GUÍA METODOLÓGICA PARA LA DEFINICIÓN Y DISEÑO DE …
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MODELACIÓN DE DOS SISTEMAS URBANOS DE DRENAJE SOSTENIBLE PARA LA CIUDAD DE CALI ESTUDIO DE CASO: CIUDADELA CaliDA Universidad Nacional de Colombia – Sede Manizales Facultad Ingeniería y Arquitectura Departamento de Ingeniería Civil Manizales, Colombia
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MODELACIÓN DE DOS SISTEMAS URBANOS DE DRENAJE SOSTENIBLE PARA LA CIUDAD DE
CALI ESTUDIO DE CASO: CIUDADELA CaliDA
Universidad Nacional de Colombia – Sede Manizales
Facultad Ingeniería y Arquitectura
Departamento de Ingeniería Civil
Manizales, Colombia
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MODELACIÓN DE DOS SISTEMAS URBANOS DE DRENAJE SOSTENIBLE PARA LA CIUDAD DE
CALI. ESTUDIO DE CASO: CIUDADELA CaliDa
Trabajo presentado como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ingeniería – Recursos Hidráulicos
Por:
Adriana Caicedo Padilla
Directora:
Ph.D., Jeannette Del Carmen Zambrano Nájera.
Universidad Nacional de Colombia, sede Manizales
Codirector:
PhD. Philippe Chang
Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales
Línea de Profundización
Universidad Nacional de Colombia – Sede Manizales
Facultad Ingeniería y Arquitectura
Departamento de Ingeniería Civil
Manizales, Colombia
Agosto de 2020
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Dedicada a mi madre, Rosa Mercedes Padilla, por todo su amor, apoyo,
compresión y sacrificios, porque las buenas madres crean hijos independientes
Dedicada a mi padre, Diego Luis Ángel Caicedo, por su apoyo incondicional, creer
siempre en mí y enseñarme de generosidad y ayuda a los demás.
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AGRADECIMIENTOS
En primer lugar quiero agradecer a Dios ya que gracias a Él he logrado
concluir mis metas y objetivos.
A mi tutora Jeannette Del Carmen Zambrano Nájera, quien con su
profesionalismo, conocimientos, compromiso, optimismo y apoyo, me guio a través
de cada una de las etapas de este proyecto para alcanzar el objetivo, Gracias por
todo lo que me ha enseñado que para mí y mi vida profesional es realmente valioso,
un verdadero ejemplo a seguir.
Para el desarrollo de mi tesis tuve que lidiar con toda clase de obstáculos, y
muchos de ellos los superé gracias a tu compañía, concejo y enseñanzas, mi
compañera de lucha, mi querida Yobana Arias y su apreciada familia. Gracias.
También quiero agradecer a Diconsultoría por brindarme los recursos y
herramientas que fueron necesarios para llevar a cabo el proceso de profundización.
A mi hermana Andrea y mis adorables sobrinos, que les robé tanto tiempo,
no tengo palabras para agradecerles su comprensión, sacrificio y cariño.
A mi familia: mis hermanas, hermano, sobrinos y mi sobrina Camila, por
apoyarme y creer en mí, aun cuando mis ánimos decaían. En especial, quiero
mencionar mis padres, que siempre estuvieron ahí para darme palabras de apoyo
y un abrazo reconfortante para renovar energías.
Por último, quiero agradecer a David por su apoyo incondicional y en especial
a Alex por creer en mí, por sus buenos consejos que me brindaban paz y fuerza, y
escucharme en todo momento.
Muchas gracias a todos.
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Modelación de dos sistemas urbanos de drenaje sostenible para la ciudad de Cali. Estudio de caso: Ciudadela CaliDa
RESUMEN
Las inundaciones pluviales constituyen uno de los mayores problemas de las zonas
urbanas en el siglo XXI. Estas son causadas principalmente por los cambios en el
paisaje de las cuencas debido a los procesos de urbanización, lo que a su vez
genera cambios en la hidrología. Los principales cambios son: la disminución de los
procesos de infiltración y evapotranspiración, y el incremento de la escorrentía
superficial lo que aunado a los incrementos de las velocidades de flujo en calles
genera que los drenajes no tengan la capacidad suficiente para transportar dichos
flujos causando las inundaciones pluviales. Esta problemática es aún más difícil de
tratar en ciudades con topografía plana como de Santiago de Cali. En este trabajo
se realizó una revisión de los inventarios de inundaciones pluviales disponibles para
Cali y se demostró que desde 1912 se viene presentando un incremento significativo
de estos eventos, a pesar de las cuantiosas inversiones que se ha realizado al
alcantarillado pluvial. Por tal razón, se propone el estudio de Sistemas Urbano de
Drenaje Sostenible, como alternativa de solución a la problemática mencionada. Se
analizaron dos técnicas: pavimentos permeables y techos verdes a través de la
modelación hidrodinámica con SWMM en una futura zona de expansión de Cali. De
la modelación hidrodinámica se concluye que un diseño de drenaje con métodos
convencionales no evita las inundaciones para los momentos de máxima intensidad
de la precipitación mientras que los SUDS propuestos representan una solución
sostenible al problema.
Palabras claves: alcantarillado pluvial, inundaciones pluviales, modelación
hidrodinámica, Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible, zonas de valle.
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Modeling of two sustainable urban drainage systems for the city of Cali. Case study: CaliDa citadel
ABSTRACT
Storm floods are one of the biggest problems in urban areas in the 21st century.
These are mainly caused by changes in the landscape of the basins due to
urbanization processes, which in turn generates changes in hydrology. The main
changes are: the decrease in the infiltration and evapotranspiration processes, and
the increase in surface runoff, which, together with the increases in flow velocities in
streets, means that the drains do not have sufficient capacity to transport said flows,
causing the storm floods. This problem is even more difficult to deal with in cities
with flat topography such as Santiago de Cali. In this work, a review of the inventories
of rain floods available for Cali was carried out and it was shown that since 1963
there has been a significant increase in these events, despite the large investments
that have been made to the storm sewer system. For this reason, the study of
Sustainable Urban Drainage Systems is proposed as an alternative solution to the
aforementioned problem. Two techniques were analyzed: permeable pavements
and green roofs through hydrodynamic modeling with SWMM in a future expansion
zone of Cali. From the hydrodynamic modeling it is concluded that a drainage design
with conventional methods does not prevent flooding for the moments of maximum
intensity of precipitation, while the proposed SUDS represent a sustainable solution
to the problem.
Keywords: stormwater sewer, storm flooding, hydrodynamic modeling, Urban
Sustainable Drainage Systems, valley areas.
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CONTENIDO
1 INTRODUCCIÓN _____________________________________________________ 13
1.1 Crecimiento desordenado de zonas urbanas ________________________________ 15
1.2 Uso inadecuado de sistemas de drenaje ____________________________________ 19
1.3 Disminución de la capacidad de regulación hídrica de las cuencas _______________ 20
2 OBJETIVOS __________________________________________________________ 24
2.1 Objetivo General ______________________________________________________ 24
2.2 Objetivos específicos ___________________________________________________ 24
2.3 Alcance ______________________________________________________________ 24
3 MARCO TEÓRICO ____________________________________________________ 25
3.1 Hidrología urbana _____________________________________________________ 25
3.2 Modelación hidrodinámica con SWMM ____________________________________ 26
3.2.1 Elección del modelo hidrodinámico _____________________________________________ 26
3.2.2 Procesos hidrológicos en SWMM _______________________________________________ 27
3.2.3 Cálculo hidráulico en SWMM __________________________________________________ 34
3.3 Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS) _____________________________ 36
3.3.1 Techo verde o cubiertas vegetadas ______________________________________________ 39
3.3.2 Superficies permeables _______________________________________________________ 43
4 METODOLOGÍA ______________________________________________________ 46
4.1 Caracterización de zonas de drenaje para Cali _______________________________ 46
4.1.1 Recopilación de información ___________________________________________________ 46
4.1.2 Caracterización de la precipitación en Cali ________________________________________ 50
4.1.3 Análisis de suelos y usos de suelo _______________________________________________ 52
4.2 Análisis de eventos asociados a inundaciones pluviales _______________________ 52
4.3 Metodología de selección de SUDS ________________________________________ 52
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4.4 Modelación hidráulica __________________________________________________ 52
4.4.1 Implementación del modelo hidrodinámico _______________________________________ 53
4.4.2 Evaluación hidráulica _________________________________________________________ 53
5 DIAGNÓSTICO DE INUNDACIONES PLUVIALES _____________________________ 55
5.1 Caracterización de las zonas de drenaje de Cali ______________________________ 55
5.1.1 Análisis de cartografía ________________________________________________________ 55
5.1.2 Análisis de lluvias en la ciudad de Cali____________________________________________ 66
5.2 Suelos de la zona de estudio _____________________________________________ 75
6 MODELACIÓN HIDRODINÁMICA ________________________________________ 79
6.1 Descripción del área de estudio __________________________________________ 79
6.1.1 Topografía _________________________________________________________________ 81
6.1.2 Análisis de las zonas húmedas del área de estudio _________________________________ 86
6.1.3 Uso del suelo en la ciudadela CaliDA ____________________________________________ 89
6.2 Parámetros del modelo para las subcuencas ________________________________ 92
6.2.1 Ancho de las subcuencas ______________________________________________________ 94
6.2.2 Pendiente promedio _________________________________________________________ 94
6.2.3 Propiedades derivadas del uso del suelo y del suelo ________________________________ 94
6.3 Selección de la lluvia de diseño ___________________________________________ 97
6.3.1 Duración de la lluvia __________________________________________________________ 99
6.3.2 Distribución temporal de la lluvia ______________________________________________ 100
6.4 Planteamiento de la red de alcantarillado _________________________________ 102
6.5 Discretización de subcuencas ___________________________________________ 104
6.6 Análisis hidráulico ____________________________________________________ 106
6.6.1 Zona #1 ___________________________________________________________________ 112
6.6.2 Zona #2 ___________________________________________________________________ 114
6.7 Implementación de SUDS en la cuenca ____________________________________ 118
6.7.1 Tipologías de SUDS a modelar _________________________________________________ 118
6.7.2 Parámetros del modelo para las subcuencas _____________________________________ 119
6.7.3 Análisis hidráulico con SUDS __________________________________________________ 121
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7 RECOMENDACIONES PARA IMPLEMENTACIÓN DE TECHOS VERDES Y PAVIMENTOS
PERMEABLES ___________________________________________________________ 126
7.1 Techos verdes ________________________________________________________ 129
7.2 Pavimentos permeables _______________________________________________ 130
8 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES __________________________________ 134
9 BIBLIOGRAFÍA ______________________________________________________ 139
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Árbol del problema ................................................................................... 14
Figura 2 Relieve del Municipio de Santiago de Cali ............................................... 16
Figura 3 Obstrucción de sistema de drenajes por residuos solidos ....................... 20
Figura 4 Cambio del pre y post desarrollo de procesos hidrológicos ..................... 21
Figura 5 Hidrograma antes y después de la urbanización. .................................... 22
Figura 6 Ejemplos de inundaciones pluviales ocurridas en Cali ............................ 23
Figura 7 Respuesta de caudal por el método de depósitos para una lluvia unitaria
............................................................................................................................... 33
Figura 8 Controles Pluviales SUDS ....................................................................... 38
Figura 9 Techos verdes intensivos ........................................................................ 42
Figura 10 Estructura de superficie permeable ....................................................... 44
Figura 11 Delimitación de curvas IDF para la ciudad de Santiago de Cali ............ 51
Figura 12 Red de drenaje y comunas de Cali ........................................................ 57
Figura 13 Cambios de perímetro urbano ............................................................... 59
Figura 14 Cartografía CVC: Cuencas .................................................................... 60
Figura 15 Geología de la ciudad de Cali. ............................................................... 61
Figura 16 Geomorfología y Litología de la ciudad de Cali. .................................... 62
Figura 17 Comparación de mapas de litología con drenajes actuales y paleodrenajes
............................................................................................................................... 65
Figura 18 Polígonos de Thiessen, coberturas estaciones pluviométricas, Santiago
de Cali .................................................................................................................... 66
Figura 19 Intensidad y magnitud de precipitación correspondiente a los eventos de
inundación registrados ........................................................................................... 68
Figura 20 Eventos de desastres por inundación pluvial por mes y por comuna .... 69
Figura 21 Número de eventos de inundación por año (1963-2012) y tendencias .. 70
Figura 22 Número de eventos de inundación pluvial y precipitación mensual media
multianual (1963-2012) .......................................................................................... 71
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Figura 23 Precipitación anual y número de eventos de inundación pluvial por año
............................................................................................................................... 72
Figura 24 Número de eventos de precipitación y precipitación anual para el periodo
1963-1977 .............................................................................................................. 73
Figura 25 Número de eventos de precipitación y precipitación anual para el periodo
1978-2000 .............................................................................................................. 74
Figura 26 Número de eventos de precipitación, precipitación anual e inversiones en
alcantarillado para el periodo 2001-2012 ............................................................... 75
Figura 27 Mapa de suelos en el predio CaliDA ...................................................... 76
Figura 28 Ubicación de las perforaciones (2010)................................................... 77
Figura 29 Localización general Ciudadela CaliDA ................................................. 79
Figura 30 Foto satelital de la zona de estudio ....................................................... 80
Figura 31 Esquema urbanístico de ciudadela CaliDA ............................................ 81
Figura 32 Topografía del área de estudio y drenajes de la zona agrícola existentes
............................................................................................................................... 82
Figura 33 Canales de drenaje agrícola del área de estudio ................................... 84
Figura 34 Sección transversal topográfica de la zona de estudio .......................... 85
Figura 35 Paleocacuces ........................................................................................ 86
Figura 36 Humedales-cinturón ecológico-áreas de protección .............................. 88
Figura 37 Ciudadela CaliDA y Ecoparque del Agua Navarro ................................. 89
Figura 38 Urbanismo general del proyecto ............................................................ 90
Figura 39 Usos de suelo ........................................................................................ 91
Figura 40 Subvivision de áreas ............................................................................. 93
Figura 41 Determinación del ancho (W) ................................................................ 94
Figura 42 Curvas IFD para la zona oriental de Cali ............................................... 98
Figura 43 Histograma de frecuencia de duración de la lluvia- Estación CVC ........ 99
Figura 44 Hietograma de la lluvia de diseño para el modelo ............................... 101
Figura 45 Trazado de colectores ......................................................................... 103
Figura 46 Áreas tributarias para el diseño de alcantarillado pluvial propuesto .... 105
Figura 47: Balance hidrológico de la zona de estudio .......................................... 106
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Figura 48 Análisis hidráulico para el minuto 40 y minuto 45 ................................ 108
Figura 49 Resumen de las cámaras que presentan inundación .......................... 109
Figura 50 Velocidades presentadas para el minuto 45 ........................................ 110
Figura 51 Zonas críticas de la zona de estudio ................................................... 111
Figura 52 Comportamiento hidráulico de la zona #1 para la lluvia de diseño ...... 112
Figura 53 Perfil transversal de la zona # 1 (1 a 2) para el minuto 40 ................... 113
Figura 54 Hietograma de diseños e hidrograma a la salida #1. ........................... 113
Figura 55 Comportamiento hidráulico de la zona #1 para la lluvia de diseño ...... 114
Figura 56 Perfil transversal (1-3) de la zona # 2 desde el minuto 00:25 a 1:25. .. 115
Figura 57 Perfil transversal (2-3) de la zona # 2 desde el minuto 00:25 a 1:25. .. 115
Figura 58 Hidrograma de precipitación y de la tubería de salida #2. ................... 116
Figura 59 comparación del balance hídrico entre la condición sin SUDS (izquierda)
y con SUDS (derecha) ......................................................................................... 121
Figura 60 Comparación del transporte de la escorrentía dentro de la red en la
condición sin SUDS (izquierda) y con SUDS (derecha) ....................................... 122
Figura 61 Análisis hidráulico con la aplicación de SUDS para el minuto 45 ........ 123
Figura 62 Comparación de hidrogramas modelo base vs aplicación de SUDS ... 124
Figura 63 Resultados del modelo con SUDS y sin SUDS ................................... 125
Figura 64 SUDS en SWMM ................................................................................. 127
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Situación geográfica, superficie y clima .................................................... 15
Tabla 2 Estimación de costos de opciones y alternativas de drenaje Urbano ....... 18
Tabla 3 Matriz para la selección de controles pluviales ......................................... 39
Tabla 4 Cubiertas vegetadas intensivas y extensivas ............................................ 42
Tabla 5 Relación de cartografía ............................................................................. 47
Tabla 6 Ficha descriptiva Inventario de desastres DESINVENTAR, Santiago de Cali
............................................................................................................................... 47
Tabla 7 Requisitos hidraulicos de las redes de alcantarillaso ................................ 54
Tabla 8 Características relevantes de las estaciones pluviográficas consideradas
para el periodo de registro 1963-2012 ................................................................... 67
Tabla 9 Inventario de humedales y franja de protección en la zona de Navarro ... 87
Tabla 10 Clasificación de usos de suelo para la zona de estudio .......................... 91
Tabla 11 Valores de coeficiente de Manning “n” adoptados para diferentes
coberturas y usos ................................................................................................... 95
Tabla 12 Valores de almacenamiento superficial................................................... 96
Tabla 13 Número de curva para áreas urbanas para la condición de humedad
antecedente AMCII ................................................................................................ 97
Tabla 14 Curvas IFD para la zona oriental de Cali ................................................ 98
Tabla 15 Bloques alternados, Tr 5 años .............................................................. 100
Tabla 16 Clasificación de usos de suelo para la zona de estudio ........................ 119
Tabla 17 Valores de coeficiente de Manning “n” adoptados ................................ 120
Tabla 18 Valores de almacenamiento superficial para las zonas con SUDS ....... 120
Tabla 19 Número de curva para áreas urbanas para la condición de humedad
antecedente AMCII .............................................................................................. 121
Tabla 20 Porosidades, potencial de succión y conductividad hidráulica .............. 128
Tabla 21 Parámetros sugeridos ........................................................................... 130
Tabla 22 Parámetros sugeridos para diferentes superficies ................................ 131
Tabla 23 Parámetros sugeridos para la capa de drenaje .................................... 133
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1 INTRODUCCIÓN
El problema que se abordará en este trabajo de grado es la necesidad de
implementar sistemas de drenaje no convencionales en la ciudad de Santiago de
Cali, debido al incremento en las inundaciones pluviales, lo que se realizará en la
ciudadela CaliDa. Dichas inundaciones a lo largo del tiempo han causado costosas
pérdidas materiales y humanas, deterioro de los servicios ecosistémicos de las
cuencas urbanas, aumento en los costos de construcción en sistemas pluviales y
de aguas residuales, aumento de procesos erosivos en las zonas de la ladera
urbana, aumento de las cotas de vertimiento en los cuerpos receptores, deterioro
de la calidad de agua de escorrentía y modificación del ciclo hidrológico del agua
como se observa en la Figura 1.
Se realizó una recopilación de información cartográfica e hidrológica para
identificar el patrón de drenaje de la ciudad y su magnitud, de esta manera proponer
soluciones acordes al patrón de drenaje natural de las zonas planas, como el de la
ciudad de Cali.
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Figura 1 Árbol del problema
Fuente: Elaboración propia
Poco conocimiento
en el sector para las
nuevas técnicas de
drenaje pluvial
Soluciones de
drenaje mejoradas
que no han sido
adaptadas para
condiciones locales
Débil voluntad
política en la
implementación de
soluciones de
drenaje pluvial
alternativas
Modificación del
ciclo hidrológico del
agua en centros
poblados
Uso inadecuado de
sistemas de drenaje
existente por
desagüe de residuos
sólidos
Deterioro de la
calidad de agua de
escorrentía
Implementación de soluciones
convencionales poco eficientes para el
drenaje urbano
AUMENTO DE LA FRECUENCIA DE INUNDACIONES PLUVIALES EN ZONAS POBLADAS DE SANTIAGO DE CALI
El sistema de
alcantarillado
combinado y semi
combinado demarca
gran dificultad y altos
costos en zonas con
topografía plana.
Disminución de
cobertura vegetal
Poca coordinación
de instituciones con
diferentes funciones
Acciones públicas y
privadas
independientes y
descoordinadas
Deterioro de los
servicios eco
sistémicos de
cuencas urbanas
Elevación de casos
de procesos
erosivos en zonas
urbanas
Costosas pérdidas
materiales y humanas
Aumento de costos
de construcción en
sistemas pluviales y
de separación de
aguas residuales
Aumento de cotas de
vertimiento en
cuerpos receptores
Crecimiento de zonas
urbanas impermeables
Aumento de áreas
impermeables
Crecimiento
desordenado de
zonas urbanas
Cambio de patrón de
drenaje
Inexistencia de oferta
de suelo apto para la
ubicación de la
población de estrato
0, 1 y 2
Disminución de
capacidad de
regulación de
inundaciones
C A
U S
A S
E F
E C
T O
S
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Los componentes de la Figura 1, son explicados en detalle en los siguientes ítems:
1.1 Crecimiento desordenado de zonas urbanas
Cali es la capital del departamento del Valle del Cauca, y es la segunda ciudad
de la República de Colombia, se encuentra localizada en el Valle del río Cauca entre
las cordilleras Central y Occidental. La ciudad se ubica en el Sur Occidente del país
y es una ciudad de topografía plana principalmente, pero se pueden encontrar zonas
muy altas en la montaña hacia el occidente de la ciudad (Tabla 1).
Tabla 1 Situación geográfica, superficie y clima
Fuente: (DAPM, 2014)
Latitud norte3°27'26" Longitud oeste76°31'42"
Altura sobre el nivel del mar (m) 1,070
Altura máxima (m) (Farallones) 4,070
Altura mínima (m) (Oriente) 950
Superficie Total del Municipio (km2) 560.3
Comunas (km2) 120.9
Corregimientos (km2) 437.2
Protección Río Cauca (km2) 2.2
Suelo urbano (km2) 120.9
Suelo rural (km2) 410.9
Suelo de expansión (km2) 16.5
Suelo suburbano (km2) 9.7
Temperatura promedio (°C) 24.6
Precipitación anual (mm) 1,588.0
Desde el año 1958, el municipio de Cali tuvo un vertiginoso crecimiento debido
a la migración de personas de otras partes de la región, y por ello se consolidaron
viviendas en las zonas del oriente de Cali, en la zona que previamente se había
adecuado para cultivos de caña y originalmente era la zona de inundación del río
cauca y sus afluentes. Debido a esto, EMCALI E.I.C.E. E.S.P., la empresa
prestadora de servicios públicos de Cali, no alcanzó a planificar sus servicios para
dichos asentamientos (Arias & Florez, 2011). Como consecuencia de esto, el
municipio se vio en la necesidad de construir obras para la prevención de
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inundaciones, como el dique al costado izquierdo del río Cauca. Lo mencionado
anteriormente y la fisiografía de la zona de estudio permite comprender aún mejor
la problemática que se viene presentando (Figura 2).
