura 2: Cuencas urbanas y cuencas de cabecera

A veces se propone calcular las dimensiones de ese cauce especial de desag ue de ros orieras considerando la supercie de la cuenca de cabecera m as la supercie de la ciudad. Esoproporciona un caudal mayor y un mayor nivel de seguridad del elemento de desag ue, pero ala vez estamos considerando que el agua que cae en la ciudad acabar a llegando al cauce dedesague. Eso a veces no es as pues el agua circula por la supercie de la ciudad y por las callessin necesidad de llegar al cauce del ro. Se puede dar la paradoja de que dise namos un caucepara un caudal que a lo mejor no llega. Se suele indicar en muchos proyectos que si se supera lacapacidad de desague de la red, el agua en supercie alcanza el cauce. Pero no siempre podemosgarantizar que ello sea as pues la topografa supercial de la ciudad puede facilitar que el aguase dirija hacia aguas abajo o no alcance el cauce en la zona urbana.

Pero incluso se puede dar otra circunstancia m as curiosa: aceptamos que el agua llegue alcauce de desag ue y por eso dimensionamos ese cauce con una capacidad de desag ue suciente,pero no comprobamos en absoluto los efectos que puede producir en la ciudad. Esta situaci onnal puede ser francamente chocante: el agua llega al cauce de desag ue que est a disenado paratransportarla, pero antes en la ciudad ha producido una serie de inundaciones y da nos que nohemos evaluado.

En este caso el procedimiento propuesto sera dimensionar el cauce de evacuaci on con periodode retorno Ty evaluar el comportamiento de la ciudad para los caudales de ese mismo periodode retorno. No quiere decir que necesariamente se propugne el dise no de la red de alcantarilladopara ese periodo de retorno de T anos, que seguramente ser a superior a los 10 o 50 anos, peros se sugiere que se analice el efecto que tienen sobre la ciudad esas aguas que discurren ensupercie, y que como mnimo se sepa que pasar a, que calles presentar an los niveles m aximos deagua y en base a eso poder tomar decisiones, bien de actuaci on en supercie o bien adecuando

la supercie de la ciudad a esas posibles circunstancias. Los periodos de retorno a considerar encada caso deberan ser funci on de los tama nos relativos de las cuencas urbana y de cabecera.


26/395

26 Tema 2

6 Periodo de retorno de dise no para cuencas urbanas vertiendo

a cauces. Condici on de contorno a considerar

La red de drenaje de pluviales tiene su periodo de retorno de dise no, acorde con los criteriosexpuestos anteriormente. Sin embargo la red desagua al nal en un cauce natural y en el c alculohidr aulico del tramo nal debe considerarse como condici on de contorno el posible nivel de aguaque exista en el cauce. La cuenca asociada al cauce suele ser de mayores dimensiones que lazona urbana que drena a traves del colector por lo que el suceso de lluvia que se produce en laciudad no tiene la misma importancia a nivel de cuenca. Aparece la duda de que nivel de aguaen el cauce hay que utilizar como condici on de contorno en el c alculo del colector.

Esta pregunta se puede reformular en el sentido de que periodo de retorno debera conside-rarse en el cauce, con su caudal asociado correspondiente, en el dise no del conducto. En principiolos sucesos que producen caudales importantes en la cuenca uvial y la cuenca urbana se puedenconsiderar sucesos independientes, cuando la diferencia de tama no entre cuencas es grande. Porotro lado, si la cuenca urbana es muy peque na y el suceso de lluvia act ua de manera uniformeen todo el territorio, difcilmente se producir an en el mismo momento las puntas de caudal en elcauce y en el colector de desague. Ello se debe a los diferentes tiempos de respuesta hidrol ogicade las cuencas.

Cuanticar este hecho es un tema complejo. La ocurrencia simult anea de dos sucesos in-dependientes se dene como el producto de la probabilidad de ocurrencia de cada uno de lossucesos. En otras palabras, si los sucesos son independientes, la probabilidad de ocurrencia deun suceso de periodo de retorno de 5 a nos en la zona urbana y en la cuenca uvial m as grandees de 0.2 x 0.2 = 0.04, es decir de 25 a nos de periodo de retorno.