Figura 2 Relieve del Municipio de Santiago de Cali
Fuente: Tomado de Geoportal MAPASCALI, Modelo Relieve
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Con respecto a lo anterior se resaltan las siguientes características de la zona de
estudio:
• El costado occidental del municipio de Cali cuenta con relieve pronunciado,
donde se forman subcuencas afluentes del río Cauca, las cuales deben
atravesar la zona urbana para verter sus aguas. Varios de los drenajes de estas
subcuencas fueron aterrados para conseguir terrenos urbanizables.
• La zona oriental del municipio resume las aguas de los cauces naturales y
paleocauces propios de las cuencas de zona plana.
• La zona oriental del municipio es la zona de inundabilidad del río Cauca.
• Dicha zona cambió su uso de suelo para el emplazamiento de vivienda y demás
amoblamientos urbanos.
• Los asentamientos y la falta de coordinación con los servicios públicos han
cambiado el patrón de drenaje natural y las dinámicas del comportamiento fluvial
en todas las cuencas del sector, afectadas por las dinámicas antrópicas propias
del desarrollo urbano, incluido el consumo de servicios y la producción de
residuos.
Para la ciudad, se tienen datos importantes de que la zona de crecimiento para
los migrantes nacionales correspondía a suelos de inundación del río Cauca, y a
suelos sin la visión de uso para urbanismo, sino para el cultivo de caña de azúcar
(Arias & Florez, 2011). Es decir, suelos sin la preparación para recibir y atender con
los servicios adecuados a los migrantes quienes llegaban en condiciones de
búsqueda de oportunidades en la región (COSSO, 2013b).
Así las cosas, entidades como la Alcaldía Municipal, la Corporación Autónoma
Regional del Valle del Cauca (CVC) y EMCALI E.I.C.E. E.S.P., no pudieron aunar
esfuerzos a tiempo ni al mismo ritmo de crecimiento de asentamientos (COSSO,
2013b). De igual forma, los esfuerzos de cada entidad, en especial de EMCALI
E.I.C.E. E.S.P., han sido la implantación de soluciones de alcantarillado separado,
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para aguas residuales y pluviales. No obstante, con el tiempo se han combinado,
sin solucionar el problema de drenaje pluvial eficientemente (Arias & Florez, 2011).
La implementación de soluciones de drenaje convencionales como la
construcción de nuevos colectores, resulta en el aumento de las dificultades que
van desde la insuficiencia del espacio disponible en la superficie, la afectación a las
otras redes de servicios públicos y al tráfico durante la construcción (Jha et al.,
2012).
Estudios como los de la Corporación OSSO (2013) y de Arias & Flórez (2011),
indican que a pesar de que se debe y se pueden implementar mejores prácticas de
drenaje con la adopción de Sistemas Urbanos Sostenibles (SUDS), las mismas no
han sido adaptadas a las condiciones locales de tipo de suelo, pendientes,
parámetros de diseño, tecnologías aplicables y costos.
Sumado a ello, la débil voluntad política y/o el desconocimiento de dichos
actores para el respaldo a dichas tecnologías sea causada por los altos costos que
significan. De acuerdo a la evaluación económica realizada por Corporación OSSO
(2013a), los SUDS son alternativas costosas pero sin duda más eficientes (ver Tabla
siguiente) (COSSO, 2013a).
Tabla 2 Estimación de costos de opciones y alternativas de drenaje Urbano Fuente: COSSO, 2013
Variables del
modelamiento
Volumen desbordado
(m3)
Porcentaje desbordado
Medida de Mitigación para
controlar el desbordamiento
Porcentaje volumen
controlado
Duración de la obra
Costo estimado
OPCIÓN 1
Pondajes actuales recuperados (640.000 m3)
113.405 100% Solo muros
laterales de 2km x 2 m
100% 8meses $4.237.777.250
OPCIÓN 2
Pondajes actuales recuperados
(640.000 m3) + Bombeo 10 m3/s
97.210 86% Solo bombeo de
10 m3/s 14% 22meses $30.158.849.465
OPCIÓN 3
Pondajes actuales recuperados
(640.000 m3) + desvío y
almacenamiento de parte del
caudal de canal oriental superior
35.307 31%
Solo almacenamiento libre de 515.040
m3
69% 18meses $39.886.583.649
OPCIÓN 4
Pondajes actuales recuperados
(640.000 m3) + desvío y
almacenamiento de parte del
caudal de canal oriental superior + Bombeo 20 m3/s
1.801 2%
Almacenamiento libre de 515.040 m3 + bombeo 20
m3/s + muros laterales de 600 m
x 1,20 m
100% 24 meses $91.445.567.098
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Variables del
modelamiento
Volumen desbordado
(m3)
Porcentaje desbordado
Medida de Mitigación para
controlar el desbordamiento
Porcentaje volumen
controlado
Duración de la obra
Costo estimado
OPCIÓN 5
Pondajes actuales recuperados
(640.000 m3) + desvío y
almacenamiento de parte del
caudal de canal oriental superior + Bombeo 30 m3/s
Sin desborde
Sin desborde
Almacenamiento libre de 515.040 m3 + bombeo 30
m3/s
100% 24 meses $111.664.645.376
Opción propuesta
Los anteriores problemas en el drenaje urbano son aún más pronunciados si
no existen procesos adecuados de planificación urbana. Esta situación es la que se
presenta en Santiago de Cali. A continuación, se describe con mayor detalle algunas
de las situaciones antes mencionadas.
1.2 Uso inadecuado de sistemas de drenaje
El uso que se le da a los sistemas convencionales de drenaje no es adecuado
ya que se han encontrado cerca de 400 toneladas de basuras y escombros en las
estaciones de bombeo (ver Figura 3), canales y conductos de gran diámetro, que
disminuyen la capacidad de captación y transporte de la escorrentía y hace que
colapse el sistema (Osorio, 2011). En especial, en la zona oriental de Cali, por lo
que ha sido un agravante de las inundaciones (ElPaís, 2014).
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Figura 3 Obstrucción de sistema de drenajes por residuos solidos
Fuente: El País, 2011. Osorio, C (2011)
En las zonas de ladera de la ciudad, ya sea por material suelto de la misma o
canteras, en épocas de lluvias, la escorrentía arrastra material y genera
obstrucciones en los sistemas de drenaje existentes, como sucede en la zona de
Siloé y Menga de la ciudad (El País, 2017), sumado a ello, la indisciplina social que
utiliza los diferentes sistemas de drenaje urbano para la disposición de residuos
sólidos (El País, 2011).
1.3 Disminución de la capacidad de regulación hídrica de las cuencas
El siglo XXI ha acelerado considerablemente el proceso de urbanización. De
manera que la población ubicada en zonas urbanas ha aumentado del 40% en 1951
al 78% en 2018 (Agudelo R & Duque G, 2018). Estos cambios han presionado
grandes modificaciones en el paisaje de las cuencas. Entre los principales cambios
están la disminución o eliminación de la cobertura vegetal para ubicar viviendas y
otras infraestructuras propias de las ciudades y la impermeabilización de las
cuencas. Estas modificaciones han generado a su vez grandes modificaciones en
el ciclo hidrológico urbano generando disminución de la capacidad de regulación
hídrica de las cuencas.
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En primer lugar, los cambios de la cobertura superficial a una cobertura no
vegetal disminuye la capacidad de interceptación de la escorrentía, como se
observa en la Figura 4 (Woods-Ballard et al., 2007). Esto implica que en los eventos
de precipitaciones no exista la manera de retener el agua ya sea por interceptación
y/o evapotranspiración.
Figura 4 Cambio del pre y post desarrollo de procesos hidrológicos
Fuente: Hoban y Wong, 2006
Segundo, los procesos de urbanización cambian las coberturas por materiales
duros mucho menos rugosos que la vegetación original, lo que genera grandes
áreas impermeables. Los suelos pavimentados son incapaces de absorber las
aguas pluviales y por ello los volúmenes de escorrentía superficial, es decir, las
aguas que fluyen de manera superficial son mayores causando inundaciones son
cada vez más considerables por este fenómeno (Fernández, 2004). El aumento de
las áreas impermeables incide en la disminución de la recarga de acuíferos y por
ende del flujo base de las cuencas. Adicionalmente, se aumentan los picos de
caudales de escorrentía, la erosión en las bancas y el transporte de sedimentos
(Brattebo & Booth, 2003).
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Por ejemplo, la construcción de vías, andenes o viviendas que implican zonas
duras de tipo liso, aumentan las velocidades de flujo y por tanto también contribuyen
a los incrementos de los volúmenes de escorrentía (Ver Figura 5). Esta situación
puede ser aún más crítica dependiendo de las pendientes de las zonas, ya que es
posible que las obras de drenaje dispuestas no alcancen a captar las aguas lluvias.
Figura 5 Hidrograma antes y después de la urbanización.
Fuente: (Leopold, 1968)
La disminución de la capacidad de regulación de inundaciones, el aumento de
áreas impermeables, los cambios en la cobertura superficial y los cambios en el
material de cobertura son problemas que han sido evidenciados en diferentes
ciudades con problemas de drenaje a nivel mundial, así como también en Santiago
de Cali.
Las problemáticas descritas anteriormente, han generado incrementos en la
frecuencia de eventos de inundación pluvial, lo cual genera efectos considerables
en la economía y el desarrollo de las actividades normales de Cali.
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Por ejemplo, las inundaciones pluviales causan severos colapsos viales,
perjudicando la movilidad, la productividad, aumentando los accidentes de tránsito
y causando daños en automotores, como los registrados en marzo y mayo de 2015
(ElPaís, 2015a, 2015b) (ver Figura 6).
Figura 6 Ejemplos de inundaciones pluviales ocurridas en Cali Fuente: El País, 2015a, El País, 2015b
Es así, como los Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (conocidos como
SUDS) se vienen adelantando como soluciones a los efectos que generan las
fuertes lluvias y los procesos de urbanización en áreas donde se ha incrementado
la escorrentía superficial. Como tal, un enfoque multiescala y multicriterio se vuelve
fundamental al identificar las oportunidades para la implementación de SUDS dentro
de una ciudad (Jiménez Ariza et al., 2019).
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2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
Elaborar una comparación de la implementación de dos Sistemas Urbanos de
Drenaje Sostenible a través de la modelación hidrodinámica de SWMM para zonas
con características planas de la ciudad de Santiago de Cali.
2.2 Objetivos específicos
• Identificar patrones de drenaje y zonas críticas de drenaje de la ciudad de
Santiago de Cali.
• Realizar un análisis de los eventos que históricamente han causado
inundaciones pluviales.
• Realizar recomendaciones metodológicas para la modelación en SWMM de
dos sistemas de drenaje sostenible.
2.3 Alcance
El alcance estará enmarcado en la aplicación de la guía metodología para dos
sistemas urbanos de drenaje sostenible a nivel de ingeniería básica como son las
superficies permeables y los techos verdes como se recomienda en las en la Guía
de construcción sostenible (Ministerio de Vivienda Ciudad y Territorio, 2015) ya que
son representativos y aplicables a la zona de estudio, es de aclarar que solo se
trabajará con la información recopilada.
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3 MARCO TEÓRICO
En este capítulo se presenta la revisión literaria de los conceptos fundamentales
de hidrología urbana, de la modelación hidrodinámica con el modelo SWMM (Storm
Water Management Model), así como la conceptualización en la que está
fundamentado este modelo y por último los SUDS. De estos últimos se define la
filosofía para su implementación, los tipos existentes y se hace énfasis en los dos
tipos de SUDS con los que se trabajará en el presente estudio.
3.1 Hidrología urbana
La hidrología urbana consiste en el estudio del agua y sus relaciones con
diversas actividades antropogénicas en la zona urbana, dado que la urbanización
produce cambios significativos en el ciclo hidrológico natural, debido al aumento de
las superficies impermeables y la construcción de sistemas de drenaje para la
evacuación del agua lluvia (Moujahid, Stour, & Agoumi, 2015).
Según Woods-Ballard et al., 2007 la hidrología urbana y sus efectos se puede
resumir en lo siguiente:
“Históricamente, la urbanización ha llevado a la pérdida y degradación de los
humedales, ríos y aguas subterráneas a través de contaminación,
agotamiento de los recursos y la construcción dentro de las llanuras de
inundación naturales. Los sistemas de drenaje tradicionales generalmente no
han sido diseñados con la sostenibilidad en mente, y la mayoría han pagado
con el insuficiente control efectivo de inundaciones, gestión de la calidad del
agua, los recursos hídricos, equipamiento, o los requisitos de la
biodiversidad”.
Es importante tener claro que las áreas de afectación donde se han llevado
procesos de urbanización son cuencas, lo cual modifica la respuesta hidrológica de
las mismas frente a una determinada precipitación, y los sistemas de drenaje
convencionales se han diseñado con el criterio de drenar lo más eficiente y rápido
posible la zona urbana, en consecuencia, se ha encontrado que el coeficiente de
escorrentía aumenta y el tiempo de concentración disminuye considerablemente
(Gómez, 2007).
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En consecuencia, para mejorar las condiciones de drenaje urbano se deben
utilizar opciones alternas conocidas como BMPs (Best Management Practices) o
LID (Low Impact Development) o WSUD (Water sensitive urban design) para la
planificación y el diseño de sistemas de drenaje urbano que ayudan con el
mejoramiento de la capacidad de recuperación en eventos de inundaciones y
problemas de drenaje asociados a tormentas, conocidos como Sistemas Urbanos
de Drenaje Sostenible (SUDS) (Natural Resources and Water, 2007).
3.2 Modelación hidrodinámica con SWMM
Para desarrollar un adecuado drenaje urbano se requiere el conocimiento e
implementación de modelos tanto hidrológicos como hidráulicos, es decir, un
modelo hidrodinámico (Valentín, 2007b), ya que se deben determinar los volúmenes
de escorrentía, introducir la escorrentía a la red de alcantarillado, verificar la
capacidad hidráulica de la red y garantizar el transporte y el vertimiento a una fuente
receptora. Entonces, es necesario calcular variables hidráulicas como nivel de agua
y velocidad del fluido en los conductos de la red de alcantarillado proveniente de la
escorrentía superficial (Valentín, 2007a).
3.2.1 Elección del modelo hidrodinámico
Para elegir el modelo hidrodinámico a implementar en el proyecto de
Ciudadela CaliDA, se tuvo en cuenta el modelo SWMM-Storm Water Management
Model dado que ha sido utilizado como modelo base para los diferentes modelos
hidrodinámicos existentes, además es un modelo gratuito y robusto que se viene
desarrollado desde los años 1969-1971, siendo uno de los primeros modelos
hidrodinámicos desarrollados para drenaje urbano y ha seguido teniendo mejoras
contenidas en diferentes versiones (Valentín, 2007b).
El concepto de SWMM se basa en la división de la cuenca en subcuencas y
cada una tiene sus diferentes parámetros y la escorrentía de cada una se ingresa a
la red para ser transitada por la misma (Valentín, 2007a). Sin embargo, existe la
limitación, consistente en el preprocesamiento para determinar las subcuencas.
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Dentro del ámbito normativo colombiano, se puede afirmar que el modelo
SWMM cumple con la Resolución 0330 2017 (Ministerio de Vivienda Ciudad y
Territorio, 2017) en el artículo 137, el cual establece:
“Se debe realizar el diseño de la red de alcantarillado mediante el empleo de la
formulación matemática que defina los diámetros, las pendientes y los
parámetros mínimos hidráulicos de los conductos del sistema, el cual deberá ser
verificado mediante el empleo de una modelación hidráulica de las redes de
alcantarillado, mediante el uso de un programa que permita simular entre otros
el sistema existente, el cual debe estar basados en ecuaciones de resistencia
fluida, que permita obtener resultados de tal forma que el modelo matemático
represente en gran medida el modelo físico o prototipo de la red de
alcantarillado. El programa de análisis hidráulico debe tener la capacidad de
simular condiciones de flujo uniforme, así como condiciones de flujo no
permanente mediante la solución de las ecuaciones de Saint – Venant, con sus
correspondientes condiciones de frontera.
Adicionalmente, el programa de análisis debe permitir simular el efecto de las
pérdidas menores de energía ocasionadas por la presencia de estructuras de
conexión y/o inspección. Cuando se presenten pérdidas de energía negativas o
iguales a cero, se debe dejar una caída mínima de 2 cm entre cotas claves de
las tuberías”.
3.2.2 Procesos hidrológicos en SWMM
El proyecto es concebido como una cuenca, la cual una vez definida la de
estudio se deberá discretizar, es decir, se divide la cuenca en subcuencas. Una
manera de definir el tamaño de la subcuenca es por el número de pozos o cámaras
previstas, también si dentro de la conformación topográfica se forman parte aguas
que definan los límites de las subcuencas. Dichos tamaños pueden ser pequeños
de 0.25 ha y máximo de 20 a 30 ha, se sugiere que sean similares, debido a que
puede variar la respuesta global de la cuenca (Gómez Valentín, 2007).
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Los primeros procesos hidrológicos que permite calcular SWWM son las
pérdidas de precipitación:
• almacenamiento superficial,
• evapotranspiración e
• infiltración.
Dado que la evapotranspiración solo se tiene en cuenta en modelos de
simulación continua; para el presente trabajo, no se considerará debido a que se
adelantará simulación a escala de evento, por lo tanto, este proceso no se presenta.
Posteriormente, el software permite el cálculo de la escorrentía y el transporte
de onda. A continuación, se describen los procesos de las pérdidas de precipitación
mencionadas.
3.2.2.1 Pérdidas por Almacenamiento Superficial
El cálculo de almacenamiento se subdivide en permeable e impermeable, a
su vez, para la zona impermeable considera un porcentaje donde se puede
presentar el almacenamiento (L. a. Rossman & Huber, 2016).
Se le debe asignar a cada sub-cuenca un valor de almacenamiento en
milímetros según la ubicación, así como el porcentaje de suelo impermeable que no
presenta pérdidas de este tipo. Para la determinación de estos valores se debe tener
en cuenta el tipo de zonas según su uso y cobertura de suelo (Valbuena Villalonga,
2016).
3.2.2.2 Pérdidas por Infiltración
El modelo SWMM cuenta con 3 métodos para conocer estas pérdidas, y se
describen a continuación:
Método de Green-Ampt
Las ecuaciones derivadas por Green-Ampt en 1911, consisten en asumir que
el suelo está totalmente saturado desde la superficie hasta la profundidad del frente
húmedo y debajo del frente húmedo tiene la humedad anterior al evento de
precipitación. A continuación, se presentan las ecuaciones de infiltración acumulada
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(I) y capacidad de infiltración o infiltrabilidad (fc) para el modelo (Rey Valencia,
2019).
𝑓𝑐(𝑡) = 𝐾𝑠 (∆𝜃
𝐼(𝑡)+ 1) Ecuación 1
𝐼(t) = Kst + ∙ ∆θ ∙ ln (1 +I(t)
∆θ) Ecuación 2
∆θ = η − θi Ecuación 3
Donde:
fc, capacidad de infiltración o infiltrabilidad [mm/h], I(t), infiltración acumulada
para el momento t [mm], ∆θ, déficit inicial humedad (fracción), Ks, conductividad
Hidráulica [mm/h], , potencial de succión del frente húmedo [mm]; , porosidad
(fracción); i, humedad inicial (fracción).
Método de Horton
Generalmente los valores habituales de la infiltración inicial en un terreno son
superiores a la intensidad inicial de un suceso de lluvia, por lo tanto, una aplicación
directa de Horton supone una reducción de la capacidad de infiltración del terreno
independientemente de la cantidad agua que se ha infiltrado en el suelo, este
problema se aborda trabajando con la función de infiltración acumulada F(t) según
la Ecuación 4 (Gómez Valentín, 2007):
𝐹(𝑡) = ∫ 𝑓(𝑡) =𝑡
0
𝑓∞𝑡 +𝑓0 − 𝑓∞
𝑘(1 − 𝑒−𝑘𝑡) Ecuación 4
Donde:
F= capacidad de infiltración acumulada en el tiempo t [mm], 𝑓 = capacidad de infiltración
[mm/h]; 𝑓∞= capacidad de infiltración mínima o valor de infiltración para un tiempo infinito
[mm/h]; 𝑓0= valor inicial de la capacidad de infiltración para tiempo cero [mm/h]; 𝑡= tiempo
desde el inicio de la lluvia [h]; 𝑘 = Constante de proporcionalidad [h-1]
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Es posible estimar el tiempo en que la cantidad de agua de precipitación
iguala a la infiltrada en el terreno. Dicho tiempo se denomina tiempo de
encharcamiento o instante de inicio de escurrimiento y representa el instante a partir
del cual se produce una escorrentía neta.
Método de Número de Curva-SCS
El método de número de curva del Servicio de Conservación del Suelo (Soil
Conservation Service, Ahora conocido como NRCS - Servicio de Conservación de
Recursos Naturales), el modelo SWMM utiliza una forma incremental modificada del
método que solo tiene en cuenta las pérdidas de infiltración, ya que las otras
abstracciones se modelan por separado (L. A. Rossman, 2015, 2016).
El método de número de curva asocia la precipitación total P y la capacidad
máxima de humedad del suelo Smax para obtener la escorrentía total Q, de acuerdo
con la Ecuación 5:
𝑄 =𝑃2
𝑃 + 𝑆𝑚𝑎𝑥 Ecuación 5
Donde:
Q= escorrentía total [mm]; P= precipitación total [mm]; Smax= capacidad máxima de
humedad del suelo [mm]
La capacidad máxima de humedad del suelo Smax también puede considerarse
como la diferencia en el volumen de agua contenida en un suelo completamente
saturado frente a un suelo completamente drenado. Para conocer el valor de la
capacidad máxima del suelo se aplica la siguiente ecuación:
𝑆𝑚𝑎𝑥 =1000
𝐶𝑁− 10 Ecuación 6
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Donde CN "número de curva" varía con el tipo de suelo. Este valor se obtiene
en función del tipo de suelo y la cobertura existente sobre este asignando un número
entre 0 y 100, tabulando clases A, B, C y D, según sean suelos más permeables
(tipo A) o más impermeables (tipo D). Terrenos muy permeables con una capacidad
de retención prácticamente infinita tendrán números de curva de 0, mientras que
terrenos muy impermeables con capacidad de infiltración nula recibirán un número
de curva de 100 (Gómez Valentín, 2007).
Una vez despreciadas las demás pérdidas con respecto al modelo
tradicional, la precipitación que no se infiltra se convierte en escorrentía superficial.
Según lo anterior, la infiltración acumulada F se calcula de la siguiente forma:
𝐹 = 𝑃 − 𝑄 Ecuación 7
𝐹 = 𝑃 −𝑃2
𝑃 + 𝑆𝑚𝑎𝑥 Ecuación 8
Donde:
F= infiltración total acumulada [mm]; Q= escorrentía total [mm]; P= precipitación total [mm];
Smax= capacidad máxima de la humedad del suelo [mm]
Transformación Lluvia-Escorrentía
Una vez obtenidos los datos de precipitación efectiva, es decir, el resultado
del valor de precipitación menos las perdidas, SWMM los convierte en escorrentía
superficial. El hecho de que la cuenca de estudio se divida en una serie sub-cuencas
de menor tamaño permite captar el efecto de la variabilidad espacial(Valbuena
Villalonga, 2016). Entonces, la transformación lluvia-escorrentía es calculada por
SWMM tomando cada sub-cuenca como un depósito lineal en el que se aplica
formulación mixta entre el modelo de depósito y una ecuación tipo Onda Cinemática
(Gómez Valentín, 2007).
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SWMM utiliza el modelo de depósitos para desarrollar el proceso de
transformación lluvia-escorrentía, el cual asume una esquematización general de
los procesos que se desarrollan en la superficie de la ciudad, por lo que no parten
de una aproximación física (Zambrano Nájera, 2015).
El modelo realiza una analogía de la cuenca considerándola como uno o
varios depósitos conectados. Cada depósito recibe como entrada la precipitación (o
caudales de entrada de los depósitos aguas arriba) y genera como salida una
escorrentía. El modelo se fundamenta en las ecuaciones de continuidad y
almacenamiento:
𝑑𝑆
𝑑𝑡= 𝐼 − 𝑄 Ecuación 9
𝑆 = 𝐾𝑄𝑛 Ecuación 10
Donde:
I es el caudal de entrada correspondiente a la precipitación neta caída sobre una superficie
de área A (m2), Q es el caudal de escorrentía generado (m3/s) y S es el volumen
almacenado (m3), K es la constante de almacenamiento que tiene unidades de tiempo (t) y
n es un exponente adimensional.
Si se utiliza un coeficiente n igual a uno, se considera una relación lineal entre
el almacenamiento de la cuenca y el caudal de escorrentía, y se puede obtener la
ecuación de continuidad en función del caudal así:
𝐼 − 𝑄 = 𝐾𝑑𝑄
𝑑𝑡 Ecuación 11
Esta ecuación diferencial de primer orden puede ser resuelta reordenando
términos y utilizando un factor de integración. Si además se supone una lluvia de
intensidad constante I (ver Figura 7) durante un tiempo t0, se puede considerar el
término K como constante en el tiempo de manera que al integrar entre 0 y t0 se
obtendría la Ecuación 12que representa la primera parte del hidrograma:
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𝑄(𝑡) =1
𝐾∫ 𝑒
𝜏−𝑡𝐾 𝑑𝜏
𝑡
0
= 𝐼(1 − 𝑒−𝑡 𝐾⁄ ) Ecuación 12
Por otro lado, como la lluvia tiene una duración limitada hasta t0, a partir de
ese momento I=0, de manera que la Ecuación 11 queda expresada como:
𝑄 = 𝐾𝑑𝑄
𝑑𝑡 Ecuación 13
Ecuación de primer orden también, con solución directa para el tramo t0 - t:
𝑄(𝑡) = 𝑄0𝑒−(𝑡−𝑡0) 𝐾⁄ Ecuación 14
Esta es una exponencial decreciente desde un valor inicial Q0 en un instante
t0. Representando los dos tramos del caudal por la Ecuación 12 y Ecuación 14, se
obtiene la Figura 7
Figura 7 Respuesta de caudal por el método de depósitos para una lluvia unitaria
Fuente: (Nanía & Gómez Valentín, 2004)
Una revisión más detallada de la anterior ecuación ha demostrado que se
puede obtener un hidrograma unitario a partir del modelo de depósitos. La precisión
del modelo dependerá de la estimación correcta del parámetro K, representativo de
la cuenca.
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3.2.3 Cálculo hidráulico en SWMM
SWMM se basa en los principios de conservación de la masa y cantidad de
movimiento para el flujo gradualmente variado, no permanente; es decir, las
ecuaciones de Saint Venant (Valbuena Villalonga, 2016).
Estas ecuaciones no tienen solución analítica por lo que SWMM toma como
método numérico un esquema en diferencias finitas explícitas; para garantizar la
estabilidad de la solución numérica se necesitan incrementos de tiempo de cálculo
pequeños (Gómez Valentín, 2007).
La ecuación de conservación de la masa:
𝜕𝑄
𝜕𝑥+
𝜕𝐴
𝜕𝑡= 𝑞
Ecuación 15
La ecuación de conservación de la cantidad de movimiento:
𝜕𝑄
𝜕𝑡+
𝜕
𝜕𝑥(
𝑄
𝐴)
2
+ 𝑔𝐴𝜕𝑦
𝜕𝑥= 𝑔𝐴(𝐼𝑜 − 𝐼𝑓) Ecuación 16
Donde
Q es el caudal circulante, A es el área la sección transversal del conducto ocupada por el
flujo de agua, x es la abscisa en la dirección del conducto, t es el tiempo, q el caudal
específico, g la aceleración de la gravedad, y el calado, 𝐼0 es la pendiente del conducto e 𝐼f
es la pendiente de la línea de energía (Valbuena Villalonga, 2016)
El modelo de SWMM permite aplicar 3 opciones de cálculo hidráulico (Gómez
Valentín, 2007):
Régimen Permanente (Steady flow)
Esta opción de cálculo no permite considerar efectos de propagación o
laminación, solo puede aplicarse a redes en que en cada nodo hay un único colector
de salida. En esta opción se traslada el hidrograma calculado por los conductos de
aguas arriba se traslada para aguas abajo sin modificar o presentar cambios de
tiempos. Es decir, caudales fijos para la una sola condición sea máxima o mínima.
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Onda Cinemática (Kinematic Wave):
El modelo limita al máximo caudal de circulación por cada conducto como el
caudal a sección llena. La onda cinemática no permite atenuar puntas de caudal, no
modela la entrada en carga, ni tampoco los efectos de reflujo.
En este caso se resuelve una aproximación de las ecuaciones de Saint-
Venant, considerando la ecuación de equilibrio de fuerzas solo con las componentes
de gravedad y fricción. Permite trabajar con intervalos de tiempo mayores que otras
opciones, del orden de varios minutos frente a pocos segundos, y es más estable
desde el punto de vista de cálculo sobre todo en caso de flujos rápidos. Solamente
aplica para redes arborescentes. Predomina el régimen rápido en toda la red.
Onda Dinámica (Dynamic wave):
Esta opción considera todas las fuerzas actuantes, gravedad, fricción,
presión e inercia, y permite simular los efectos de laminación, reflujos, condiciones
de contorno aguas abajo o entrada en presión de la red. Es el cálculo que más se
aproxima a la realidad de lo que sucede en la red de drenaje.
Al resolver las ecuaciones completas de Saint Venant, puede aplicarse a
redes malladas y a las arborescentes. Acepta flujos superiores en cada conducto al
máximo aceptable a sección llena en régimen permanente, y permite simular la
salida de agua desde la red, eliminándola del sistema o almacenándola en cada
cámara para introducirla de nuevo a la red.
En el caso de SWMM, dado el esquema numérico de solución que utiliza para
resolver las ecuaciones, tipo diferencias finitas explícitas, necesita intervalos de
tiempo más cortos, de menos de un minuto en general.
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3.3 Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS)
Uno de los lineamientos de la filosofía de dichos Sistemas es la de replicar,
lo más fielmente posible, el ciclo hidrológico natural del sitio antes de la urbanización
(Woods-Ballard et al., 2007), por ello es importante identificar el patrón de drenaje
y conocer las características físicas, geomorfológicas y bióticas de la cuenca
afectada.
Los principios de planificación de los SUDS según Medina, 2015, son los
siguientes:
• Usar la hidrología como base de diseño,
• Considerar pequeñas tormentas, áreas de drenaje y controles,
• Controlar la escorrentía en la fuente,
• Diseñar controles distribuidos espacialmente,
• Usar el paisaje nativo,
Teniendo en cuenta las anteriores consideraciones de diseño, los SUDS se
clasifican según la función que desempeñan de la siguiente manera (Medina, 2015):
• Minimización de escorrentía,
• Captación de agua lluvia,
• Infiltración,
• Conducción,
Para ello, se debe tener en cuenta el uso de dispositivos en los que tienen
lugar uno o varios procesos unitarios, son mecanismos que reducen caudales,
volúmenes de escorrentía y hasta cargas contaminantes o cargas térmicas; el
conjunto de estos procesos unitarios se denominan Operaciones Unitarias o
Controles de aguas Pluviales (Medina, 2015).
Entonces, al enfocarse en la reducción de volúmenes de escorrentía, los
procesos unitarios para cantidad de agua son los siguientes (Medina, 2015):
• Infiltración: depende de suelos y clima,
• Dispersión: flujo de escorrentía de superficies impermeables a superficies
permeables,
• Evapotranspiración: retorno de agua a la atmósfera por evaporación y
transpiración vegetal,
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• Captación y uso de escorrentía: almacenamiento de agua lluvia para usos
beneficiosos.
Y algunos procesos unitarios para calidad de agua son los siguientes (Medina,
2015):
• Sedimentación: separación por gravedad, se considera la Ley de Stokes, la
carga hidráulica y el tiempo de retención hidráulico para la remoción de
partículas pequeñas entre tormentas.
• Flotación: remoción de contaminantes menos pesados que el agua,
• Filtración: Uso de un medio poroso para remover partículas y contaminantes
adheridos a ellas por filtración y sedimentación en el interior del medio,
• Remoción biológica: Procesamiento de contaminantes por plantas y
microorganismos,
• Metabolismo vegetal: es un proceso unitario si el control se diseña con este
propósito.
• Cribado: remoción de contaminantes gruesos tales como sedimentos
gruesos, escombros y material vegetal al pasar por aberturas relativamente
grandes.
En consecuencia, las operaciones unitarias o controles pluviales se clasifican
en cinco grandes grupos (ver Figura 8):
1. Estanques: secos o húmedos, humedal,
2. Zanjas y franjas: que conducen flujo a poca profundidad sobre superficies
vegetadas,
3. Filtros: la escorrentía fluye a través de un medio poroso hacia un colector
de drenaje, la mayor pare se vierte a un cuerpo de agua superficial, ejemplo,
techos verdes, filtros de arena, filtros de bioretención,
4. Infiltradores: la escorrentía se infiltra en el suelo nativo para recargar el
acuífero subyacente, ejemplo, cámara de infiltración,
5. Trampas para contaminantes gruesos: rejas, redes, canastas, capuchas.
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Figura 8 Controles Pluviales SUDS
Fuente: Medina (2015)
Conociendo los diferentes procesos unitarios y operaciones
unitarias/controles pluviales, para diferentes objetivos, tanto para controlar cantidad
y calidad del agua de lluvia, se genera una matriz para selección de los dispositivos
(ver Tabla 3), como sigue a continuación (Medina, 2015), lo cual es una guía para la
selección de dispositivos de acuerdo a las condiciones locales del sitio de estudio:
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Tabla 3 Matriz para la selección de controles pluviales Fuente: Adaptado de Medina (2015)
Control de cantidad
Atenuación del pico de
caudal
Reducción del
volumen de
escorrentía
Dispersión Infiltración Evapotranspiración Recolección
y reuso
Estanques
Estanque húmedo x x x
Humedales x x x
Estanques secos x x
Bóvedas y concentradores de turbulencia
Separador de grasa
Bahías
Almacenamiento x x
Zanjas y franjas Zanjas x x
Franjas x x
Filtros
Filtros de arena x
Bioretención x x x x
Techos verdes x x x x
Entrada de drenaje
Filtros
Infiltradores
Cuencas x x x
Bóvedas x x x
Trincheras x x x
Sumideros especiales x x x
Pavimento permeable x x x
Trampas para atrapar
contaminantes gruesos
Canastas, redes, rejas
Capuchas (para solidos flotantes)
A continuación, se describe de manera más detallada los SUDS
implementados en este proyecto:
3.3.1 Techo verde o cubiertas vegetadas
Son techos de edificaciones que se encuentran de manera total o parcial,
cubiertas por cobertura vegetal viva (Calabuig, 2016) compuesta por diferentes
capas para favorecer el crecimiento de vegetación (impermeabilizante, drenaje,
sustrato, plantas) (Perales & Doménech, 2007). Se aclara que no se considera
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Cubierta vegetada aquella donde se disponen plantas en recipientes, ya que en su
conjunto no forma parte integral del sistema (Calabuig, 2016).
El objetivo es interceptar y retener de las aguas lluvia, se reduce el volumen
de escorrentía y se disminuyen los caudales pico de la lluvia. Este sistema tiene
gran similitud al ciclo del agua en zonas verdes, cuando llueve, la vegetación se
encarga de disipar, retardar y absorber el agua lluvia hasta su mayor capacidad, el
restante volumen de lluvia caerá al suelo en donde se infiltrará lentamente
(Contreras, 2016).
La cubierta vegetada tiene ventajas adicionales, como retener
contaminantes, purificar aire y agua, actuar como aislante térmico y acústico, dan
capacidad para cultivo y aumentan el valor estético (Contreras, 2016). Se destaca
el aislamiento térmico, el cual enfrenta al efecto de la isla de calor, efecto común en
las zonas urbanas, debido que a mayor cantidad de superficies en concreto y asfalto
éstas absorben y retienen el calor y permiten que se filtre dentro de la edificación;
los techos verdes, pueden terminar con este efecto debido a que tienen una barrera
viva que generan una zona más fresca (Contreras, 2016).
De acuerdo a la Guía de techos verdes (Secretaría Distrital de Ambiente,
2011) las funciones del sistema son: estanqueidad, drenaje, capacidad de retención
de agua, estabilidad mecánica, nutrición, y filtración, para ello se deben integrar
cuatro factores el inmueble intervenido, la vegetación escogida, el medio de
crecimiento diseñado y los factores climáticos y ambientales.
Para garantizar lo anterior, y teniendo en cuenta que el proyecto es nuevo y
se debe adecuar a los requerimientos de SUDS, se inicia definiendo los
componentes techo verde, como sigue (Jimenez & Joya, 2015):
• Membrana impermeabilizante y barrera de raíces. Es el manto
impermeable sobre la cubierta para evitar infiltraciones dentro de la
estructura de la edificación (Calabuig, 2016) acompañada de la barrera de
raíces para evitar que las raíces puedan penetrar a través de la membrana
impermeable dañándola (Jimenez & Joya, 2015).
• La capa de drenaje. Es un material granular para controlar el agua que se
retenida y conducirla hacia los drenajes (Jimenez & Joya, 2015).
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• El sustrato (Suelo). Es el encargado de contener el material vegetal y
retener el agua de lluvia, debe ser poroso y con nutrientes adecuados para
la vegetación seleccionada (Jimenez & Joya, 2015). También pueden
instalarse celdas modulares pre-cultivados o dispuestos insitu y disponerse
sobre toda la superficie de la cubierta o solamente en una parte (Calabuig,
2016)
• La capa de vegetación. Se recomiendan forbs, sedums y pastos (Dunnett,
Nagase, Booth, & Grime, 2008 citado por Contreras, 2016) debe ser la
especie más adecuada en función de la climatología y el sitio (Jimenez &
Joya, 2015) con capacidad para adaptar el metabolismo a distintas
condiciones adversas, como son las condiciones de estrés hídrico (Calabuig,
2016), se recomiendan dichas especies que hayan crecido en condiciones
difíciles, silvestres y que no hayan recibido cuidados especiales (Medina,
2015).
• Pendiente. La cubierta debe garantizar un adecuado drenaje y evitar
posibles estancamientos de agua que afecten la impermeabilización y al
mismo tiempo permitan la retención adecuada del agua lluvia, se recomienda
un mínimo del 2% hacia los desagües (Secretaría Distrital de Ambiente,
2011).
Por último, en la losa de la cubierta y en las capas impermeables no se debe
generar ningún tipo de depresiones, para evitar las acumulaciones de agua que
degeneren las estructuras del techo (Calabuig, 2016). Sin embargo, lo anterior
puede sufrir variaciones con otros aditamentos de acuerdo a una necesidad o un fin
específicos, dichas variaciones pueden encontrarse en la Guía de techos verdes
(Secretaría Distrital de Ambiente, 2011), aquí se explican las condiciones básicas
iniciales que deben tenerse en cuenta tanto para la modelación como para la
implementación.
Por lo que se refiere a techos verdes o cubiertas, estos se dividen en dos
extensivos e intensivos, ahora, se especifican las características de cada uno:
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Tabla 4 Cubiertas vegetadas intensivas y extensivas Fuente: (Contreras, 2016) y (Calabuig, 2016)
Característica Cubiertas vegetadas
intensivas
Cubiertas vegetadas
extensivas
Vegetación De gran crecimiento y
accesibles
De poco crecimiento difícil
acceso
Diversidad de especies Alta Baja
Mantenimiento Requieren mayor
mantenimiento
Poco mantenimiento,
excepto en el periodo inicial
de instalación
Riego* Necesario No suele ser necesario
Profundidad del sustrato Mayor a 20 cm 2cm a 20cm
Requerimientos
estructurales
Para un peso de 290kg/m2 a
970kg/m2
Para un peso de 70kg/m2 y
170kg/m2
Costos Altos Bajos
*Depende de las condiciones climáticas en casos de estiaje debe considerarse el riego.
Para este caso, se modelarán cubiertas vegetadas extensivas, las cuales
corresponden a las presentadas a continuacion:
Figura 9 Techos verdes intensivos
Fuente: Calabuig, 2016, DAGER, 2016
Es importante mencionar que también existen algunas desventajas o
limitaciones que tiene el uso de techos verdes y será necesario asumir, como el
costo alto en comparación de un techo convencional, requiere mantenimiento así
sea básico y para climas como en el caso de estudio, es posible que en algunas
épocas necesite riego adicional; existen otras limitaciones para condiciones donde
Vegetación
Sustrato
Capa filtrante
Drenaje
Membrana impermeable
Cubierta del techo
Fuente: www.greenroofs.com citado por Calabuig, 2016
Fuente: DAGER Company, 2016 citado por Contreras, 2016
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la edificación sea existente como la pendiente de la cubierta y la estructura de la
edificación que no pueda soportar el peso de este SUDS (Jimenez & Joya, 2015).
3.3.2 Superficies permeables
Los pavimentos son una pieza fundamental para el desarrollo urbano, sin
embargo, son los principales generadores en el aumento de caudales debido a su
capa impermeable, que normalmente vienen contaminados con metales pesados e
hidrocarburos, por ello se deben buscar técnicas alternativas al drenaje urbano que
logren filtrar y evitar la acumulación de aguas y contaminantes (Jimenez & Joya,
2015).
Se basa en conocer que no todo lo que se necesita pavimentar tiene que
impermeabilizarse (Martínez & Hernández, 2014), teniendo en cuenta que una de
las técnicas alternativas es permeabilizar las superficies, es decir, utilizar superficies
que son aptas para la circulación (vehicular y peatonal) y permitan la filtración
vertical del agua (Calabuig, 2016), así posibilitan que se infiltre en el suelo o sea
captada y retenida, para este caso de modelación se permite la infiltración al suelo
(ver Figura 10) y mantener el patrón de drenaje de esta zona que es bastante
húmeda (Perales & Doménech, 2007); para ello, las capas inferiores a la superficie
permeable deben ser capaces de filtrar el agua (Calabuig, 2016) y en conjunto
ofrecen la capacidad portante necesaria para resistir la solicitación de carga
(Secretaría Distrital de Planeación, 2015).
Estas superficies permeables, permiten atenuar los caudales pico de las
escorrentías reduciendo el riesgo de inundación aguas abajo, eliminan el
empozamiento superficial del agua (Jimenez & Joya, 2015) ofreciendo un mejor
servicio al ciudadano, así se reducen o eliminan la presencia de sumideros,
restituyen el flujo subterráneo hacia los cursos naturales mediante infiltración
(Perales & Doménech, 2007) y mejoran la calidad del aguas, mediante la reducción
de metales, sólidos suspendidos, grasas y aceites principalmente (Calabuig, 2016),
el pavimento permeable podría captar el agua de una zona aledaña, aunque no es
recomendable que ésta sea superior a 3 veces su tamaño (Martínez & Hernández,
2014).
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Cabe aclarar que el material filtrante dispuesto bajo la superficie permeable
se calcula según el diseño geotécnico de capacidad de cargas, en este caso para
máximo 3 vehículos livianos (Secretaría Distrital de Planeación, 2015).
Figura 10 Estructura de superficie permeable
Fuente: (Secretaría Distrital de Planeación, 2015)
Ahora bien, otra ventaja de las superficies permeables, es que existen
diversos diseños y tipologías, entre ellas: césped o gravas (con o sin refuerzo),
unidades modulares o adoquines con juntas permeables, bloques y baldosas
porosos, pavimentos continuos porosos (asfalto o concreto) (Perales & Doménech,
2007), las cuales se pueden agrupar según el uso, así (Jimenez & Joya, 2015):
• Asfalto poroso. Utilizados principalmente en los parqueaderos, permiten
que el agua drene a través de la superficie del pavimento y se infiltre en el
subsuelo.