Periodo de retorno a considerar en sucesos concurrentes

Periodo de retorno 2 anos Periodo de retorno 5 anosRelaci on de areas Cauce principal Colector Cauce principal colector

10000/1 1 2 1 52 1 5 1

1000/1 1 2 2 5

2 1 5 2100/1 2 2 2 5

2 2 5 510/1 2 2 5 5

2 2 5 51/1 2 2 5 5

2 2 5 5

Tabla 4: Periodos de retorno a considerar en obras de drenaje vertiendo a cauces entre 2 y 5 a nos

En circunstancias normales, los sucesos de lluvia en la cuenca grande y peque na no son deltodo independientes, por lo que no sera aceptable considerar que por un colector viene el caudal


27/395


maximo asociado al suceso de lluvia de diseno, y por el ro el nivel esta en condiciones de aguas

bajas. En el caso de vertidos a un cauce, el US Army Corps of Engineers y otros Departamentosnorteamericanos sugieren el uso de las siguientes tablas 4 a 6. De acuerdo con la relaci on entresupercie de la cuenca uvial y de la cuenca urbana se sugieren unos periodos de retorno dediseno de la red de drenaje y unos periodos de retorno del caudal existente en el ro en la zonade desague de la red y viceversa. Estos datos proceden del Cuerpo de Ingenieros del Ejercito delos EE.UU. y del Departamento de Transportes (US. Dep. of Transportation, 1996)



10000/1 1 10 2 2510 1 25 2

1000/1 2 10 5 2510 2 25 5

100/1 5 10 10 2510 5 25 10

10/1 10 10 10 2510 10 25 10

1/1 10 10 25 2510 10 25 25




10000/1 2 50 2 10050 2 100 2

1000/1 5 50 10 10050 5 100 50

100/1 10 50 25 10050 10 100 25

10/1 25 50 50 10050 25 100 50

1/1 50 50 100 10050 50 100 100



28/395

28 Tema 2

A la vista de estas recomendaciones podemos plantear un caso de una cuenca urbana con una

supercie de 15 Km2

y una cuenca de cabecera de 150 Km2

que aporta a un ro que atraviesa lapoblaci on. Si disenamos el cauce principal del ro en nuestra poblaci on para periodo de retornode 50 anos, como las dos cuencas presentan una relaci on de areas del orden de 10, esto suponeque entre la red de drenaje y las calles ha de llegar al cauce del ro un caudal producido por unalluvia de periodo de retorno de 25 anos en la zona urbana. Deberamos considerar por tanto enel diseno de la red de drenaje de la ciudad el an alisis con periodo de retorno de 25 anos (tabla 6).Trabajar con periodos de retorno m as peque nos puede ser peligroso e incoherente. Este an alisisdebe considerar la aportaci on desde la ciudad al ro de esos caudales, que pueden llegar bien atraves exclusivamente de la red de drenaje (dise no de red para periodo de retorno 25 a nos) o demanera conjunta red / calles. En este ultimo caso, debemos vericar el comportamiento de lasupercie de la ciudad para esos caudales de dise no, los niveles de agua alcanzados y los posibles

riesgos asociados a ese ujo en la calle. Para el dise no de la red de alcantarillado de periodo deretorno 25 a nos o del nivel que se je, se tomaran como niveles en el ro a la salida de la red,actuando como condicion de contorno, un calado en el cauce correspondiente a un caudal en elro de periodo de retorno 10 a nos (tabla 5).

Si la cuenca de cabecera fuera de 15000 Km 2 , la relaci on de areas ser a de 1000, y los sucesosde lluvia ser an menos coincidentes en las dos cuencas. Cuando se dise na el encauzamiento delro para periodo de retorno de 50 a nos, se asume concurrente con el caudal m aximo en el ro unaaportacion desde la red de un caudal de periodo de retorno de 5 a nos (tabla 6). Esto no quieredecir que la red de alcantarillado este dise nada para 5 anos, sino para el nivel de seguridad quejemos, por ejemplo para 10 anos. Tan solo nos indica que a la hora de dise nar el encauzamientodel ro tenemos que considerar unos niveles de agua en la red con ese periodo de retorno ya quedadas las diferencias de area entre cuencas los picos de caudal en el ro y a la salida de la red dealcantarillado es poco probable que coincidan. En el dise no de la red de alcantarillado, si estaes de 10 anos de periodo de retorno, los niveles de agua en el ro ser an los correspondientes a uncaudal de periodo de retorno de 1 a no (tabla 5).

Igualmente, a la hora de calcular los niveles de agua en la red de alcantarillado con caudalesde periodo de retorno 10 anos, el nivel de agua en el ro que actuar a como condicion de contornodeber a ser el correspondiente a un caudal en el ro de periodo de retorno 2 a nos.

7 Criterios globales de dise no a considerar en el sistema de dre-naje de una poblaci on

Se han mencionado diferentes aspectos relativos al dise no de la red de drenaje. Pero la seguridadante inundaciones de una ciudad es algo m as que el funcionamiento de una red de drenaje.Durante mucho tiempo la atenci on se ha centrado exclusivamente en este aspecto. Y en ocasionescon situaciones algo contradictorias como se ha apuntado anteriormente en el dise no combinadode redes de alcantarillado y cauces uviales en zona urbana.

El sistema de drenaje de una poblaci on est a compuesto en principio por la red de drenaje

enterrada y por la red supercial formada por las calles de la ciudad. Estos ultimos son losprimeros elementos de circulaci on de caudal y ademas son los que est an en contacto con el


29/395


ciudadano. Los primeros problemas de inundaci on se detectan en las calles y pueden darse

a veces no por falta de capacidad de la red sino por problemas derivados de la circulaci ondesordenada de caudales en la supercie de la poblaci on o mala captacion. Parece por tantoque este hecho debera considerarse a la hora de jar criterios de dise no en el sistema de drenajeglobal.

La conexi on entre ambos elementos del sistema se realiza a traves de los elementos de cap-taci on (rejas o sumideros) que limitan los caudales en la calle y adem as los introducen en la red.Este sistema debe disenarse de manera combinada con los anteriores, y con un criterio doble:evitar que los caudales de circulaci on crezcan de manera descontrolada, en el sentido de quepuedan llegar a ser elevados y supongan un riesgo para los peatones o conductores, y por otroel introducir el agua en la red.

Si se ja un periodo de retorno de dise no, de 10 anos por ejemplo, este criterio de c alculo seha referido siempre al de los conductos de evacuaci on que tenemos que ubicar. Pero resaltar otravez que el centrar exclusivamente este criterio en la red es una visi on sesgada y en absoluto globaldel problema. Como hemos indicado anteriormente, este criterio debe extenderse al an alisis delfuncionamiento de tres subsistemas:

Analisis de la escorrenta en las calles y en el resto de la supercie de la ciudad

Analisis del sistema de recogida (rejas y sumideros)

Analisis de capacidad de la red de alcantarillado

En el primer apartado debemos evaluar c omo funciona nuestra ciudad en un da de lluvia.Supone analizar el comportamiento hidrol ogico e hidr aulico de la zona urbana incluyendo lared de calles y de los caudales que circulan por ella. Este an alisis debe hacerse combinadocon el sistema de captacion, las rejas o sumideros existentes en la supercie de la ciudad, paradeterminar la eciencia de recogida de ese sistema y denir los caudales realmente captadoshacia la red y los caudales existentes en la supercie de la ciudad. Este an alisis se deberahacer prioritariamente en cualquier ciudad, sin suponer como se hace hasta ahora que el aguade lluvia acabe entrando en la red. El agua primero circula por la ciudad y va entrando en lared en la medida que existen elementos de captaci on sucientes. Si no es as, el agua circula

de manera libre en la supercie de la ciudad debiendo valorarse los problemas que estos ujospuedan producir.