• Concreto Permeable. Este pavimento elimina la necesidad de estanques de
retención y de otras técnicas de bajo impacto, disminuyendo los costos del
proyecto.
• Unidades modulares o adoquines. Las unidades modulares de concreto
prefabricado, de piedra natural o de ladrillo, permiten que el agua percole a
su alrededor o a través de sus superficies.
Algunas desventajas para su uso en general es que no pueden utilizarse donde
haya arrastre superficial de grandes cargas de sedimentos, que en el caso de
Ciudadela CaliDA, no ocurre, no se usan en carreteras con tráfico elevado, por ello
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solo se dispusieron en parqueaderos donde no intervengan otras redes de servicios
públicos y si no hay mantenimiento a largo plazo, existe riesgo de obstrucciones
(Jimenez & Joya, 2015).
Para el caso en estudio, en ciudadela CaliDA, se consideró el asfalto poroso,
para la modelación hidráulica solo se tiene en cuenta su permeabilidad y mayor
rugosidad.
El modelo SWMM es un modelo robusto matemáticamente que permite la
correcta modelación de los flujos en el drenaje pluvial lo que ha sido ampliamente
probado por numerosos estudios como se vio en este capítulo. Adicionalmente,
permite la modelación de los SUDS por medio de varias herramientas
implementadas en el modelo lo que permite evaluar el comportamiento hidrológico
e hidráulico de las alternativas que se deseen diseñar.
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4 METODOLOGÍA
La metodología desarrollada para el siguiente trabajo consistió en la ejecución
de diferentes actividades para alcanzar los objetivos específicos planteados, como
se muestra a continuación:
4.1 Caracterización de zonas de drenaje para Cali
Para adelantar este objetivo se realizaron las siguientes actividades:
4.1.1 Recopilación de información
Se realizó recopilación de información existente, tanto a nivel local, nacional e
internacional, específicamente de los causales importantes del problema específico
a atacar. Dicha información requerida consiste en:
• Cartografía local
• Documentos de diagnóstico existentes (ej. Antecedentes de eventos de
riesgo, sitios críticos, desarrollo del tema en el ámbito local, entre otros).
• Soluciones de drenaje para zonas similares.
4.1.1.1 Cartografía temática
La Corporación Autónoma Regional del Valle de Cauca, a través del Geoportal
(GeoCVC) permite realizar consultas y visualización de cartografía. Con el
Geoportal se realizan consultas y análisis de información cartográfica básica y
temática, como resultado del levantamiento y actualización constante de la
información ambiental y físico-biótica que bajo un enfoque eco sistémico se viene
adelantando sobre el departamento del Valle del Cauca. Adicionalmente, la
cartografía del IGAC disponible escala 1:100.000 cuya última actualización fue en
el año 2017 y la cartografía del POT de la ciudad permiten conocer las
características fisiográficas de la ciudad.
A continuación, se relaciona la cartografía consultada y necesaria para la
elaboración del estudio.
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Tabla 5 Relación de cartografía Fuente: Elaboración propia
Cartografía Finalidad
Red de drenaje de cuencas
Reconocimiento de cuencas y cauces urbanos naturales existentes
Superficie potenciométrica y
líneas de flujo, 1989. Paleocauces
Reconocer los sitios de antiguas zonas de drenaje e identificar la relación de los eventos de inundación actuales con los antiguos.
Geomorfología Caracterizar las cuencas existentes y marcar el patrón de drenaje
Geología Litología - Suelos
Caracterización de tipos de suelos, su potencial filtrante/permeable.
4.1.1.2 Inventario de eventos
A través del sistema de inventario de efectos de desastres DESINVENTAR
online, Versión: 2015.033101 (http://online.desinventar.org/) se realizó una
búsqueda de eventos por inundación descartando los eventos por inundación fluvial.
Dicho sistema contiene el inventario histórico de pérdidas del municipio de Cali
desde el año 1950 hasta el 2012, con un número de 1977 fichas y su última
actualización fue en el año 2014.
En la Tabla 6 se presenta la ficha descriptiva de la construcción del Inventario
de Desastres en las dos fases que tuvo lugar, en el periodo de 1950-2000 que
corresponde a la zona urbana y 2001-2012 a la zona urbana y rural de Cali:
Tabla 6 Ficha descriptiva Inventario de desastres DESINVENTAR, Santiago de Cali
Fuente: (UNISDR, Coporación OSSO, & LA RED, 2016)
Periodo 1950-2000 Zona Urbana
Periodo 2001-2012, zona urbana y rural
• La información está a nivel de barrio.
• Presenta 1280 registros asociados con eventos hidrometeorológicos.
• Más del 80% de los reportes están asociados a inundaciones, las cuales se presentan principalmente entre los meses de abril y mayo.
• La información está a nivel de barrio/vereda.
• Presenta 521 registros asociados con eventos hidrometeorológicos.
• El 39% de los registros corresponden a inundaciones, el 37% a deslizamientos, el 10% a lluvias, el 6% a tempestad, el 4% a vendaval, el 2% a avenida torrencial y el 1% a tormenta eléctrica.
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Periodo 1950-2000 Zona Urbana
Periodo 2001-2012, zona urbana y rural
• Las comunas con el mayor número de registros son: 10 (189), 4 (130), 2 (121) y comuna 3 (98).
• El mayor número de personas y viviendas afectadas están asociadas a inundaciones.
• Las comunas 1, 2, 6, 17, 18, 19, 20, 21 y el corregimiento de La Buitrera presentan el mayor número de registros.
La elaboración de dicho inventario tiene las siguientes fuentes de información
entre oficiales y hemerográficas:
• Consejo Municipal de la Gestión del Riesgo de Desastres (CMGRD)
• Departamento Administrativo de Planeación Municipal (DAPM)
• Unidad Nacional para la Gestión del Riesgo de Desastres (UNGRD)
• Departamento Nacional de Planeación Administrativa (DNPA)
• Periódico El País
• Periódico El Tiempo
• Periódico El Relator
Los resultados del inventario de desastres para el objeto del presente trabajo es
una base de datos, que se ingresa consultando por evento de inundación y lluvias
para el periodo de 1950 a 2012 a nivel urbano y rural a una escala de barrio en la
zona urbana.
En el análisis histórico deben contemplarse los periodos de crecimiento y
cambio que ha tenido el urbanismo de la ciudad lo que redunda en la cuantía de
desastres que se generen. Por lo anterior, el documento “Elementos Históricos Y
Urbanos en la Generación de Desastres por Inundaciones y Deslizamientos en Cali,
1950 - 2000” (Jiménez, 2005), menciona tres periodos claves y bien definidos (1950
- 1962; 1963 - 1977; 1978 - 2000) para el análisis de desastres históricos.
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Se tuvo en cuenta que, desde 1950 a 1969 la base de datos se construyó
con información análoga solo de los meses de mayor volumen de precipitación y el
mejor cubrimiento de información se registró después del año 1970. Por ende, los
periodos de análisis del presente documento fueron: 1963 - 1977; 1978 – 2000;
2001-2012.
Las características de la consulta fueron:
• Geografía: Urbano
• Tipos de eventos: Avenida torrencial, Inundación, Lluvias, Tempestad
• Tipos de causas: Inundación, La Niña, Lluvias, Tempestad
• Desde: 1963; Hasta: 2012
En la consulta, se obtuvieron 897 fichas de eventos desde el año 1963 hasta
2012. Varios eventos fueron generados por la misma lluvia, lo cual indica la
magnitud de la misma, por ello, se agruparon los eventos ocurridos el mismo día,
de esa manera fue más fácil reconocer el número de eventos por lluvia y clasificar
el sitio de ocurrencia, para posteriormente, cruzarlo con la información cartográfica
descrita anteriormente y el análisis espacial de la precipitación.
4.1.1.3 Series temporales de precipitación
Las series temporales de precipitación fueron suministradas por el Grupo
Sistemas de Información Ambiental que pertenece a la Dirección Técnica Ambiental
de la Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca (CVC), la que se encarga
de la operación, mantenimiento, análisis, evaluación, procesamiento y suministro de
la información de la red hidroclimatológica de la Corporación.
En las estaciones climatológicas y pluviográficas se registra en una gráfica las
características de la lluvia precipitada en cantidad por intervalo de tiempo (estos son
entre 10 y 20 minutos dependiendo de la estación) y la época, hora de inicio y
finalización. Con los datos recolectados por dicho equipo se calcula no solo la
cantidad total de lluvia, sino también su intensidad.
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4.1.2 Caracterización de la precipitación en Cali
El análisis de la información recopilada consistió en la revisión general de las
zonas altas y medias de Cali, y con la ayuda de la información cartográfica se
identificaron patrones de drenaje de la ciudad para identificar soluciones que
generen el menor efecto para intentar enfocar las soluciones de drenaje.
Se debe agregar que, en el diseño del drenaje urbano superficial resulta
ineludible la obtención de información sobre magnitud, intensidad, duración y
frecuencia de las lluvias, es decir, las curvas Intensidad, Frecuencia y Duración
(IFD), debido a que las precipitaciones determinan el caudal de aguas lluvias a
drenar en un área y por ende el dimensionamiento de las obras hidráulicas (Materón
& Carvajal, 1997).
Para ello, se revisaron las zonas con patrones homogéneos de precipitación
de EMCALI E.I.C.E. E.S.P. en los Criterios de Diseño en Sistemas de Alcantarillado
- Norma Técnica de Recolección de Aguas Residuales y Lluvias NDI-SE-RA-
007/V1.0 del año 2017.
Este hecho, implica, el uso de curvas IDF existentes en la ciudad con la norma
NDI-SE-RA-007/V1.0 de EMCALI E.I.C.E. E.S.P. de 2017, las cuales se presentan
a continuación:
Curvas intensidad – frecuencia – duración
La ciudad de Cali fue zonificada según la ocurrencia de los eventos de precipitación
por EMCALI E.I.C.E. E.S.P. en el 2017 como se observa en la Figura 11, y para
cada zona EMCALI definió una IDF.
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Figura 11 Delimitación de curvas IDF para la ciudad de Santiago de Cali
Fuente: Modificado de EMCALI E.I.C.E. E.S.P., 2017
De la figura anterior se concluye que la zona del proyecto es próxima a la
zona 3 oriental, por ende, se utilizaron las curvas asignadas a esa área.
ZONA DEL PROYECTO
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4.1.3 Análisis de suelos y usos de suelo
Se realizó una revisión cualitativa desde el punto de vista hidrológico del
cambio de los usos de suelo en la historia de la urbanización de Cali.
4.2 Análisis de eventos asociados a inundaciones pluviales
Para cumplir con el objetivo propuesto, se revisó el inventario de desastres
desarrollado por Corporación OSSO, para determinar qué tipo de eventos causaron
problemas asociados con el drenaje urbano.
4.3 Metodología de selección de SUDS
Al conocer las experiencias de otras localidades similares e identificar las
necesidades de la zona de estudio, se seleccionaron las alternativas de acuerdo
con criterios básicos de adaptabilidad, funcionamiento, uso, facilidad de operación
y mantenimiento, entre otras. Una vez se seleccionaron las tecnologías se procedió
a la definición de criterios y parámetros de diseño para iniciar el diseño en el caso
de estudio, en este caso, Ciudadela CaliDA.
Finalmente, se validaron los diseños con la modelación de las nuevas
condiciones de drenaje para las que se realizó análisis de resultados.
Para desarrollar esta actividad se realizaron las siguientes actividades:
• Revisión de guías y manuales existentes a nivel nacional e internacional.
• Revisión de los SUDS existentes según sus objetivos
• Definición de los SUDS aplicables a la ciudad de Cali.
4.4 Modelación hidráulica
Este proyecto, se considera apropiado para realizar la aplicación de la guía, para
los dos SUDS modelados, como son el techo verde y el pavimento poroso, dado
que se tiene la información urbanística, levantamiento topográfico al detalle, suelos,
entre otros.
Finalmente, se realizó una modelación mediante el modelo de gestión de aguas
pluviales SWMM (Storm Water Management Model).
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El modelo SWMM elaborado por la Agencia de Protección del Medioambiente
de los Estados Unidos (USEPA, U.S. Environmental Protection Agency), es un
modelo numérico que permite simular el comportamiento hidrológico - hidráulico de
un sistema de drenaje urbano con licencia libre (Gómez, 2007).
4.4.1 Implementación del modelo hidrodinámico
Una vez obtenido el diseño arquitectónico de la ciudadela CaliDA, se analizó
la topografía para conocer las tendencias del drenaje superficial, así mismo, el sitio
más adecuado para realizar el vertimiento. De este modo, se estimaron las áreas
tributarias generando sumideros en cada sitio bajo o en cruces viales.
Con ello se estableció la geometría del diseño que se implementó en SWMM.
Así mismo, se calcularon las áreas permeables e impermeables teniendo en cuenta
que se analizaron dos escenarios a saber: 1) Sistema convencional, en el Capítulo
6.6 y 2) Con SUDS en el capítulo 6.7.3. Ello definió las características hidráulicas
de las superficies dentro del programa. Dichas características corresponden a “n”
de Manning, pendientes, Número de curva, entre otras, dependiendo del tipo de
SUDS que se implemente.
Se realizó la modelación hidrodinámica para el escenario sin SUDS siguiendo
las indicaciones de la resolución 0330 de 2017 (RAS 2000) y se hizo el análisis
hidráulico del sistema convencional siguiendo los criterios de diseño del RAS para
estos alcantarillados. De igual manera se realizó el análisis hidráulico en el
escenario 2, es decir, el modelo con SUDS siguiendo las especificaciones del RAS
2000.
4.4.2 Evaluación hidráulica
Partiendo del modelo se simuló la lluvia de diseño determinada por el RAS,
para ambos escenarios mencionados: 1) Convencional y 2) CON SUDS, con el
objetivo de realizar análisis hidráulico, comparar el comportamiento de ambos
escenarios e identificar las zonas críticas del comportamiento hidráulico del sistema.
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Tabla 7 Requisitos hidraulicos de las redes de alcantarillaso
Fuente: Resolución 0330 de 2017
Parámetro Valor
Periodo de retorno de la lluvia de
diseño (años) 5
Diámetro mínimo (mm) 260
Esfuerzo cortante (Pa) 2.0
Velocidad máxima (m/s) 5.0
Relación máxima entre profundidad
hidráulica y diámetro de la tubería 0.93
La metodología propuesta permite realizar un diagnóstico de la forma en
como ocurren las inundaciones en zonas planas, y permite conocer la respuesta de
la implementación de mejorar los diseños convencionales, en este caso a través de
SUDS.
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5 DIAGNÓSTICO DE INUNDACIONES PLUVIALES
En este capítulo se muestra el análisis de la hidrología de los drenajes
superficiales disponibles en la ciudad de Cali, así como sus características
hidrológicas base y las modificaciones que han sufrido. Esto, teniendo en cuenta
que como se vio los SUDS deben tratar de emular las condiciones hidrológicas
originales del sitio donde serán emplazados por lo que este capítulo tiene como
objetivo identificar dichas características.
5.1 Caracterización de las zonas de drenaje de Cali
Por medio del análisis de cartografía de las zonas de precipitación máxima y de
la caracterización de eventos de tipo pluvial, se realizó una definición de las zonas
de drenaje.
5.1.1 Análisis de cartografía
El análisis de la cartografía se inició con la red de drenaje, cuencas y
paleocauces, con soporte en la geomorfología, geología, litología y suelos. Para lo
cual se tienen en cuenta las siguientes consideraciones:
• La ciudad de Cali tiene riqueza hídrica de tipo lótico, quebradas y ríos, y
léntica, es decir humedales y lagunas, propios de zonas de valle.
• Sus cauces naturales en la zona plana han sido modificados de manera
considerable.
• La comuna 1 está localizada completamente en la ladera de Cali, mientras
que las comunas 2, 18, 19 y 20 están entre la zona montañosa y el
piedemonte aluvial, cuyos suelos varían entre arcillas expansibles, roca
meteorizada, materia orgánica en las comunas del norte y arcillas. Las cinco
comunas mencionadas, comparten características comunes de zonas de
montaña, como el material compactado, roca meteorizada, fertilidad,
moderada a baja, excepto en la comuna 2 cuya fertilidad es alta, también son
zonas de minería en especial la zona alta de las comunas 2, 18 y 19.
• Las comunas 3, 4, 5, 8, 9, 10, 11, 12 y 22 componen el 49% del área de la
ciudad, están en la transición de piedemonte a la planicie aluvial del río
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Cauca, mientras que la comuna 16 comparte las dos características. Las diez
comunas mencionadas, tienen aspectos similares, con fertilidad de los suelos
de moderada a baja, suelos arcillosos, expansivos en algunos sitios, y en su
mayoría suelos muy livianos o finos. Su geología y litología está descrita
como conos aluviales y hacen parte de la consociación Comfandi.
• La comuna 22, tiene parte de su área en la cuenca Lili- Meléndez-
Cañaveralejo y otra en la cuenca Jamundí, se caracteriza por tener divididas
características como piedemonte aluvial y consociación Comfandi para la
primera cuenca y piedemonte coluvio-aluvial y consociación Cartago para la
segunda. Esta comuna fue consolidada como tal, solo a partir del año 2004,
antes de ello, era considerada parte de la comuna 17 y área suburbana
(DAGMA, 2009). Por ello se observa que aún se han conservado humedales
y lagunas, tiene grandes zonas verdes y la densidad poblacional es mínima
con respecto al resto de la ciudad. Las comunas 6, 7, 13, 14, 15, 16 y 21
localizadas en la planicie aluvial del río Cauca, presentan los depósitos
aluviales del mismo y en cuanto a los suelos hacen parte de la consociación
Juanchito. Es de resaltar que, aunque solo las comunas 6, 7 y 21 se
encuentran paralelas al río Cauca, las comunas 13, 14, 15 y 16 restantes
hacen parte de la madrevieja del mismo. Los suelos de las comunas de la
planicie aluvial tienen fertilidad alta, el tipo de suelos, varía entre suelos muy
livianos o finos, roca meteorizada y suelos muy húmedos como arcillas
expansibles (ver Figura 12).
• El alineamiento de los depósitos aluviales del río Cali coincide con el
alineamiento actual del mismo, mientras que el alineamiento del río
Cañaveralejo fue totalmente modificado desde la comuna 19, pasando por
las comunas 10, 11, 12 y 7.
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Figura 12 Red de drenaje y comunas de Cali
Fuente: POT Cali, 2014; Cartografía básica esc. 1:100.000, IGAC, 2017
Drenaje doble
Perímetro urbano y comunas
Canales existentes 2017
Humedales
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Dichas modificaciones, también se deben al proyecto piloto denominado
Aguablanca, la CVC, tenía por objeto la desecación y protección de más de 5 mil
hectáreas, de suelo al sur oriente de Cali que continuamente sufrían de
inundaciones por el río cauca y sus tributarios, con el fin de adecuar dichos suelos
para usos agrícolas en el año 1954 hasta 1985. Las obras para ello se mencionan
a continuación (Arias & Florez, 2011):
o Construcción del dique en la margen izquierda del río Cauca desde
Navarro hasta el río Cali.
o Construcción del canal CVC – Sur, el cual interceptó los ríos Lili,
Cañaveralejo y Meléndez para realizar una sola entrega al río Cauca.
o Construcción del Canal del paso del comercio
o Adecuación de la laguna del pondaje como laguna reguladora
Sin embargo, el resultado no fue la adecuación de dichos terrenos para uso
agrícola. Por el contrario esas tierras que son zonas bajas e inundables, desde los
años 60 hasta los 90, fueron ocupadas por viviendas a pesar de los altos costos que
implica dotarlas de servicios públicos (Arias & Florez, 2011). Ello se puede
evidenciar en el cambio del perímetro urbano desde los años 60, hasta la fecha,
como se muestra en la siguiente figura.
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Figura 13 Cambios de perímetro urbano
Fuente: POT, 2014
Dicha información, resulta más clara con el análisis del acuífero de Cali, donde
es posible analizar las líneas de flujo lo que fue analizado en el estudio evaluación
potenciométrica del acuífero de Cali (Hendrik & López, 2000) y concluyen lo
siguiente:
• Las líneas de flujo entre los ríos Meléndez y Cañaveralejo, descargan en la
quebrada del canal puente palma.
• Existe una marcada diferencia del comportamiento de las líneas de flujo desde
la quebrada Sardinata, hacia el río Cali. Lo que indica que este es un control
estructural o control geológico, en dicha zona, que se pronuncia al observar los
antiguos meandros hacia el occidente del río Cauca y el corte con el límite sur
del río Cali.
• En dicho estudio, determinan la existencia de una depresión en el abanico del
río Meléndez, lo que indica drenaje hacia un antiguo cauce de este.
• Lograron identificar el parte aguas subterráneas del acuífero del río Pance, al
sur del mismo.
Perímetro urbano
año 2000 (vigente)
Perímetro urbano
año 1962
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En la cartografía de cuencas de la CVC (Figura 14), se observan las cuencas
del río Cali y las cuencas de los ríos Lili, Meléndez y Cañaveralejo, estas últimas se
unifican como una sola cuenca urbana, y en el sur la cuenca del río Pance que
pertenece a la cuenca del río Jamundí.
Figura 14 Cartografía CVC: Cuencas Fuente: Modificado de cartografía CVC y POT, 2014
Es importante mencionar, que la geomorfología de las cuencas, inclusive la
formación de la red de drenaje se da por el control estructural que generan la
geomorfología - litología y geología como se puede apreciar en la Figura 15 y Figura
16.
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Figura 15 Geología de la ciudad de Cali.
Fuente: Modificado de cartografía CVC y POT, 2014
MAPA DE GEOLOGÍA
CONVENCIONES
Qca Cono aluvial
Kv Formación volcánica
TOg Formación Guachinte
Qal Deposito aluvial
Ql Lateritas
Perímetro urbano
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Figura 16 Geomorfología y Litología de la ciudad de Cali.
Fuente: Modificado de cartografía CVC y POT, 2014
CONVENCIONES
Piedemonte aluvial
Montaña estructural erosional Planicie aluvial
Piedemonte coluvio-aluvial
Perímetro urbanoPerímetro de comuna
12
3
45
6
7
2120 19
98
14
15
12
10
17
22
18
1311
16
CONVENCIONESAluviones medianosCiclotemas de arenitas De cuarzoFlujos masivos localmente almohadillados/con diaclasamientocolumnar de basaltos toleiticos
Cono aluvial
Depósitos aluviales Río CaucaLateritas
Perímetro urbanoLlanura aluvial de ríos
MAPA DE GEOMORFOLOGÍA MAPA DE LITOLOGÍA
#
Página 63 de 145
De acuerdo a los mapas de la Figura 16, es posible, identificar tres zonas
importantes del urbanismo de la ciudad, que se demarcan claramente en el mapa
de geomorfología: La planicie aluvial del río Cauca, el piedemonte aluvial y la
montaña, las cuales poseen las mismas características en los mapas contiguos de
la Figura 16 de litología-geomorfología y Figura 15 de geología. Destacando que los
ríos Cali y Cañaveralejo se encuentran bien definidos como depósitos aluviales, y
en su paso por la ciudad desde la zona montañosa, luego el piedemonte y terminan
en la planicie aluvial, es decir en el río Cauca. Es de aclarar que existen muchos
cauces en la ciudad y solo se tienen claros los depósitos aluviales del Cali y
Cañaveralejo de acuerdo con la cartografía ya presentada.
Entonces, se evidencia que topografía está condicionada por la geología y
en la hidrografía, ésta también influencia la forma de la red de drenaje y condiciona
de manera marcada el agua subterránea y superficial (Posada, 1994). A su vez, las
características geomorfológicas, litológicas, geológicas y de suelos se relacionan
entre sí, evidenciando el curso de cauces naturales y la diferencia entre las zonas
alta, media y baja de las cuencas de la ciudad de Cali.
Parte del problema de inundación en Cali es que la zona de ladera al
occidente de la ciudad arrastra sólidos y tiene una respuesta hidrológica rápida por
sus altas pendientes (Rey & Zambrano, 2018), adicional a ello, la escorrentía
producida en la zona de valle, todo lo anterior resulta en que la zona de valle se
producen inundaciones importantes que se ve reflejado en el registro de los
resultados DesInventar, reporte de eventos de lluvias e inundaciones que han
requerido importantes y costosas obras de ingeniería que requieren bombeo para
drenarlas.
De lo anterior, se puede concluir, que la hidrología superficial de Cali se
caracterizaba por a) gran cantidad fuentes lénticas (sobre todo humedales)
ubicados principalmente en las zonas planas de la ciudad con la función de retener
flujos de precipitación y tratar las aguas, los que han sido modificados para construir
viviendas, b) que el cauce natural principal del rio Cañaveralejo, principalmente, ha
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sido desviado y modificado por canales artificiales con materiales más lisos que
aumentan la velocidad de flujos y c) que los suelos y en general la geología tienden
a favorecer los procesos de infiltración.
Entonces, el valle se caracteriza por sus zonas de retención, de flujos lentos
naturales, con la urbanización de la ciudad, dichas zonas fueron eliminadas y casi
todas las inundaciones son causadas por la ausencia de las dichas zonas de
retención o almacenamiento, por ende, se debe elegir SUDS de retención.
También se pueden aplicar SUDS de filtración debido a que retienen por un
tiempo el agua de lluvia y pueden ayudar a humedecer las zonas que han sido
impermeabilizadas.
Además, el problema en la ciudad es que, al canalizar y rectificar los ríos y
quebradas existentes, se cambian las condiciones de permeabilidad, rugosidad,
cambiando así los procesos del ciclo hidrológico. La canalización en concreto,
impermeabiliza y disminuye la rugosidad aumentando velocidad y el volumen de
agua transportada y disminuye capacidad de regulación.
La ciudad de Cali, tiene una red de drenaje que, ha sido encauzada, siendo
modificada en su forma inicial hacia trazados lineales y secciones transversales más
geométricos, el revestimiento del perímetro mojado en materiales rígidos, lisos e
impermeables, reduciendo el espacio fluvial y eliminando los hábitats del lecho y las
orillas, y la conectividad de las riberas. Dicha modificación de cauces, puede
corroborarse, con los planos de Superficie potenciométrica y líneas de flujo, 1989 –
Paleocauces- (Hendrik & López, 2000). Un ejemplo conocido es el de la siguiente
figura donde se cambió el trazado del río Cañaveralejo y Meléndez.
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Figura 17 Comparación de mapas de litología con drenajes actuales y paleodrenajes
Fuente: Modificado de cartografía CVC y POT, 2014
Llanura aluvial yDeposito aluvialRío Cañaveralejo
CONVENCIONESComunas HumedalesCanales existentes 2017 Drenajes Perímetro urbano
CONVENCIONESComunas
Paleodrenajes COSSO
Perímetro urbano
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5.1.2 Análisis de lluvias en la ciudad de Cali
En la ciudad de Santiago de Cali actualmente existe la siguiente red de
estaciones pluviométricas de la CVC, con su respectiva cobertura analizada a través
de polígonos de Thiessen.
Figura 18 Polígonos de Thiessen, coberturas estaciones pluviométricas, Santiago
de Cali Fuente: mapa de comunas de Cali, POT, 2014
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En la siguiente tabla, se resumen las principales características de las
estaciones que se tuvieron en cuenta para el análisis de intensidad y su relación
con los eventos generados.
Tabla 8 Características relevantes de las estaciones pluviográficas consideradas para el periodo de registro 1963-2012
Cañaveralejo Edificio CVC Planta R Cauca
Colegio San Luis
Río Cali Colegio San Juan Bosco
Operador CVC CVC CVC CVC CVC CVC
Elevación, msnm
1056 985 956 1053 1070 1000
Período registros d
1997-2008 2010
2014-2015
1983-1997 1999-2006 2008-2009 2011-2015
1990-2009 2014-2016
1976-1982 1984-2010 2014-2015
1996 1999-2008 2010-2015
1992 1994-2009 2014-2015
Tipo lectura datos
Cada 10 minutos
Cada 20 minutos
Cada 10 minutos
Cada 20 minutos
Cada 20 minutos
Cada 20 minutos
Media anual e mm
1468 1441 1029 1304 1056 1113
Máxima 24 horas f
mm
170 132 109 120 138 130
(Nov. 87) (Nov. 87) (Abr. 60) (Abr. 92) (Dic. 78) (Mar. 1988)
Máximo evento d
98,5 162,4 107,6 133 114,8 171,9
(04/05/2000) (08/11/2011) (18/12/1999) (11/01/2014) (14/05/2003) (22/11/2005)
Máxima lámina d 10 min
26,6a 65b 17,4a 63a 18,2c 24,80a
(29/09/2015) (17/04/2015) (07/05/2014) (07/01/2014) (11/10/2014) (12/03/2014)
Máxima lámina d en 20 min
50 40 28.5 119,9 40 mm 40 mm
(10/02/1999) (02/05/2003) (04/08/2008) (12/04/1992) (05/10/2003) (13/09/2001)
Número de lluvias
registradas 254 626 257 235 268 325
Años considerados
13 27 20 34 17 17
a. A partir del 2014 las lecturas se registraron cada 10 minutos
b. A partir del 2012 las lecturas se registraron cada 10 minutos
c. A partir del 2013 las lecturas se registraron cada 10 minutos
d. Registro tomado de la serie subhoraria (Fuente CVC)
e. Registro tomado de la serie mensual multianual de Precipitación total (Fuente CVC)
f. Registro tomado de la serie mensual multianual de Precipitación Máxima en 24 horas (Fuente CVC)
Con los datos de las estaciones mencionadas, se analizaron las fechas en que
ocurrieron eventos de inundación pluvial (ver Figura 19) a partir de cuyo análisis se
pudo concluir que no siempre la lluvia de mayor volumen de precipitación es la más
Página 68 de 145
intensa y viceversa. Por ejemplo, la precipitación de 08/11/2011 fue de 162 mm, y
la intensidad sólo de 17,4 mm/hr, dado que la lluvia duró más de 9 horas.
Figura 19 Intensidad y magnitud de precipitación correspondiente a los eventos de
inundación registrados
Por otro lado, las lluvias que se han presentan en la ciudad, han generado
varias respuestas, dependiendo de la capacidad de instalada del sistema de
drenaje, provocando en algunos casos eventos de inundaciones. Para conocerlo,
se analizó el inventario de eventos DESINVENTAR.
De acuerdo con Sistema de inventario de efectos de desastres
DESINVENTAR online, Versión: 2015.033101, se pudo encontrar la siguiente
información:
020406080100120140160180
0
20
40
60
80
100
120
20
/04/
197
8
26
/12/
199
0
13
/07/
199
2
29
/03/
199
4
28
/05/
199
7
4/0
5/2
000
21
/05/
200
2
15
/11/
200
4
29
/04/
200
7
26
/03/
201
4
19
/05/
201
4
2/0
9/2
014
26
/10/
201
4
26
/11/
201
4
8/0
2/2
015
30
/03/
201
5
22
/07/
201
5
18
/11/
201
5 Pre
cip
itac
ión
(mm
)
Inte
nsi
dad
(mm
/hr)
Intensidad Incremental mm/hr Precipitación (mm)
Página 69 de 145
Figura 20 Eventos de desastres por inundación pluvial por mes y por comuna
Fuente: propia, datos de Desinventar 1970-2012.
• Los casos de inundaciones se presentan correspondientes con las dos
temporadas invernales, es decir, en marzo abril y mayo, y en octubre y
noviembre.
• La cantidad de eventos más alta (por encima de 20 eventos) se presenta en
la primera temporada invernal, en las comunas 2 y 10, siendo más crítica la
comuna 10 (en la Figura 20 estos casos se representan en color verde y
azul).
• En esa misma temporada se reportan el mayor número de comunas
afectadas por eventos de inundación pluvial, dichas comunas son: 2, 3, 6, 7,
10, 13, 14, 15 y 19.
• Para la segunda temporada invernal (octubre y noviembre), se presentan
menor cantidad de eventos (de 10 a 18 eventos por comuna), con relación a
la primera temporada invernal. Las comunas que sufren mayor afectación en
dichos meses son: 2, 7, 10, 13, 18 y 19.
No obstante, el análisis de eventos desde 1970 hasta el 2012, no puede
desconocer variables propias de los cambios de urbanización de Cali, lo cual, en
sí mismo es un factor determinante como generador de condiciones de
inseguridad en la ocurrencia de desastres. De acuerdo con estudio de Jiménez
Página 70 de 145
(2003), existen tres periodos de análisis, establecidos por las siguientes
consideraciones:
1. El comportamiento espacial y temporal de los desastres,
2. La tendencia de crecimiento de la ciudad
3. Los problemas en el sistema de alcantarillado.
Los períodos son: 1950 – 1962; 1963 – 1977 y 1978 – 2000. Para efectos del
presente estudio, los períodos de análisis son: 1963 – 1977, 1978 – 2000 y 2001 –
2012. Por ende, se graficó la cantidad de eventos de inundación ocurridos en la
ciudad para cada periodo de análisis en la figura siguiente.
Figura 21 Número de eventos de inundación por año (1963-2012) y tendencias
Fuente: propia, datos de Desinventar
Como puede apreciarse, en cada periodo existe tendencia positiva, aunque,
para el periodo completo también se observa tendencia creciente en el número de
eventos de inundación, aunque mucho más leve, lo que permite concluir que los
eventos por inundación pluvial tienden a aumentar en el tiempo. Resultan
interesantes los periodos de 1963-1977 y 2001-2012, donde la ocurrencia de
inundaciones pluviales ha sido prominente.
Página 71 de 145
Esto, refuerza las diferentes aseveraciones donde se manifiesta, que el
desarrollo de las ciudades en el tiempo, implica el aumento de la frecuencia de
eventos por inundaciones pluviales.
Otro análisis importante, es la relación de la lluvia mensual con respecto al
histórico de eventos de inundación, como se muestra en la Figura 22. Este gráfico
muestra el comportamiento de la distribución mensual multianual de precipitación,
y su relación con los eventos de inundación pluvial generados por dichas
precipitaciones. Claramente, existe una relación directamente proporcional entre
dicha cantidad y los meses de mayor pluviosidad. Por ende, el drenaje de la zona
debe estar enfocado en tolerar las variaciones de precipitación propias de la zona
interandina de la ciudad de Cali.
Figura 22 Número de eventos de inundación pluvial y precipitación mensual media
multianual (1963-2012) Fuente: propia, datos de Desinventar y estaciones pluviográficas de Cali, CVC
La ciudad de Cali registra precipitaciones medias anuales (1964-2012) de
1162 mm/año, con un régimen de lluvias bimodal, con dos periodos menos lluviosos,
uno de ellos, de diciembre a febrero, y el otro de julio a agosto, y dos periodos más
lluviosos comprendidos entre abril a mayo y octubre a noviembre, los meses
restantes se consideran de transición.
Así mismo, se puede realizar un análisis de los eventos de inundación anuales
y su relación con la precipitación, como se puede apreciar en la siguiente figura. La
-
50
100
150
200
0
50
100
150
200
Pre
cip
itac
ion
to
tal (
mm
)
Nú
mer
o d
e ev
ento
s
Precipitación y eventosComportamiento mensual multianual
Eventos Precipitación
Página 72 de 145
relación no es tan clara debido probablemente, a las mejoras en infraestructura de
la ciudad. Por otro lado, así como existen tendencias positivas en la cantidad de
eventos, también existe, tendencia positiva en el volumen de precipitación.
Figura 23 Precipitación anual y número de eventos de inundación pluvial por año
Fuente: propia, datos de Desinventar y estaciones pluviográficas de Cali, CVC
Como se mencionó antes, para hacer un análisis multianual, es necesario,
realizarlo por períodos, estos son: de 1963-1977, 1978-2000 y 2001-2012. Para este
análisis también se tuvo en cuenta las mejoras realizadas por parte de EMCALI
E.I.C.E. E.S.P. en infraestructura, en especial en sistemas de bombeo, las cuales
desde 1980, no solo aumentaron en capacidad sino en mejoras técnicas. Se han
implementado plantas de emergencia para garantizar el suministro de energía,
revestimiento de canales, entre otros, sin embargo, no ha sido suficiente, como se
observa a continuación.
En la Figura 24 se presentan los resultados para el primer periodo, de 1963
hasta 1977. Se observa relación entre los años de mayor precipitación y el número
de eventos de inundación en Cali, donde, se observan los picos en los años 1970-
1971 y 1975, con precipitaciones anuales entre 1321 y 668 mm/año, con un
promedio de 945 mm/año.
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
1.600
1.800
2.000
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1.9
63
1.9
65
1.9
67
1.9
69
1.9
71
1.9
73
1.9
75
1.9
77
1.9
79
1.9
81
1.9
83
1.9
85
1.9
87
1.9
89
1.9
91
1.9
93
1.9
95
1.9
97
1.9
99
2.0
01
2.0
03
2.0
05
2.0
07
2.0
09
2.0
11
Pre
cip
itac
ión
Nú
mer
o d
e ev
ento
s
Año
Precipitacion anual y número de eventos por año
Numero de eventos Precipitación Lineal (Precipitación)
Página 73 de 145
Figura 24 Número de eventos de precipitación y precipitación anual para el periodo
1963-1977 Fuente: elaboración propia
El segundo periodo, de 1978 hasta 2000, se presenta en la Figura 25. Durante
este período, es posible encontrar adicionalmente información de inversión
presupuestal en alcantarillados. En dicho periodo se presentaron precipitaciones
entre 870 y 1670 mm/año, con promedio de 1258 mm/año. En dicho periodo el
número de eventos fue alto en especial en el año 1986. A partir de dicho año se
realizaron grandes inversiones presupuestales en alcantarillado, siendo máximas
en los años 1993 y 1996, con alrededor de 140 y 160 mil millones de pesos
respectivamente. Los eventos fueron disminuyendo, aun, cuando se presentaron
precipitaciones altas, para los años 93-97. Es decir que la inversión en
infraestructura, es un factor importante para la atenuación de eventos de
inundación.
-
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
05
101520253035404550
Pre
cip
itac
ion
(m
m)
Nú
me
ro d
e e
ven
tos
Año
Número de eventos y precipitacion anualPeriodo
1963-1977
Número de eventos Precipitacion anual
Página 74 de 145
Figura 25 Número de eventos de precipitación y precipitación anual para el periodo
1978-2000 Fuente: elaboración propia
Finalmente, el tercer periodo, de 2001 hasta 2012, se presenta en la Figura
26. En este período, las precipitaciones varían entre 1041 y 1903 mm/año, con
promedio de 1385 mm/año, siendo el periodo de mayor precipitación, con respecto
a los dos primeros periodos analizados. A mediados del período se observa la
mayor inversión en alcantarillado que ha ejecutado la empresa de servicios públicos
de los datos conocidos (1986-2012), siendo superior a 7 mil millones de pesos, no
obstante, las inversiones no fueron suficientes para los eventos de 2011-2012 de
alta pluviosidad. Cabe resaltar que el año de mayor precipitación fue 2008 con 1903
mm/año en el que se presentaron 25 eventos. El año 2010 se reportó una
precipitación de 1624 mm/año y 15 eventos por inundación y el año 2011, se reportó
una precipitación de 1726 mm/año y más de 35 eventos de inundación en la ciudad.
Entonces, el año 2011 a pesar de que no fue el de mayor precipitación, fue crítico
en términos de inundaciones.
-4.000
1.000
6.000
11.000
16.000
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1.9
78
1.9
79
1.9
80
1.9
81
1.9
82
1.9
83
1.9
84
1.9
85
1.9
86
1.9
87
1.9
88
1.9
89
1.9
90
1.9
91
1.9
92
1.9
93
1.9
94
1.9
95
1.9
96
1.9
97
1.9
98
1.9
99
2.0
00
$In
vers
ión
/Pre
cip
itac
ion
(m
m)
Nú
me
ro d
e e
ven
tos
Año
Número de eventos y precipitacion anualPeriodo
1978-2000
Número de eventos Precipitacion anual $ Inversion /10'000.000
Página 75 de 145
Figura 26 Número de eventos de precipitación, precipitación anual e inversiones en
alcantarillado para el periodo 2001-2012
Lo anterior implica que se requieren soluciones diferentes de cara a
precipitaciones cada vez mayores e inversiones cada vez más exigentes.
5.2 Suelos de la zona de estudio
Los tipos de suelos encontrados en la zona de Oeste a Este, son: la
consociación Cauquita, CQa (suelos de alta fertilidad, Molisoles, son areniscas muy
livianas de origen fluvial); la consociación Juanchito, JNar (Suelos de alta fertilidad,
Inceptisoles, son suelos muy húmedos de tipo fino a granular compuesto por arcillas
expansibles) y la consociación Madreviaja, MVaz (nivel freático alto, fertilidad
moderada y Entisoles, roca meteorizada).
El predio del proyecto está compuesto por suelos muy finos, con arcillas
expansibles y alta humedad, es de aclarar que las arcillas expansibles deben
permanecer húmedas para evitar deformaciones en los suelos. La descripción
cartográfica se puede observar en la Figura 27.
-
5.000
10.000
0
20
40
2.001 2.002 2.003 2.004 2.005 2.006 2.007 2.008 2.009 2.010 2.011 2.012
$In
vers
ión
/Pre
cip
itac
ion
(m
m)
Nú
me
ro d
e e
ven
tos
Año
Número de eventos y precipitacion anualPeriodo
2001-2012
Número de eventos Precipitacion anual $ Inversion /10'000.000
Página 76 de 145
Figura 27 Mapa de suelos en el predio CaliDA
Fuente: GeoCVC, 2018
De acuerdo con lo descrito, el potencial de infiltración en la mayor parte del
área del predio es baja a causa del elevado porcentaje de finos y arcillas que lo
componen. Es de aclarar que los estudios de suelos existentes presentan resultados
determinantes de estabilidad de suelos y capacidad portante, sin embargo, para un
estudio detallado de hidrología es necesario tener muestreos de capacidad de
infiltración y permeabilidad que permitan determinar de manera más real la lluvia
neta sin acudir a métodos extranjeros.
Estudios de suelos del Grupo Cañasgordas (2010) y de CI Ambiental Ltda.
(2011), realizados en el sector de Navarro, a traveés de diferentes perforaciones,
como se aprecia en la Figura 28, mostraron que se caracteriza por la presencia de
una capa de materiales limo arcillosos cuyo espesor fluctúa entre 5 y 10 m, a
profundidades mayores se encontró un depósito de arenas finas, el cual va
aumentando su tamaño con la profundidad hasta gravas finas y medianamente
compactas. El estudio especializado de CI Ambiental, evidenció que la localización
de material fino no es continua a lo largo de toda la profundidad de exploración, en
general se puede decir que se halla hasta los 5.0m, debajo de ella hasta una
profundidad aproximada de 8.0m se encontró material grueso.
CQa
JNarMVaz
JNar
CFa
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Dichos estudios realizaron varios sondeos para evaluar el suelo como se
muestra en la Figura 28, a partir de los cuales se elaboraron mapas de isolineas de
arcillas y arenas.
Figura 28 Ubicación de las perforaciones (2010)
Fuente: Grupo Cañasgordas (2010) y CI Ambiental Ltda. (2011)
Los mapas de isolíneas muestran que el espesor de la capa de arcillas es de
3.0 m, pero en la zona noroccidental y oriental se presentan espesores hasta de 5.5
m; en la parte sur de la zona de estudio, los espesores de la capa arcillosa entre 3.0
y 4.0 m. Los mapas de isolíneas de arena muestran que el espesor de la capa
superior de arena es de 4.0 m, mientras que en la parte sur y una franja de la parte
occidental de la zona de estudio se alcanzan espesores de 9.0 m. Sin embargo, es
necesario recalcar que bajo esta capa de arena se encontraron capas de material
gravoso y en algunos puntos, otra capa arenosa (CI_Ambiental, 2011).