El otro resultado de este primer an alisis es, como se ha indicado, los caudales captados porel sistema de captacion e introducidos en la red. Es muy importante reexionar sobre estehecho: ese resultado es el esquema de caudales con que realmente debe calcularse la red. En laactualidad estamos asumiendo que el agua de escorrenta entra en la red y adem as en los sitiosque nosotros decimos.

Pero puede ser en muchos casos una ilusi on y la realidad ser mas dura de aceptar: el agua nohace lo que nosotros queremos sino lo que el sistema de drenaje le permite, circular en superciey entrar en la red una parte de ella. Este an alisis no se ha realizado hasta ahora de manera

sistem atica, con lo cual estamos incurriendo en una serie de errores cuyas consecuencias a vecessorprenden incluso a los tecnicos municipales. C omo es posible que tengamos inundaciones


30/395

30 Tema 2

cuando se acaba de construir una red de alcantarillado nueva, y calculada con las herramientas

mas modernas? Pues porque no hemos considerado el problema de manera global sino parcial,eliminando los dos primeros pasos del proceso de dise no y centr andonos s olo en el tercero.

Pero ese an alisis para periodos de retorno bajos no debe ser el unico a realizar. Es necesarioque estudiemos que pasa en nuestras ciudades en caso de lluvias m as intensas. Estaremos deacuerdo en mantener un nivel de dise no para nuestras redes de drenaje en el entorno de los 10anos, pero quiz as sugiriendo una revision al alza. Pero tambien hemos de conocer que pasa antelluvias de periodo de retorno muy superior. A este respecto deberamos tener en cuenta loscriterios establecidos en otros pases como dise nar la red para una tormenta menor, del ordende 10 anos por ejemplo, y comprobar el comportamiento para otra tormenta mayor, del ordende los 100 anos por ejemplo. Para esas tormentas mayores hemos de considerar como sistema dedrenaje tanto el subterr aneo (red de drenaje) como el supercial (las calles) y evaluar el estadode los niveles de agua y las velocidades alcanzadas en supercie, valorando los riesgos asociadosa esos valores.

8 Resumen y conclusiones

En este tema se han discutido algunos de los enfoques para determinar el nivel de seguridadadecuado en nuestras ciudades ante tormentas. Debemos propugnar un enfoque global de lasolucion del problema de manera sistem atica, analizando primero el comportamiento de la su-

percie de nuestras ciudades en tiempo de lluvia y despues el dimensionado de nuestra redde alcantarillado para los caudales que estamos en condiciones de captar. Adem as, considerarsolo el analisis para periodos de retorno bajos supone no valorar adecuadamente la situaci onde nuestras ciudades ante la lluvia. Debemos introducir conceptos nuevos como el de dise noa dos niveles, uno para tormentas menoresen base a la que tras evaluar la respuesta de laciudad dise namos exclusivamente la red enterrada, y otro para tormentas mayoresen los queconsideramos el comportamiento tanto de la red enterrada como de la ciudad para tormentascon periodos de retorno mas altos. S olo as podremos garantizar un buen funcionamiento denuestras poblaciones ante la presencia de lluvias intensas a la vez que entendemos mejor losproblemas derivados de la presencia del agua en la ciudad.

9 Referencias

ATV-A 118-E. 1998 Standards for the Hydraulic Calculations of wastewater, Stormwater andCombined wastewater Sewers

Fleming, G. (2002) Flood Risk Management. Thomas Telford. Londres

Clark County (1999) Hydrologic Criteria and Drainage Design Manual.http://www.ccrfcd.org/drainagestandards.htm

EN-752. 1997 CEN. Norma europea. Reseaux devacuation et d assainissement `a lexterieurdes batiments. Partie 4. Conception hydraulique et considerations liees ` a lenvironnement.


31/395


New York State (2001) Stormwater Management Design Manual New York State

http://www.dec.state.ny.us/website/dow/swmanual/swmanual.htmlOttawa (1986) - Design Manual for Sewer Hydraulics - March 1980, Revised March 1986. Cityof Ottawa.

TDOT (2002) Hydraulic Design Manual. Texas Dep. of Transportation.http://www.dot.state.tx.us

US Dep, of Transportation (1996) Urban Drainage Design Manual. Hydraulic EngineeringCircular n o 22. PB97-134308. Washington D.C.

VDOT (2002) Drainage Manual. Virginia Dep. of Transportation.

http://www.extranet.vdot.state.va.us/locdes


32/395

INFORMACI ON DE LLUVIA A UTILIZAR.LLUVIA DE PROYECTO




1 Datos de lluvia

1.1 Efectos de escala en los estudios de tipo hidrol ogico en zona urbana

El estudio hidrologico de cuencas urbanas presenta una serie de particularidades derivadas delhecho urbano. En primer lugar, las dimensiones de las cuencas son mucho m as peque nas que lascorrespondientes a los ros. Mientras que en el estudio hidrol ogico habitual de un ro, la unidadde medida de la cuenca suele ser el Km 2, con supercies totales de decenas, cientos o inclusomiles de kilometros cuadrados, en zona urbana la unidad de medida es la Hect area, o sea 100veces menos que 1 Km 2.

Este trabajo a escala reducida hace que todos los dem as elementos del estudio queden afec-tados por un factor de escala. No encontraremos caudales de miles o cientos de metros c ubicospor segundo sino del orden de pocos metros c ubicos por segundo. Pero el hecho m as signicativoes la reducci on de la escala de tiempo en todos los procesos. Los tiempos de concentraci on semedir an en minutos (no en horas ni das) y por esta raz on, la cuenca urbana ser a sensible aefectos de lluvias muy intensas y que duren pocos minutos. Un suceso de lluvia muy intensade duraci on 15 minutos, que actue sobre una pequena supercie (pocas Hect areas) tendr a unarepercusi on indudable en el caudal punta pero si la supercie total de la cuenca es de decenaso cientos de Km 2, esa inuencia quedara muy limitada, al difuminarse entre los efectos globalesde una gran cuenca.

Por esta razon, en los estudios de hidrologa urbana el intervalo de tiempo en que debemosdisponer de informacion de lluvia es mucho mas peque no que el habitual en los estudios hi-drol ogicos de cauces naturales. Los intervalos de tiempo de media hora o una hora, habitualesen el estudio hidrologico de una cuenca uvial no son admisibles en general en zona urbana. De-beremos operar con pasos de tiempo de 5 a 10 minutos, como norma general, o incluso menores

segun el tamano de cuenca. Esto supone una informaci on muy detallada de la evoluci on de lalluvia en el tiempo

33


33/395

34 Tema 3

Este nivel de detalle en la informaci on puede suponer un problema ya que no siempre est a dis-

ponible, al carecer o bien de observatorios meteorol ogicos, o por falta de equipamiento de estoscon un pluvi ometro de intensidad. La informaci on de lluvia cada en 24 horas que es la m ashabitualmente registrada, puede ser por s sola muy poco util a nivel de estudios en zona urbana.

2 Analisis de datos de lluvia

2.1 Enfoques del estudio seg un el nivel de informaci on disponible

Si consideramos la cuenca hidrol ogica objeto de estudio como un sistema din amico, el procesoque se produce en ella desde el enfoque de la dinamica de sistemas sera la acci on de una se nal deentrada, la lluvia, que sufre una modicaci on debida a las caractersticas de la cuenca, procesolluviaescorrenta, para transformarse en una se nal de salida como es el caudal.