CONVENCIONESPerforaciones Grupo Cañasgordas(2010)Perforaciones CI Ambiental Ltda.(2011)
Perímetro Ciudadela
CaliDA
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Una de las conclusiones más relevantes del estudio de suelos es el alto
contenido de humedad de las muestras, dado que el nivel freático se encontró
superficial, coincidiendo que la época de toma de muestras se realizó durante los
meses de alta pluviosidad de noviembre a enero entre el año 2010 a 2011. Además,
se encontró que, en la zona, el nivel freático se encuentra superficial, entre 1.8 y 3.5
m; y que las lluvias de intensidades altas son generadoras del aumento del nivel
freático. Por esta razón es necesario concentrar los esfuerzos en un manejo
adecuado de la escorrentía para evitar que se deriven problemas de infiltración.
Finalmente, de este capítulo se concluye que la ciudad de Cali no es ajena a
la problemática de inundaciones pluviales las que se han incrementado de manera
sostenida desde que se tiene inventario de estas. Las inundaciones han disminuido
por épocas gracias a las mejoras realizadas en la red de alcantarillado, pero no ha
sido suficiente ya que se evidencia que el crecimiento de la impermeabilización ha
sido más determinante en la ocurrencia de las inundaciones que las mejoras
realizadas.
Esto refuerza el concepto ya anunciado en la literatura de la necesidad de la
implementación de Sistemas complementarios al alcantarillado convencional.
El análisis de la cartografía de la ciudad permite concluir que las zonas planas
que era el valle de inundación del río Cauca y por tanto la hidrología estaba
adecuada a los procesos de retención y acumulación, esto permite deducir que los
SUDS que se diseñen para estas zonas deberían emular dichos procesos.
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6 MODELACIÓN HIDRODINÁMICA
En este capítulo se presenta el diseño del alcantarillado pluvial para la ciudadela
CaliDA, una futura zona de expansión de Cali, esta ciudadela fue seleccionada por
tener topografía plana, suelos arenas finas y capas de material gravoso, además de
zonas de humedales propios de zonas de retención cumpliendo con el objetivo de
estudio del presente trabajo. Adicionalmente, se presenta la modelación
hidrodinámica de dos alternativas de SUDS para mitigar los efectos de las posibles
inundaciones pluviales que ocurran en dicha zona.
6.1 Descripción del área de estudio
El Gobierno Nacional, dentro de su Plan de Desarrollo 2006-2010, incluyó en
el “Programa Integral de Ciudades Amables” los medios para resolver el drenaje
pluvial en las urbanizaciones mediante el uso de Sistemas Urbanos de Drenaje
Sostenible (SUDS). En consecuencia, el Ministerio de Vivienda Ciudad y Territorio
adoptó el macroproyecto de Interés Social Nacional Eco Ciudad Navarro, el que
está ubicado en la zona sur oriente de la ciudad de Santiago de Cali en Colombia,
dentro del Corregimiento de Navarro, hace parte de la llanura de inundación del río
Cauca, zona que se caracteriza por sus humedales y paleocauces, cuyos suelos
son finos característicos de material de transporte de dichas inundaciones (ver
Figura 29), hoy denominado como ciudadela CaliDA (Resolución 2576 del 2009).
Figura 29 Localización general Ciudadela CaliDA
Fuente: Modificado de IGAC, 2015
CIUDAD CALIDA
CALI
NAVARRO
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En la Figura 30 se presenta una fotografía aérea del año 2017 de la zona
donde quedaría ubicada la ciudadela, a la cual se le superpusieron las áreas del
corredor ecológico, los humedales identificados, la cobertura actual en caña de
azúcar, con diferentes canales de drenaje y/o de riego y el polígono del predio.
Es importante mencionar, que el polígono del predio original tiene una
extensión de 67 ha, no obstante, una parte del área del predio hace parte del
corredor ecológico, por ende, solo son utilizables 43 ha.
Figura 30 Foto satelital de la zona de estudio
Fuente: Modificado de Google Earth, foto del año 2017
Dado que es un macro-proyecto para 6 manzanas con capacidad para 7.660
viviendas, el Gobierno Nacional, dentro de las especificaciones técnicas para evitar
la contaminación de acuíferos, dispuso que el alcantarillado pluvial (Alianza
Fiduciaria, 2014b): “deberá contemplar el uso del sistema urbano de drenaje
sostenible, utilizando un pondaje para amortiguar el caudal pico de la
escorrentía. En conjunto con el consultor del urbanismo, de vías y los resultados
del estudio de inundabilidad se definirán los corredores a lo largo de las vías y
demás espacio público para el manejo de las aguas lluvias en superficie, teniendo
en cuenta los hidrogramas de escorrentía de las áreas aferentes del proyecto” …
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En la siguiente figura se presenta el esquema general del urbanismo de la zona
de estudio:
Figura 31 Esquema urbanístico de ciudadela CaliDA
Fuente: Modificado de Fiduciaria, 2014a
6.1.1 Topografía
En el mapa de topografía (2014), se encuentran detallados los canales de
drenaje de los cultivos de caña de azúcar. Todos estos canales convergen hacia el
Canal Figueroa, a través del humedal Aldovea, y mediante el cual se conectan con
el sistema de drenaje pluvial oriental de la ciudad de Cali. Dicho sistema de drenaje
se origina en el sistema de drenaje agrícola construido para el Proyecto de
Aguablanca operado por EMCALI E.I.C.E. E.S.P.
7.660 VIVIENDAS -4.828 VIP-2.832 VIS
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Figura 32 Topografía del área de estudio y drenajes de la zona agrícola existentes
Fuente: (Alianza Fiduciaria, 2014a)
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Algunos de los canales relacionados llegan hasta el río Cauca, donde existen
estaciones de bombeo para evitar que la inundación por aguas lluvias afecte el
desarrollo del cultivo (ver Figura 33). En dicha figura, se realizó un corte transversal
desde la zona del proyecto hasta el río Cauca, correspondiente a la sección
topográfica 1-1’. Dicha sección fue analizada con información altimétrica de alta
precisión propiedad de CVC, con el fin de evaluar la tendencia topográfica del
proyecto con respecto al río Cauca, el cual define el nivel base de inundación. Dicho
corte transversal, se aprecia en la Figura 34.
En la zona donde cruza la Ciudadela CaliDA, extremo izquierdo, se tienen
elevaciones de 947.00 hasta 949.50 msnm, mientras que el extremo derecho tiene
elevaciones superiores a 953.00 correspondiente a la cota del dique del proyecto
Aguablanca construido desde el año 1960 y el nivel del agua del río Cauca es
superior a 945.50 msnm.
Esta zona antiguamente era inundable, pero después de las obras del
proyecto Aguablanca no se han presentado inundaciones (Arias & Florez, 2011).
Sin embargo, una eventual falla del dique Aguablanca, representa alto riesgo de
inundación en la zona de estudio. Lo anterior, indica que el sistema de drenaje debe
funcionar a impulsión, dado que las cotas no permiten drenar por gravedad ni al
canal Figueroa ni al río Cauca.
Finalmente, la topografía de terreno es la estipulada con el diseño
arquitectónico que define los niveles de piso terminado y replican la forma del
terreno original de bajas pendientes. Esta información sirvió para determinar uno de
los controles del modelo, debido a que el alcantarillado pluvial de la ciudadela
descargará por gravedad al reservorio de la Figura 33 ampliando el área hasta la
zona más próxima a las descargas, su profundidad no puede ser mayor a 3.8 m y
se debe garantizar la descarga hasta el río Cauca, como se observa en la Figura
34, dicha descarga deberá ser por bombeo, con el fin de evitar riesgos de
inundación en una zona que es húmeda por naturaleza.
Es de aclarar que el alcance del modelo hidrodinámico se limita a conocer el
potencial de SUDS para prevenir inundaciones pluviales.
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Figura 33 Canales de drenaje agrícola del área de estudio
Fuente: CVC, 2015
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Figura 34 Sección transversal topográfica de la zona de estudio
Fuente: CVC, (2013)
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6.1.2 Análisis de las zonas húmedas del área de estudio
Se identificaron las relaciones entre los cuerpos de agua que han
desaparecido para la construcción de las edificaciones y para su adecuación como
áreas de cultivos. Estos cuerpos fueron encontrados por anomalías en la superficie
potenciométrica dentro del estudio Acuífero de Cali realizado por (Hendrik & López,
2000) (ver Figura 35).
Figura 35 Paleocacuces
Fuente:(Hendrik & López, 2000)
Por otra parte, el estudio “Delimitación humedales del área con régimen
diferido de Navarro en Santiago de Cali” realizado por la Corporación BIOPARQUE
en el 2011 (Alcaldía de Santiago de Cali, 2014), contiene información sobre los
humedales en el corregimiento de Navarro denominados: madreviejas Navarro, Las
Vegas y Aldobea y lagunas denominadas: Pacheco e Ibis, (ver Figura 36), con sus
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respectivas áreas de protección las cuales servirán como limitante urbanística en el
proyecto CaliDA. A continuación, en la Tabla 9 se presenta la información de los
humedales y su área forestal protectora teniendo en cuenta los estudios elaborados
por DAPM- Gradex en el 2005 y CVC, citados por DAPM (2014). Como se observa,
la cantidad de humedales que existían en la zona es considerable.
Tabla 9 Inventario de humedales y franja de protección en la zona de Navarro Fuente: (Corporación Bioparque, 2011)
Humedal Predio Geomorfología Uso del suelo
ÁREA ha
Franja de Protección
(ha)
Área aferente humedal
Ibis Municipio de Cali Madre vieja –
Pantano de inundación
costado oriental Canal Río Lili
Potreros y cultivos
0.81 1.80 7.57
Pacheco Hacienda
la Sorpresa
0.58 2.26 7.15
Depresión Ibis
Pacheco 11.48 11.48 11.47
Basuro Navarro
Limites hacienda Chumbum - Emsirva
Antiguo cauce río Cauca
costado oriental canal del río Lili
Recuperación paisajística
antiguo vertedero de
Navarro
3.27 15.72 17.34
Las Vegas – Centro
Lili Hacienda Las Vegas
Antiguo cauce río Cauca costado
occidental canal del río Lili
Potreros y cultivos de
caña
2.44 10.98 24.25
Las Vegas La Cabaña – Meléndez
11.05 26.20 41.30
La Aldovea
Hacienda Aldovea
Madre vieja costado
occidental canal del río Lili
Cultivos de caña
1.88 5.33 3.75
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Figura 36 Humedales-cinturón ecológico-áreas de protección
Fuente: MAVCT (2009)
Por otra parte, en la revisión del Plan de Ordenamiento Territorial (POT) de
Cali aprobado a finales del 2014 se contempla el proyecto de Ecoparque del Agua
Navarro mediante la utilización de los humedales y zonas de protección existentes,
dentro de las cuales se encuentra la zona de viviendas del proyecto de la Ciudadela
CaliDA, como se muestra en la Figura 37.
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Figura 37 Ciudadela CaliDA y Ecoparque del Agua Navarro
Fuente: Alcaldía de Cali (2014)
Como puede apreciarse en cada Figura presentada de la localización del lote
de Ciudadela CaliDA, ésta se encuentra rodeada de humedales, lo que indica la alta
susceptibilidad del lote de sufrir inundaciones.
6.1.3 Uso del suelo en la ciudadela CaliDA
La secretaria de vivienda social y hábitat de Cali en el año 2014, presenta
una solución de viviendas compuesta por 6 manzanas tipo, cada una con 1.200
apartamentos y una manzana adicional con 460 apartamentos, para un total de
7.660 viviendas que significan 21.330 m2 de área construida. Se considera
densificar la zona como se observa en la Figura 38, quedando 3.941 m2 de áreas
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verdes, y el resto áreas de parqueaderos (6.363 m2), vías peatonales (5.189 m2),
vías vehiculares (3.055 m2) y equipamentos (300 m2).
Figura 38 Urbanismo general del proyecto
Fuente: MAVCT (2009)
Con respecto a la figura anterior, y de acuerdo con el trabajo desarrollado en
torno al uso de SUDS se separaron los usos de suelo con respecto a las
características de permeabilidad. El proyecto cuenta con zonas verdes y zonas
duras, sin embargo, existen zonas como las cubiertas de los edificios y las zonas
de parqueo que pueden variar de permeabilidad, los cuales se presentan en la
siguiente figura.
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Figura 39 Usos de suelo
Fuente: (Alianza Fiduciaria, 2014b)
Los usos de suelo encontrados en el área de estudio se ilustran en la
siguiente tabla:
Tabla 10 Clasificación de usos de suelo para la zona de estudio Fuente: modificado de INVIAS, 2009
ID Nombre Tipo de cobertura y condición hidrológica
1 Área comercial-
institucional, vías Áreas urbanas:
Comercial y de negocios
2 Área residencial Áreas residenciales por promedio del tamaño del lote:
1/8 de acre o menos (506 m2 o menos)
3 Parqueaderos Áreas urbanas totalmente desarrolladas Pavimentados
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ID Nombre Tipo de cobertura y condición hidrológica
4 Zonas verdes Áreas urbanas totalmente desarrolladas (vegetación ya
establecida): Condición buena (más del 75% cubierto de pasto)
6.2 Parámetros del modelo para las subcuencas
Los diferentes parámetros de la subcuenca se ponderaron por áreas, para
los que dependen del uso del suelo y del suelo; exceptuando el ancho de las
subcuencas, la pendiente promedio y porcentaje de área impermeable.
Para explicarlo mejor, en la Figura 40 se presenta la subdivisión de usos de
suelo para cada subcuenca, así se analizaron los parámetros diferentes para cada
uso como el “n” de Manning, Numero de curva (NC), área impermeable, según el
uso de cada subcuenca.
Debido a que los parámetros mencionados tienen diferente valor según el
uso de suelo, se ponderaron con respecto al área total de la subcuenca, dando así
un valor de “n” y NC para toda la subcuenca y fue el dato que se ingresó al modelo.
Por otro lado, el porcentaje de área impermeable corresponde a la proporción de
las áreas impermeables con respecto al área total de la subcuenca, para este
escenario, son: el área de vías, comercial e institucional, área de cubiertas de la
zona residencial y parqueaderos.
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Figura 40 Subvivision de áreas Fuente: Elaboración propia
Reservorio
(sitio de descarga)
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6.2.1 Ancho de las subcuencas
El modelo en SWMM aproxima el área de las subcuencas a un rectángulo,
por lo tanto, el ancho (W) es una longitud de escorrentía aproximada para cada
subcuenca. Se obtuvo cada ancho midiendo la longitud de recorrido de la
escorrentía superficial, como lo ilustra la Figura 41.
Figura 41 Determinación del ancho (W)
Fuente: Modificado de (Valentín, 2007b)
6.2.2 Pendiente promedio
Para el caso de estudio, que es un proyecto nuevo y el modelo arquitectónico
es esquemático, se asumió una pendiente superficial mínima y crítica del 0.1%.
6.2.3 Propiedades derivadas del uso del suelo y del suelo
Las propiedades derivadas de los usos y coberturas del suelo son el
coeficiente de rugosidad de Manning, la capacidad de interceptación de las
coberturas y el almacenamiento superficial causado por las depresiones. La
propiedad derivada del suelo corresponde al número de curva. Para definir cada
uno se utilizó el urbanismo propuesto para el proyecto.
6.2.3.1 Definición del coeficiente de rugosidad de Manning
El coeficiente de rugosidad de Manning de las superficies es un parámetro
sensible en el modelado hidrológico de cuencas urbanas. La compleja
determinación física de este parámetro en zonas con diversos tipos de coberturas,
interferencias y materiales hace que la cuantificación inicial a efectos del modelado
Precipitación
Pendiente
Punto de salida
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hidrológico se realice a través de valores más usuales determinados previamente
por investigaciones empíricas y luego queden sujetos a variaciones durante
procedimientos de calibración y validación del modelo.
En primer lugar, se identificaron los usos y coberturas de suelo en la zona del
proyecto. Para cada uno de ellos se analizó a partir de información del estado del
arte los valores típicos y rangos de variación. En la Tabla 11 se detallan los rangos
establecidos por la bibliografía consultada y valores adoptados para cada uno de
los dos escenarios de modelado hidrológico con sus respectivas fuentes.
Tabla 11 Valores de coeficiente de Manning “n” adoptados para diferentes coberturas y usos
Zona Rango Valor adoptado Fuente
Áreas comerciales-institucionales
0.011 - 0.012 0.011 Jain et al. (2016), Mrlc, Yen (2001)*
Área residencial 0.011 - 0.012 0.011 Jain (2016), Mrlc,
Yen (2001)*
Zonas verdes 0.010 - 0.320 0.130 Yen (2001), Jain
(2016), Mrlc*
Parqueaderos 0.011 - 0.020 0.011 Yen (2001)
6.2.3.2 Definición del porcentaje del área impermeable
Siendo este uno de los parámetros que se requieren para la modelación, se
definió delimitando las zonas mencionadas (áreas comerciales-institucionales, vías,
parqueaderos y área residencial) y se calculó el porcentaje para cada subcuenca.
6.2.3.3 Definición del almacenamiento superficial
En la Tabla 12 se recopilan valores típicos para este parámetro que se
obtuvieron de una revisión bibliográfica del tema. A partir de esta revisión se plantea
el uso de los valores indicados en las distintas superficies. A los fines de la
modelación en las condiciones del proyecto se tienen varias consideraciones:
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• Al ser una zona con pendientes mínimas, como las zonas de parqueadero
impermeable, el potencial de encharcamiento es alto, debido a que son zonas
planas, donde se tiende a acumular mayor cantidad de agua.
• Para zonas verdes, el potencial de encharcamiento es menor, pues no será
un terreno irregular sino una superficie verde creada, con pendiente y
superficie más uniforme, que limitará el almacenamiento.
• En la siguiente tabla, se encuentran en color verde los usos de suelo que
corresponden a áreas permeables y en color gris las áreas impermeables.
Para ambas se obtuvo el valor de almacenamiento.
Tabla 12 Valores de almacenamiento superficial
Zona SWMM (mm)
Hromadka and Whitley
1989 (mm)
Paule-Mercado et al.
2017 (mm)
Skotnicki and Sowiński 2013
(mm)
Valor adoptado
(promedio - mm)
Área comercial-institucional,
vías 1.27 2.54 1.27 3.81 0.1 2.54 0 4
1.93
Valor recomendado
1.91 2.5 1.32 2
Área residencial 1.27 2.54 1.27 3.81 0.1 2.54 0 4
0.91 Valor
recomendado 1.27 1.27 0.10 1
Parqueaderos 1.27 2.54 1.27 3.81 0.1 2.54 0 4
3.22 Valor
recomendado 2.54 3.81 2.54 4
Zona verde 2.54 7.62 2.54 12.7 2.28 7.6 0 4
5.50 Valor
recomendado 5.00 7.00 7.00 3.00
6.2.3.4 Número de curva
Para la aplicación del método se definió que la condición hidrológica del suelo
corresponde al grupo C teniendo en cuenta lo descrito en el ítem 5.2 de las
características de los suelos en la zona, para lo que se utilizó el Soil Conservation
Service de los Estados Unidos de América, SCS, referenciado en el Manual de
Drenaje de Vías (INVÍAS, 2009) para obtener los números de curva respectivos.
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Adicionalmente, se consideró una condición de humedad antecedente seca es decir
AMCII (ver Tabla 13).
Tabla 13 Número de curva para áreas urbanas para la condición de humedad antecedente AMCII
Fuente: Modificado de Monsalve, G., 1999, citado por INVIAS, 2009.
Zona Valor
Área comercial-institucional, vías 94
Área residencial 90
Zona verde 74
Parqueaderos 98
6.3 Selección de la lluvia de diseño
El período de retorno utilizado en el presente estudio es de 5 años,
seleccionado según las normas para diseño de sistemas de alcantarillado de
EMCALI E.I.C.E. E.S.P. del año 2017, las que están en concordancia con la
resolución 0330 de 2017, para tramos de alcantarillado con áreas tributarias entre
2 y 10 ha.
La curva de Intensidad-duración-frecuencia IDF utilizada es la
correspondiente a la zona oriental de la ciudad, que se relaciona a continuación (ver
Figura 42 y Tabla 14):
𝐼 =513.0206 ∗ 𝑇0.17782069
𝑡0.67484359
Dónde: T=periodo de retorno (años)
t=tiempo de concentración (min) I=intensidad de la lluvia de diseño (mm/h)
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Figura 42 Curvas IFD para la zona oriental de Cali
Fuente: Elaboración propia
Tabla 14 Curvas IFD para la zona oriental de Cali Fuente: Elaboración propia
Tiempo de concentración
t:(minutos)
INTENSIDAD (mm/h)
Periodo de retorno, Tr (años)
2 5 10 20 25 30 50 100
5 195.87 230.53 260.77 294.98 306.92 317.03 347.18 392.72
10 122.69 144.41 163.35 184.77 192.25 198.59 217.47 246.00
15 93.32 109.84 124.24 140.54 146.23 151.05 165.41 187.11
20 76.86 90.46 102.32 115.74 120.43 124.40 136.22 154.09
25 66.11 77.81 88.02 99.56 103.59 107.01 117.18 132.55
30 58.46 68.80 77.83 88.04 91.60 94.62 103.61 117.21
35 52.68 62.00 70.14 79.34 82.55 85.27 93.38 105.63
40 48.14 56.66 64.09 72.50 75.44 77.92 85.33 96.52
45 44.46 52.33 59.20 66.96 69.67 71.97 78.81 89.15
50 41.41 48.74 55.13 62.37 64.89 67.03 73.40 83.03
55 38.83 45.70 51.70 58.48 60.85 62.85 68.83 77.86
60 36.62 43.10 48.75 55.15 57.38 59.27 64.90 73.42
65 34.69 40.83 46.19 52.25 54.36 56.15 61.49 69.56
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
5 30 55 80 105 130 155
Inte
nsid
ad, m
m/h
r
Duración, minutos
2
5
10
20
25
30
50
100
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Tiempo de concentración
t:(minutos)
INTENSIDAD (mm/h)
Periodo de retorno, Tr (años)
2 5 10 20 25 30 50 100
70 33.00 38.84 43.93 49.70 51.71 53.41 58.49 66.16
75 31.50 37.07 41.94 47.44 49.36 50.98 55.83 63.15
80 30.16 35.49 40.15 45.41 47.25 48.81 53.45 60.46
85 28.95 34.07 38.54 43.59 45.36 46.85 51.31 58.04
90 27.85 32.78 37.08 41.94 43.64 45.08 49.37 55.84
95 26.85 31.61 35.75 40.44 42.08 43.47 47.60 53.84
100 25.94 30.53 34.54 39.07 40.65 41.99 45.98 52.01
Estas curvas IFD se caracterizan porque la pendiente alta al inicio de la lluvia,
lo que indica que se presentan altas intensidades en periodos cortos de tiempo lo
que resulta en hidrogramas torrenciales.
6.3.1 Duración de la lluvia
De acuerdo con la información de precipitaciones de la estación CVC desde
1984 (registros de 204 eventos), fue posible identificar la duración más frecuente de
precipitación por medio de un histograma como se observa en la Figura 43. A partir
de este análisis de la información de precipitación en la zona se concluye que, se
presenta una duración de la lluvia típica de 80 minutos.
Figura 43 Histograma de frecuencia de duración de la lluvia- Estación CVC
Fuente: elaboración propia
0
5
10
15
20
25
30
20 60 100 140 180 220 260 300 340 380 420 460 500 540
Fre
cue
nci
a
Duración de la l luvia (minutos)
Histograma de duración de precipitaciones
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6.3.2 Distribución temporal de la lluvia
Es importante explicar que existe una relación estrecha entre los tiempos de
concentración y el tiempo en alcanzar el pico. En hidrología urbana se trabaja con
tres presunciones para seleccionar la duración del evento de lluvia: 1) cuando no se
cuenta con información de dicha duración, la misma se estima como el tiempo de
concentración de la cuenca lo que es una presunción muy utilizada, 2) cuando se
cuenta con información confiable se toma la duración de los eventos de lluvia, en
dicho caso no hay necesidad de suponer que la duración es el tiempo de
concentración y 3) algunos autores norteamericanos recomiendan para zonas muy
pequeñas utilizar entre 5 y 30 minutos para dicha duración según las características
de la zona de diseño. La resolución temporal en SWMM es fija, debe ser de 1 o 5
minutos, y esta no modifica la respuesta, la refina. Se seleccionó dicha resolución
siguiendo las recomendaciones de modelación en la que esta no debe ser inferior a
la menor resolución de medición.
Se determinó la tormenta de diseño con la metodología de bloques
alternados para la duración de 80 minutos.
Tabla 15 Bloques alternados, Tr 5 años Fuente: elaboración propia
t I Precipitación
acumulada
Precipitación
inicial
Precipitación
incremental
Precipitación
Acumulada
Intensidad
incremental
min mm/hr Mm mm mm mm mm/hr
5 222.30 19.55 19.55 0.97 0.97 11.06
10 144.72 24.04 4.49 1.15 2.13 13.13
15 108.65 27.60 3.56 1.20 3.32 13.59
20 90.46 30.15 2.55 1.52 4.84 17.24
25 77.37 32.51 2.36 1.65 6.49 18.73
30 68.06 34.58 2.07 2.36 8.84 26.81
35 61.79 36.23 1.65 3.56 12.41 40.50
40 56.66 37.77 1.54 19.55 31.96 222.30
45 52.22 39.29 1.52 4.49 36.45 51.07
50 48.46 40.73 1.44 2.55 39.00 28.97
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t I Precipitación
acumulada
Precipitación
inicial
Precipitación
incremental
Precipitación
Acumulada
Intensidad
incremental
min mm/hr Mm mm mm mm mm/hr
55 45.64 41.92 1.20 2.07 41.07 23.56
60 43.10 43.10 1.17 1.54 42.61 17.57
65 40.80 44.25 1.15 1.44 44.05 16.35
70 38.84 45.31 1.06 1.17 45.22 13.35
75 37.06 46.35 1.04 1.04 46.26 11.80
80 35.49 47.32 0.97 0.97 47.24 11.06
Figura 44 Hietograma de la lluvia de diseño para el modelo
Fuente: elaboración propia
El hietograma resultante es intenso debido a las IDF utilizadas de la normativa
EMCALI E.I.C.E. E.S.P, denominada NDI-SE-RA-007 del año 2017.
0
50
100
150
200
250
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Inte
nsid
ad (
mm
/hr)
Duración (min)
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6.4 Planteamiento de la red de alcantarillado
Se plantea una red de drenaje a gravedad con dos ramales o zonas,
considerando el área de la ciudadela. Como puede evidenciarse en la Figura 45, la
zona A corresponde a la zona norte de la Ciudadela alrededor de 17 ha y la zona B
es la sur, con alrededor de 19 ha, cabe aclarar que cada zona se discretizó en áreas
promedio de entre 2 y 10 ha.
Cada zona (A y B, ver Figura 45), planteada inicialmente por el contrato de la
Alianza fiduciaria (2014b), tiene un punto de descarga común que es el reservorio,
el cual tiene una profundidad máxima de descarga de 3.8 m, posteriormente se
deberá garantizar la descarga hasta el río Cauca, como se observa en la Figura 34,
dicha descarga deberá ser por bombeo, con el fin de evitar riesgos de inundación
en una zona que es húmeda por naturaleza.
Es de aclarar que el alcance del modelo hidrodinámico se limita a conocer el
potencial de SUDS para prevenir inundaciones pluviales, las descargas no se
consideraron en este análisis.
Las zonas de interés general, como equipamientos y zona comercial se
localizan dentro de la zona 2, así mismo es la zona con mayor área impermeable,
en comparación de la zona 1, que aparte de la zona residencial cuenta con una
institución educativa. En ambas zonas, las zonas verdes son proporcionales, dado
que cada manzana cuenta con ella.
Se diseñaron las conexiones de la tubería teniendo en cuenta mínimas
diferencias entre cotas de bateas de los colectores de entrada y salida, sin unirlas
a clave debido a las limitaciones en la cota de descarga.
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Figura 45 Trazado de colectores
Reservorio
(sitio de descarga)
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6.5 Discretización de subcuencas
Se discretizaron las áreas del proyecto considerando las zonas residenciales,
donde los techos pueden ser verdes en un escenario con SUDS y las áreas de
parqueaderos se pueden utilizar como pavimentos porosos para aumentar la
permeabilidad, el resto de las áreas como las vías de circulación vehicular y
equipamientos se consideran impermeables. Las áreas escurren sus aguas hacia
las vías de acceso dado que es donde se instalará la tubería pluvial. La
discretización de las áreas se presenta en la figura.
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Figura 46 Áreas tributarias para el diseño de alcantarillado pluvial propuesto
Fuente: Elaboración propia
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6.6 Análisis hidráulico
Para el área de estudio el balance hidrológico es el siguiente: en total se
presenta un total de lluvia de diseño de 47.23 mm, de lo cual 2.41 mm se pierden
por infiltración y 1.55 mm por almacenamiento superficial, adicionalmente, la
inundación es de 1637 m3, lo cual alcanza una área de 0.164 ha, en comparación a
las 46 ha estudiadas (ver Figura 47).
Figura 47: Balance hidrológico de la zona de estudio
Fuente: Elaboración propia
Con la lluvia de diseño que se muestra en la Figura 44 se realizó el análisis
hidráulico. En el balance anterior se observa que las pérdidas por inundación
corresponden a 1.637 Ml del total (10% del total de escorrentía). De manera que,
se presenta inundación entre el minuto 40 y el minuto 45, en 29 de 55 cámaras, de
manera que el 53% de las cámaras se inundan (ver Figura 48). Aunque para el
minuto 45 la inundación se presenta solamente en 7 cámaras. Esto quiere decir que
la inundación que se presenta es mínima y por muy poco tiempo debido a las
características de la lluvia analizada (ver Figura 48 y Figura 49).
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La inundación se presenta de manera rápida, con caudales punta bastante
altos durante los 5 minutos que dura la inundación: para el minuto 40 con un rango
de 7.38 L/s a 844.53 L/s, y para el minuto 45 entre 3.61 L/s a 377.05 L/s.
Al respecto, la resolución 0330 o RAS-2017 (Ministerio de Vivienda Ciudad y
Territorio, 2017) el sistema se debe tener una relación máxima entre el calado y el
diámetro de 0.93, por encima de este valor ya los conductos entran en carga y
pueden funcionar a presión; mientras que la normativa técnica de EMCALI E.I.C.E.
E.S.P. denominada NDI-SE-RA-007: “Criterios de diseño en sistemas de
alcantarillado”, menciona que la profundidad máxima en alcantarillado es del 85%,
es decir es más restrictiva.
En el modelo para el minuto crítico minuto 40, se presenta que 18 de 41
conductos entran en carga, lo que corresponde al 44% de los conductos, estos se
muestran en rojo en la Figura 48. Mientras que para el minuto 45, sólo 5 conductos
entran en carga.
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Figura 48 Análisis hidráulico para el minuto 40 y minuto 45
Fuente: Elaboración propia
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Figura 49 Resumen de las cámaras que presentan inundación Fuente: Elaboración propia
Adicionalmente, la normativa RAS-2017 establece que la velocidad máxima no
deberá sobrepasar los límites de velocidad recomendados para el material del ducto
y/o de los accesorios a emplear y no deberá superar los 10 m/s, y la normativa
técnica de EMCALI E.I.C.E. E.S.P. denominada NDI-SE-RA-007: “Criterios de
diseño en sistemas de alcantarillado”, establece que la velocidad máxima
determinada por el caudal de diseño no debe sobrepasar los 5 m/s. Para el caso del
modelo se presenta una velocidad máxima de 3.33 m/s para el minuto 40, para el
conducto señalado con el círculo azul en la Figura 50, lo que indica que el diseño
cumple la normativa en lo relativo a las velocidades de flujo.
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Figura 50 Velocidades presentadas para el minuto 45 Fuente: Elaboración propia
Se destacan dos zonas donde se presenta inundación, cada una corresponde
a una salida del sistema, como se muestra en la Figura 51. Teniendo en cuenta la
lluvia analizada se observa que la red no presenta problemas de capacidad sino de
velocidad es decir que se presentan caudales punta muy altos en un periodo de
tiempo muy corto (solo 10 minutos).
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Por tanto no se justifica realizar rediseños a toda la red, sino que precisamente
es la razón por la cual se justifica la implementación de SUDS. Es decir, estos se
colocan con la intención de atenuar los picos. A continuación, se describen en
detalle ambas zonas críticas.
Figura 51 Zonas críticas de la zona de estudio
Fuente: Elaboración propia
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6.6.1 Zona #1
La zona #1, corresponde a la primera salida del sistema, presenta
inundaciones entre 8.87 L/s a 581.53 L/s para el minuto 40. Las mayores
inundaciones se presentan en las cámaras marcadas con círculo azul en la Figura
52.
Figura 52 Comportamiento hidráulico de la zona #1 para la lluvia de diseño Fuente: Elaboración propia
Al analizar el perfil longitudinal que va desde cámara 1 a la cámara 2 marcada
en la Figura 52, en secuencia, desde que inicia la lluvia, pasando por el pico, hasta
la finalización, se evidencia que este tramo de la red tiene capacidad hidráulica
suficiente para transportar la escorrentía producida por la lluvia de diseño, pero que
la zona tiende a producir hidrogramas muy pronunciados con caudales punta muy
altos de manera que 7 de 9 cámaras presentan inundación durante 5 minutos
(Figura 53).
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Figura 53 Perfil transversal de la zona # 1 (1 a 2) para el minuto 40 Fuente: Elaboración propia
Lo anterior, indica que el sistema convencional no puede solventar el problema
de atenuación de picos, y que no hay necesidad de incrementar de tamaño la red
ya que solo durante 5 minutos presentará problemas de inundación.
En la Figura 54 se presenta el hietograma de la lluvia de diseño y el hidrograma
en la salida de la zona 1, donde se aprecia que caudal punta tiene una duración de
5 minutos.
Figura 54 Hietograma de diseños e hidrograma a la salida #1.
Fuente: Elaboración propia
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6.6.2 Zona #2
La zona #2, corresponde a la segunda salida del sistema, presenta mayores
caudales de inundación, con un rango de 8.32 L/s a 844.53 L/s para el minuto crítico
(minuto 40), y nuevamente la duración de la inundación es hasta el minuto 45, es
decir durante cinco minutos. Las cámaras con mayor inundación se muestran en la
Figura 55 marcadas con círculo azul.
Figura 55 Comportamiento hidráulico de la zona #1 para la lluvia de diseño
Fuente: Elaboración propia
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En la Figura 56 y Figura 57 se muestran los perfiles longitudinales del tramo
señalado en la Figura 55 (1-3 y 2-3). Para el tramo 1-3 se presenta inundación para
el minuto 40 para todas las cámaras, mientras que en el tramo 2-3 se presenta
inundación en 9 de 11 cámaras, mientras que en el resto de la duración de la
precipitación el conducto fluye a lámina libre.
Figura 56 Perfil transversal (1-3) de la zona # 2 desde el minuto 00:25 a 1:25.
Fuente: Elaboración propia
Figura 57 Perfil transversal (2-3) de la zona # 2 desde el minuto 00:25 a 1:25.
Fuente: Elaboración propia
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Figura 58 Hidrograma de precipitación y de la tubería de salida #2.
Fuente: Elaboración propia
Los resultados de este escenario de alcantarillado convencional, incumple lo
señalado en el artículo 153 de la resolución 0330 de 2017, que establece: “Para
nuevos desarrollos urbanos, donde se modifique la cobertura del suelo, se deben
generar estrategias con el fin de mitigar el efecto de la impermeabilización de las
áreas en el aumento de los caudales de escorrentía. Se requiere diseñar sistemas
urbanos de drenaje sostenible, con el objeto de reducir mínimo en un 25% el caudal
pico del hidrograma de creciente de diseño, a fin de evitar sobrecargas de los
sistemas pluviales y posteriores inundaciones…”. CaliDA es un proyecto nuevo por
ende se deben analizar sistemas para reducir el hidrograma.
Del mismo modo que lo expuesto en la Figura 54, el pico de la lluvia coincide
con el pico del hidrograma de caudal en la salida #2, mostrando que el hidrograma
es intenso, por lo tanto el objetivo de las técnicas SUDS será atenuar el pico,
correspondiente al minuto 40 al 45, ya que la tubería tiene capacidad suficiente para
los caudales generados, excepto para el periodo de mayor intensidad.
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Bajo la necesidad de instalar SUDS o sistemas no convencionales de
alcantarillado que busquen absorber o retener la punta del del hidrograma
maximizando las áreas permeables y así, recuperar el patrón de drenaje de las
zonas de valle. Como se concluyó anteriormente, esta zona de la ciudad presentaba
gran cantidad de humedales cuya función original era precisamente, la de atenuar
los caudales máximos, entre otras.
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6.7 Implementación de SUDS en la cuenca
Con base a los capítulos 5 y 6, analizando el patrón de drenaje donde toda
la escorrentía que se genera de la zona montañosa al occidente de la ciudad se
conduce por canales que al llegar a zona de valle disminuye su pendiente y
velocidad que se caracteriza por tener sitios de retención e infiltración, debido a que
CaliDA se ubica en la zona de valle, se concluye que se deben seleccionar SUDS
de retención e infiltración, con el objetivo de aumentar el tiempo de retención y
disminuir el pico del hidrograma de caudal.
Adicionalmente, se da cumplimiento al artículo 153 de la resolución 0330 de
2017, debido a que Ciudadela CaliDA es un proyecto nuevo y debe implementarse
los SUDS para mitigar inundaciones sin tener que aumentar los diámetros de la red
de drenaje o asumir inundaciones por cada lluvia, realizando gestión del agua lluvia
en el origen antes de ingresar a la red de alcantarillado convencional. También es
importante considerar que la implementación de estos sistemas, posibilita una
certificación LEED la cual acredita a una construcción por ser ambientalmente
sostenible (Contreras, 2016). Se aclara que los SUDS no pretenden sustituir el
drenaje convencional, sino ser un complemento del mismo (Calabuig, 2016).
Dicho lo anterior, de acuerdo a la Guía de construcción sostenible para el
ahorro de agua y energía en edificaciones (Ministerio de Vivienda Ciudad y
Territorio, 2015), establece que se debe reducir las superficies impermeables e
inicialmente recomienda utilizar dos que fueron los utilizados en el modelo: Techos
verdes y pavimento permeable.
6.7.1 Tipologías de SUDS a modelar
Como se puede evidenciar en las curvas IDF del capítulo 6.3, el
comportamiento intenso de la lluvia requiere la reducción de volumen y caudal en el
momento más extremo de la lluvia, para solucionar la incapacidad hidráulica
momentánea que sufre la red de alcantarillado convencional, por ello se hace
necesario gestionar la lluvia en el origen, utilizando técnicas de infiltración y
retención (Perales & Doménech, 2007).
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Por lo anterior, se eligieron los SUDS de retención e infiltración como los son
los techos verdes y pavimentos porosos. A continuación, se presentan los
parámetros definidos para cada tipo de SUDS.
6.7.2 Parámetros del modelo para las subcuencas
Los usos de suelo deben ser modificados de manera que se adecúen a las
nuevas situaciones como se ilustran en la siguiente tabla:
Tabla 16 Clasificación de usos de suelo para la zona de estudio Fuente: modificado de INVIAS, 2009
ID Nombre Tipo de cobertura y condición hidrológica
1 Área comercial-
institucional, vías Áreas urbanas: comercial y de negocios
2 Área residencial con
techos verdes
Áreas urbanas totalmente desarrolladas (vegetación ya establecida):Condición regular (del 50% al 75% cubierto de
pasto)
3 Parqueaderos con pavimento poroso
Áreas urbanas desarrolladas: Áreas permeables conformadas (solamente áreas permeables, sin vegetación)
4 Zonas verdes Áreas urbanas totalmente desarrolladas (vegetación ya establecida): Condición buena (más del 75% cubierto de
pasto)
Las características de los SUDS seleccionados (techos verdes y pavimentos
porosos) dependen de las propiedades derivadas del suelo y de su uso. A
continuación, se definen los parámetros para la modelación en SWMM de cada
técnica. Se aclara, que los diferentes parámetros de la subcuenca se ponderaron
por el área de la subcuenca, es decir, los parámetros correspondientes a cada área
(zona residencial, parqueaderos, área institucional y vías) se ponderó con el área
total de la subcuenca.
6.7.2.1 Definición del coeficiente de rugosidad de Manning
En la Tabla 17 se detallan los rangos y valores adoptados para las condiciones
modificadas con respecto al escenario sin SUDS. Las áreas comerciales y las zonas
verdes no se modifican.
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Tabla 17 Valores de coeficiente de Manning “n” adoptados
Zona Rango Valor
adoptado Fuente
Área residencial Techos verdes
0.011 - 0.012 0.100 Jain (2016), Mrlc, Yen
(2001)
Parqueaderos Pavimento poroso
0.011 - 0.020 0.020 Yen (2001)
6.7.2.2 Definición del almacenamiento superficial
En la se adoptan los valores para condiciones donde existan SUDS teniendo en
cuenta que en este caso tanto las zonas verdes como los techos verdes,
correspondientes a las zonas residenciales, el potencial de encharcamiento es
menor, por las condiciones explicadas en el capítulo 6.2.3.3 Definición del
almacenamiento superficial.
Tabla 18 Valores de almacenamiento superficial para las zonas con SUDS
Zona SWMM (mm)
Hromadka and Whitley 1989
(mm)
Paule-Mercado et al. 2017
(mm)
Skotnicki and Sowiński 2013
(mm)
Valor adoptado (promedio
- mm)
Techos verdes 2.54 7.62 2.54 12.7 2.28 7.6 0 4
4.75 Valor recomendado
4 6 6 3
Parqueaderos 2.54 7.62 2.54 12.7 2.28 7.6 0 4
2.09 Valor recomendado
2.54 2.54 2.28 1
6.7.2.3 Número de curva
Para la aplicación del método se definió que la condición hidrológica del suelo
corresponde al grupo C teniendo en cuenta lo descrito en el ítem 5.2 de las
características de los suelos en la zona, para lo que se utilizó el Soil Conservation
Service de los Estados Unidos de América, SCS, referenciado en el Manual de
Drenaje de Vías (INVÍAS, 2009) para obtener los números de curva respectivos.
Adicionalmente, se consideró una condición de humedad antecedente seca es decir
AMCII (ver Tabla 13).
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En este caso, las áreas que cambian de uso como las cubiertas de las zonas
residenciales y los parqueaderos, también cambian de numero de curva:
Tabla 19 Número de curva para áreas urbanas para la condición de humedad antecedente AMCII
Fuente: Modificado de Monsalve, G., 1999, citado por INVIAS, 2009.
Zona Valor
Área residencial – Techo verde Áreas urbanas totalmente desarrolladas (espacios abiertos:
prados, parques campos de golf, cementerios, etc) 79
Parqueaderos - pavimentos porosos Áreas urbanas desarrolladas: áreas permeables conformadas (áreas permeables sin vegetación)
91
6.7.3 Análisis hidráulico con SUDS
Con las modificaciones anteriores se corrió el modelo para revisar el impacto
de la implementación de los SUDS para mitigar la inundación. Es de anotar, que el
7% del área total pertenece a pavimento poroso y el 23% a techos verdes, así, el
modelo cambia de tener un 90% de área impermeable en el escenario convencional
o SIN SUDS a tener un 61% de área impermeable en el modelo CON SUDS.
El balance hídrico obtenido se muestra en la figura siguiente:
Figura 59 comparación del balance hídrico entre la condición sin SUDS (izquierda) y
con SUDS (derecha) Fuente: Elaboración propia
Se observa que existe una reducción en el volumen de escorrentía superficial
del 12.08% (pasando de un valor de 43.33 mm a 38.09 mm), y un incremento del
almacenamiento superficial del 126.95% y de la infiltración en 135.39%.
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Adicionalmente, se observa que con los SUDS planteados se logra una
disminución total del volumen de inundación en las cámaras en las que antes se
presentaba (ver Figura 60).
Figura 60 Comparación del transporte de la escorrentía dentro de la red en la
condición sin SUDS (izquierda) y con SUDS (derecha) Fuente: Elaboración propia
Por otra parte, al observar el comportamiento de la red para el tiempo en que
se presentada el pico de escorrentía (minuto 40-45) se observa que con la
implementación de los SUDS se logra disminuir la inundación en todas las cámaras
y se logra mantener la relación y/D menor a 0.93 como indica la norma (ver Figura
61).