CUENCA

PRECIPITACIN

I (t)

CAUDAL

Q (t)

Figura 1: Esquema representando el comportamiento hidrol ogico de unacuenca

La primera informacion o senal de entrada en el ciclo hidrol ogico debe ser por tanto lainformaci on relativa a la lluvia. Esta debera proceder de medidas reales de eventos de lluviaregistrados sobre la cuenca objeto de estudio o, en su defecto, en zonas inmediatas. Cuandoestamos interesados en estudios de dimensionamiento o comprobaci on de la situaci on de unacuenca o un tramo de cauce concreto ante lluvias extremas, estamos hablando de estudios desucesos de lluvias aislados. Para este tipo de an alisis se pueden emplear tres tipos de informaci onpluviometrica:

1. Lluvias hist oricas registradas y que produjeron serias consecuencias desde el punto de vistade inundacion en la cuenca, y que dejaron adem as secuelas en la memoria hist orica de lapoblaci on. Se tratara de un proceso de dise no de una infraestructura (encauzamiento,etc) cuyo objetivo nal es que si se volviera a dar una precipitaci on igual a la que se regis-tr o ese da, no se produjeran inundaciones. Este criterio no est a basado en consideracionesestadsticas de riesgo, sino que se asocia a un suceso concreto. Es f acilmente explicablea la poblaci on, e incluso se puede ilustrar con documentaci on de los efectos producidos

por la inundacion hist orica, indicando que esos danos ya no se produciran con las nuevasactuaciones.


34/395

Informaci on de lluvia a utilizar. Lluvia de proyecto 35

2. Series temporales de lluvias, registradas en observatorios dentro de la zona de estudio,

o incluso series sinteticas generadas a partir de metodos estadsticos. Con estos datosde lluvia, aplicaremos un modelo de transformaci on lluviaescorrenta y as se obtienenlos diferentes hidrogramas de caudal, sobre los que se realiza un an alisis estadstico paradeterminar el valor del ujo asociado a un periodo de retorno determinado. Otra manerade utilizar estos datos sera establecer un an alisis de comportamiento de la cuenca no enel dominio de la probabilidad de inundaci on sino en el de frecuencia de inundaci on. Siasumimos que los datos de lluvia registrados son representativos de la precipitaci on enla cuenca, y aceptamos que en el futuro seguir a lloviendo como hasta ahora, podemosrealizar los estudios hidrol ogicos e hidr aulicos para comprobar el comportamiento de lainfraestructura a dise nar. Si por ejemplo, tenemos datos de lluvia de 20 a nos, digamos unos1200 sucesos de lluvia por ejemplo, lo que supone una media de 60 sucesos de lluvia al a no,

tenemos que realizar los 1200 estudios de transformaci on lluvia - caudal, y los 1200 c alculoshidr aulicos asociados. Podemos evaluar cu antas veces se supera la capacidad de desag uede la obra hidraulica, en un cierto numero de a nos. Este enfoque da como resultado elpoder decir que la obra disenada se ver a superada un numero X de veces en N a nos (iguala los que tenemos datos). No se trata de ning un concepto estadstico, ni de periodo deretorno. Se trata de un an alisis de frecuencia de inundaci on. El inconveniente que tieneeste procedimiento es que no solemos tener series temporales muy largas, sino que tan solodisponemos de series de 20, 30 a nos (algunos casos excepcionales como los pluvi ometrosde Barcelona o Valencia, pueden llegar a 50 o mas anos). Cuando tenemos un resultadocomo por ejemplo, que no se inunda nunca en los 20 a nos de registro, que pasar a conesa obra en un periodo de 30 anos, o de 100? Si dispusieramos de 100 anos de registros,

podramos realizar este proceso hasta ese nivel de informaci on. Pero en general, ya hemosdicho que suelen ser como m aximo de 20 a nos o menos la longitud de esos registros. Esteprocedimiento sera adecuado para aquellas obras que suelan tener un periodo de retornode diseno bajo, del orden de 10 a 20 a nos, cosa por ejemplo frecuente en infraestructurasurbanas.

3. Lluvias de proyecto, obtenidas a partir de informaci on globalizada en forma de curvasIntensidadDuraci onFrecuencia. Podemos denir a esta lluvia de proyecto como unalluvia tipo, o lluvia sintetica que se puede asociar a u

Documents

Curso Hidrología Urbana 6ª Edición.pdf