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Figura 61 Análisis hidráulico con la aplicación de SUDS para el minuto 45
Fuente: Elaboración propia
Por último, en la Figura 62 se muestra la comparación de los hidrogramas para
ambas salidas del sistema entre la situación sin SUDS y con SUDS. Se observa en
dicha figura una disminución notable del volumen de escorrentía (12.08%) y del
caudal pico en ambas salidas. Para el sistema se presenta para un volumen de
escorrentía total de 14.653 ,0 m3 para el modelo convencional y para el modelo con
SUDS se presenta un volumen total 13.961 m3, con una diferencia de volumen total
de 692 m3; y para el caudal pico la diferencia es también considerable, el caudal
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pico para el modelo base es 10.068,84 L/s y para el modelo implementado en SUDS
6.681,34 L/s con una diferencia de 3.387,5 L/s. De manera que con la
implementación de SUDS se presenta una mitigación total de la inundación y una
retención importante del volumen de escorrentía.
Figura 62 Comparación de hidrogramas modelo base vs aplicación de SUDS
Fuente: Elaboración propia
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Observando el caso con SUDS, de la anterior gráfica se puede observar que
el comportamiento de la escorrentía es retardado debido a la infiltración de los
SUDS utilizados, cuando estos se saturan la capacidad de infiltración se reduce al
minuto 35 e inicia el aumento de la escorrentía, hasta que de la misma forma que la
lluvia disminuye paulatinamente, sin la magnitud que se presenta en el modelo
convencional o SIN SUDS.
Figura 63 Resultados del modelo con SUDS y sin SUDS Fuente: Elaboración propia
Realizando un análisis de las gráficas, se pudo determinar que hay un cambio
muy significativo, entre el modelo CON SUDS, en comparación con el modelo SIN
SUDS, de esta forma se puede recomendar la implementación de los sistemas
urbanos de drenaje sostenible, en la zona de estudio.
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7 RECOMENDACIONES PARA IMPLEMENTACIÓN DE TECHOS VERDES Y
PAVIMENTOS PERMEABLES
Es de aclarar que en el desarrollo del estudio se realizó la simulación utilizando
el número de curva con el objetivo de presentar el potencial de los SUDS como una
solución a los picos de lluvia a nivel de ingeniería básica, sin embargo, SWMM
contiene el módulo LID que busca seleccionar un diseño específico de cada SUDS,
cuyo objeto deberá ser desarrollado en futuros estudios en la ciudad de Cali.
Este capítulo resume los mecanismos de aplicación y busca ser una guía de
aplicación de los dos SUDS utilizados en este proyecto como una base para futuros
desarrollos cuyo objeto sea un diseño específico de cada uno y una evaluación
económica de las alternativas.
A continuación, se explica la forma de implementar los pavimentos permeables
y los techos verdes, mediante SWMM donde se denominan LID (Low impact
development), que se explican con mayor detalle a continuación.
Parámetros requeridos
En la Figura 64 se presentan los parámetros requeridos por SWMM. Como
puede observarse, ambos LIDs tienen características similares en cuanto a
“Superficie” y “Suelo”, en ambos casos el agua de escorrentía o lluvia ingresa a
través de las diferentes capas hasta la capa de drenaje o almacenamiento, en el
caso de pavimentos permeables, puede permitirse infiltrar hacia el terreno si éste lo
permito o se utiliza el drenaje similar al de techos verdes. Cada capa se describirá
a continuación:
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Figura 64 SUDS en SWMM
Fuente: (EPA, 2016)
Superficie (Surface): Se usa para describir las propiedades de la superficie de
todos los tipos de controles LID, excepto en los barriles de lluvia. Siempre consta
de:
• Altura de berma (Berm Height): Cuando hay paredes confinadas o bermas,
esta es la profundidad máxima a la que el agua puede acumularse por
encima de la superficie de la unidad antes de que se produzca el
desbordamiento
• Volumen de vegetación (Vegetation Volume fraction): Fracción del volumen
de almacenamiento llena de vegetación, es el volumen ocupado por tallos y
hojas, aunque se puede ignorar, cuando la vegetación es densa se
recomienda un valor entre 1.0 – 2.0%
• Rugosidad de Manning de la superficie (Surface Roughness - Mannings n):
ver recomendaciones de n de Manning en el capítulo 6.7.2.1 y la Tabla 17.
• Pendiente de la superficie (Surface Slope): Pendiente de la superficie del
techo, del pavimento (en porcentaje).
Techos verdes Pavimentos permeables
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Suelo (Soil): Describe las propiedades de la mezcla de suelo diseñada y de la
capa de arena opcional debajo del pavimento permeable. Consta siempre de:
• Espesor de la capa (Thickness): Espesor de la capa de suelo (in o mm).
Los valores típicos varían de 18 a 36 pulgadas (450 a 900 mm) para
unidades de bio-retención en tierra, pero solo de 3 a 6 pulgadas (75 a 150
mm) para techos verdes.
• Porosidad (Porosity – volume fraction): Volumen de espacio de poros en
relación con el volumen total de suelo (como una fracción). Los datos de
porosidad dependen del tipo de suelo como se presenta a continuación:
Tabla 20 Porosidades, potencial de succión y conductividad hidráulica Fuente: (EPA, 2016)
Clase de suelo Porosidad
H
Porosidad efectiva
qe
Potencial de succión del
frente húmedo y (cm)
Conductividad Hidráulica K
(cm/h)
Arena 0,437
(0,374 - 0,500) 0,417
(0,354 – 0,480) 4,95
(0,97 – 25,36) 11,78
Arena margosa 0,437
(0,363 – 0,506) 0,401
(0,329 – 0,473) 6,13
(1,35 – 27,36) 2,99
Marga arenosa 0,453
(0,351 – 0,555) 0,412
(0,283 – 0,541) 11,01
(2,67 – 45,47) 1,09
Marga 0,463
(0,375 – 0,551) 0,434
(0,334 – 0,534) 8,89
(1,33 – 59,38) 0,34
Marga limosa 0,501
(0,420 – 0,582) 0,486
(0,394 – 0,578) 16,68
(2,92 – 95,39) 0,65
Marga arcillo-arenosa
0,398 (0,332 – 0,464)
0,330 (0,235 – 0,425)
21,85 (4,42 – 108,00)
0,15
Marga arcillosa 0,464
(0,409 – 0,519) 0,309
(0,279 – 0,501) 20,88
(4,79 – 91,10) 0,10
Marga arcillo-limosa
0,471 (0,418 – 0,524)
0,432 (0,347 – 0,517)
27,30 (5,67 – 131,50)
0,10
Arcilla arenosa 0,430
(0,370 – 0,490) 0,321
(0,207 – 0,435) 23,90
(4,08 – 140,20) 0,06
Arcilla limosa 0,479
(0,425 – 0,490) 0,423
(0,334 – 0,512) 29,22
(6,13 – 139,40) 0,05
Página 129 de 145
Clase de suelo Porosidad
H
Porosidad efectiva
qe
Potencial de succión del
frente húmedo y (cm)
Conductividad Hidráulica K
(cm/h)
Arcilla 0,475
(0,427 – 0,523) 0,385
(0,269 – 0,501) 31,63
(6,39 – 156,50) 0,03
• Capacidad de campo (Field Capacity- volume fraction): Volumen de agua
de poros en relación con el total después de drenar totalmente (fracción).
Por debajo de este nivel, no se produce el drenaje vertical del agua a
través de la capa del suelo.
• Punto de marchitez (Wilting Point - volume fraction): Volumen de agua de
poros en relación con el volumen total para un suelo bien seco donde solo
queda agua unida (fracción). El contenido de humedad del suelo no puede
caer por debajo de este límite.
• Conductividad (Conductivity): Conductividad hidráulica para el suelo
totalmente saturado (in/hr o mm/hr) ver Tabla 20.
• Pendiente de la conductividad (Conductivity Slope): Pendiente de la curva
de log (conductividad) vs humedad del suelo (adimensional). Los valores
típicos varían de 30 a 60. Se puede estimar a partir de un análisis del
tamaño de grano de suelo estándar como 0.48 (% de arena) + 0.85 (% de
arcilla).
• Altura de succión o cabeza de succión (Suction head): Valor promedio de
la succión capilar del suelo a lo largo del frente húmedo (in o mm).
7.1 Techos verdes
En SWMM, la modelación del LID denominado Techos Verdes (Green Roof),
contiene una tercera capa correspondiente a Drenaje. Los techos verdes
generalmente contienen una capa drenante que se encuentra debajo del suelo y
sobre la estructura del techo. Su propósito es transportar cualquier agua que drene
a través de la capa de suelo fuera del techo. Las características son las siguientes:
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• Espesor: Espesor de capa drenante (pulgadas
o mm). Por lo general, oscila entre 1 a 2
pulgadas.
• Fracción de vacíos: Relación entre el volumen
vacío y el volumen total en la capa.
Normalmente oscila entre 0.5 y 0.6.
• Rugosidad: Esta es la constante n de Manning
utilizada para calcular el caudal horizontal del
agua drenada a través de la capa. Se obtiene
por estimación. Los estudios de modelos
anteriores han sugerido el uso de un valor
relativamente alto, como de 0.1 a 0.4. En la
siguiente tabla se presentan valores
recomendados:
Tabla 21 Parámetros sugeridos Fuente: (Carson et al., 2015)
Capa Parametro
Superficie Altura de la berma 0 mm
Volumen de vegetación 0 %
Rugosidad de la superficie 0.04
Pendiente de la superficie 1-2 %*
Suelo
Espesor 100 mm
Porosidad 0.51 m3/m3
Capacidad de campo 0.49 m3/m3
Punto de marchitez 0.09 m3/m3
Conductividad hidráulica 170 mm/h
Pendiente de conductividad 10 %
Altura de succión 100 mm
Drenaje Espesor 19 mm
Fraccion de vacíos 0.55
Rugosidad 0.2
*Parámetros asumidos
7.2 Pavimentos permeables
En SWMM, la modelación del LID denominado Pavimentos Permeables
(Permeable Pavement), contiene las siguientes capas adicionales:
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Pavimento (pavement): Depende de las características de la superficie
permeable, como se explicó en capítulos anteriores puede ser pavimento asfaltico
poroso o adoquines, cada uno responde a un diseño de pavimento, que resulta en
una estructura de pavimento que ofrecen la capacidad portante necesaria para
resistir un tráfico generalmente liviano y tiene especificaciones técnicas diferentes.
A continuación, se recomiendan algunos:
Tabla 22 Parámetros sugeridos para diferentes superficies Fuente: (Martínez & Hernández, 2014)
Asfalto poroso Concreto poroso Adoquín
Espesor (mm)
Rodadura 100
Rango: 700 - 750
150-170
Rango: 350 - 370
80
Rango: 110 - 120
Subbase 350-400 0 0
Base 250 200 30-40
(arena)
Espacios vacíos “e” (espacio/solidos)
0.12-0.2** 0.12-0.2**
0.18* 0.78**
Superficie impermeable Fracción (FSI)
0** 0.8**
Permeabilidad (mm/h)
14000-22000** 17000-25000**
Factor de colmatación
𝑌𝑐𝑙𝑜𝑔 =𝑃𝑎 ∗ 𝐶𝑅 ∗ (1 + 𝑒) ∗ (1 − 𝐹𝑆𝐼)
𝑇 − 𝑒
Donde: Pa: Es la cantidad anual de lluvia que cae sobre la zona.
CR: es la ratio de captura del pavimento (área que contribuye a la escorrentía del pavimento dividido por el área propia de la acera).
e: es Espacios vacíos (Void Ratio). FSI: es la fracción de la superficie impermeable
T: es el espesor de la capa de pavimento
*(Jiménez & Joya, 2015) **(Villalonga & Camins, 2016)
El factor de colmatación es el valor que define la vida útil del pavimento, la cual
depende de la disminución progresiva de la capacidad de filtración, que ocurren
progresivamente y reducen la permeabilidad del pavimento, el factor de colmatación
está en función de la escorrentía tratada y del índice de espacios vacíos (Jimenez
& Joya, 2015). La disminución progresiva de la capacidad de filtración se presenta
por varios factores, entre ellos (Trujillo & Quiroz, 2013):
• el pavimento poroso tiende a compactarse en el tiempo por el uso del mismo,
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• Insuficiencia en diseño, ejecución y/o mantenimiento.
• El escaso mantenimiento, debido a que no es una práctica común en nuestro
medio
• Contaminación en el agua de escorrentía.
Según las recomendaciones del manual SWMM entre otros textos, se
recomienda ignorar este factor, sin embargo, por los factores antes enunciados, es
mejor calcularlo o estimar un factor diferente a cero.
Almacenamiento (Storage): Se describen las propiedades de la zona de
almacenamiento que puede estar compuesta por grava como, de igual forma se
utiliza para especificar la altura de un depósito de lluvia. De acuerdo con el diseño
de Martínez y Hernández (2014) realizaron el estudio piloto con un canto entre ½” y
1”.
Altura (mm): es la altura de un depósito pluvial o
el grosor de una capa de grava. Entre 105 a
450(Jiménez & Joya, 2015).
Relación de vacíos: Los valores típicos para
lechos de gravas varía entre 0,5 a 0,75(Jiménez &
Joya, 2015).
Tasa de infiltración: se adopta el valor de la
conductividad hidráulica saturada de la cuenca
circundante si se está utilizando el método de
infiltración Green-Ampt o a la tasa de infiltración
mínima para el caso de la infiltración de Horton.
tasa de infiltración igual a 73,169 mm/h (Trujillo &
Quiroz, 2013).
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Drenaje (Drain): Esta es una capa opcional, sucede cuando el pavimento
permeable no puede realizar infiltración en el terreno, en casos donde el suelo
natural es impermeable de características arcillosas, entonces el agua filtrada por
el pavimento poroso debe conducirse a otro lugar. Los parámetros a introducir se
presentan a continuación (Valbuena, M., 2016):
Tabla 23 Parámetros sugeridos para la capa de drenaje Fuente: (Villalonga & Camins, 2016)
Parámetro Valor sugerido
Coeficiente de flujo (Cd) 0.6
Exponente de flujo (n) 0.5
Altura del dren (mm) Es la altura por encima del fondo de la capa de
almacenamiento a la que se encuentra el dren
Las anteriores recomendaciones de SUDS pueden implementarse en el
modelo SWMM dentro del componente LID y permitirá analizar la respuesta
hidrológica e hidráulica de ellos en un área de estudio definida, en este caso las
zonas similares a ciudadela CaliDA de características planas y alta tendencia a
inundación.
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8 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Patrones de drenaje y zonas críticas de la ciudad
El patrón de drenaje de la ciudad de Cali, al igual que en las zonas de valle, es
la capacidad de retención, por ello la existencia notable de humedales, lagunas y
madreviejas, con la función de retener y conducir con lentitud los flujos de
precipitación y tratar las aguas, los que han sido modificados para construir
viviendas. Por otro lado, los suelos y en general la geología tienden a favorecer los
procesos de infiltración.
A partir de las cifras recolectadas por la Corporación OSSO y almacenada en
la base de datos DesInvertar se tuvo acceso a los registros de inundaciones
pluviales ocurridas desde 1963 por comuna, identificando que la comuna 10 es la
más afectada por inundaciones presentando hasta 40 inundaciones en el periodo
1970 a 2012. Otras comunas afectadas son las 2, 3, 6, 7, 10, 13, 14, 15, 18 y 19
que se caracterizan por presentar topografía plana o por estar en zonas donde el
drenaje natural ha sido ampliamente modificado.
Análisis de eventos históricos de inundación
En la ciudad de Cali, casi todas las inundaciones son causadas por la ausencia
de las dichas zonas de retención o almacenamiento, por ende, se deben elegir
SUDS de retención y almacenamiento que retardan el pico del hidrograma.
Con este trabajo se pudo corroborar que la ciudad de Cali no es ajena a la
problemática del incremento de inundaciones en zonas urbanas. Utilizando la fuente
de datos DesInventar, se identificaron tres épocas con tendencias diferentes en la
ocurrencia de los eventos de inundación, estas son: 1) 1963-1967, donde el
crecimiento en los eventos de inundación fue muy pronunciado, debido a la marcada
expansión urbana, 2) 1978-2000, periodo en que las inundaciones pluviales
continúan con tendencia al crecimiento pero a una tasa mucho menor, debido a la
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gran inversión realizada en la infraestructura de saneamiento de la ciudad realizada
por la empresa prestadora de servicios públicos, 3) 2001-2012, período en el que a
pesar de las inversiones antes realizadas se incrementa nuevamente la tasa de
inundaciones pluviales en la ciudad, debido a la expansión de la ciudad hacia las
zonas altas de la ciudad.
La ocurrencia de los eventos de inundación presenta un comportamiento
bimodal con dos temporadas de inundaciones en los meses de marzo, abril y mayo
y octubre y noviembre. En los otros meses no se presentan inundaciones. Este
comportamiento coincide con la bimodalidad de las precipitaciones.
El análisis de las IDF de la empresa prestadora indica que las lluvias en Cali
son de alta torrencialidad, presentando intensidades de precipitación muy altas
concentradas en periodos cortos de tiempo. Esta característica agrava aún más las
inundaciones de la ciudad.
Modelación hidrodinámica
Los alcantarillados convencionales para precipitaciones intensas siempre son
proclives a presentar desbordamientos de su capacidad debido al comportamiento
torrencial de la lluvia. Bajo el diseño convencional esto obligaría a aumentar los
diámetros para compensar dicha situación. Sin embargo, la modelación hidráulica
mostró que la situación de inundación bajo precipitaciones intensas se presenta por
periodos muy cortos de tiempo, para este ejemplo, alrededor de 10 minutos. Esto,
invita a repensar la forma como se vienen desarrollando los alcantarillados pluviales.
Lo anterior, evidencia la necesidad de instalar sistemas no convencionales
de alcantarillado, con facultad para atenuar el pico del hidrograma, retenerlo y así,
hasta podría disminuirse diámetros de tubería para optimizar el sistema, del mismo
modo, se recupera el patrón de drenaje de las zonas de valle.
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Del análisis de los patrones de drenaje de las zonas de valle se pudo
evidenciar que muchas inundaciones en la ciudad de Cali se han causado por la
pérdida de zonas destinadas a la retención y almacenamiento superficial y por tanto
se ha desbalanceado los procesos hidrológicos asociados. De allí se podría deducir
que los procesos de almacenamiento y evapotranspiración se han visto reducidos
favoreciendo los de escorrentía superficial. Así mismo, al disminuir la retención se
han aumentado las velocidades de flujo incrementando los caudales asociados. Por
tal razón es importante implementar SUDS que retengan flujo (techos verdes, celdas
de biorretención, jardines de lluvia, entre otros) y que permitan el almacenamiento
bien sea de forma superficial si se cuenta con el espacio apropiado (humedales,
estanques, lagunas, entre otros) o sino de forma subsuperficial (pavimentos
permeables y/o tanques).
Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible
La modelación hidrodinámica para Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible se
realizó utilizando el método del Número de Curva con el fin de presentar una
prefactibilidad del uso de superficies permeables y así conocer el potencial del uso
de SUDS para disminuir los picos de inundación. Por otro lado, es nula la
información disponible en la ciudad de Cali con respecto a suelos y su capacidad
filtrante para el cálculo de lluvia neta, y el Número de Curva permite conseguir un
valor de lluvia neta con información secundaria, sin llegar a un diseño de techos
verdes o pavimentos porosos específicos. Dicho análisis será un tema por
desarrollar en futuros estudios en la ciudad de Cali.
Para este trabajo se utilizaron techos verdes para comprobar el efecto de
retención y pavimentos permeables como medida de almacenamiento. Estos SUDS
fueron seleccionados teniendo en cuenta los objetivos antes planteados de
recuperación del ciclo hidrológico, así como las características de espacio
disponible en el área de estudio.
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Los SUDS elegidos, techos verdes y pavimento poroso representan una
solución sostenible al problema de las inundaciones por empozamiento de aguas
lluvias. La idea que se plantea, consiste en retener las aguas lluvias en el sustrato
de la cubierta verde o en el medio filtrante de la superficie porosa que recargan el
acuífero, con el fin de atenuar el caudal entrante al alcantarillado pluvial, de este
modo los ductos que drenan la precipitación no entran en un estado de saturación
(Contreras, 2016).
Los techos verdes fueron implementados en un 23% del área total de estudio
y los pavimentos permeables en un 7% del área total. A través de ellos se logró una
reducción del 12.08% en el volumen de escorrentía, un incremento de 126.95% en
el almacenamiento superficial y de 135.39% en la infiltración. Con la implementación
de los techos verdes se logra también mitigar la inundación totalmente en todas las
cámaras de la red de drenaje analizada y todos los conductos cumplen con la
capacidad determinada por la norma para alcantarillados pluviales.
Es de anotar que la resolución 0330 de 2017 o RAS, en el artículo 153
establece que se deben implementar estrategias para reducir el pico de escorrentía
en un 25 %. Con la implementación de Techos Verdes y Pavimentos porosos se
alcanzó una reducción del 12.08 %, lo cual indica que es un inicio para la mitigación
de los picos de escorrentía, sin embargo se deben optimizar a través de diseños
específicos o implementar otros SUDS.
Los parámetros utilizados para la modelación del escenario con SUDS una
buena aproximación a los valores que se deben utilizar para estos casos, sin
embargo, se requiere mayor investigación de dichos parámetros que permitan
definir los valores óptimos en las condiciones utilizadas en este trabajo.
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Los resultados de la modelación hidráulica con SUDS comparada con la
convencional, permiten reflexionar que se deben aprovechar y aplicar estas
tecnologías que cada vez son más estudiadas e investigadas a nivel mundial, e
incentivar que en Colombia y en especial en el Valle se necesita recuperar y
mejorare patrón de drenaje y las condiciones ambientales, debido a que con el
tiempo tienden a empeorar.
Futuros estudios para la ciudad de Cali
Este trabajo se constituye como una base para futuros desarrollos cuyo objeto
sea:
• Zonificar la permeabilidad en las zonas de expansión y en las zonas
consolidadas de la ciudad de Cali, para mejorar los análisis de lluvia
efectiva.
• Comparación de métodos de cálculo con número de curva, versus uso
del módulo LID en la modelación de SUDS y presentar
recomendaciones metodológicas para la modelación en SWMM.
• Diseño específico de cada tipo de SUDS,
• Evaluación económica de las alternativas
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