Sistemas de Alcantarillado Alcantarillado pluvial
Andrés Alvarado Martínez
Alcantarillad Alcant arillado o pluvial Conce onc eptos pto s pre pr eliminare lim inaress fundamental de los servicios públicos. públicos. A diferencia • El drenaje urbano es parte fundamental de otros servicios, el escurrimiento de aguas lluvias siempre ocurrirá exista o no un sistema de drenaje alcantarillado pluvial pluvial asegura asegura el tránsito tránsito público y protege protege las propiedade propiedadess • El alcantarillado contra el efecto dañinos de las inundaciones luviaa sobre el su sueelo urbano y su posterior evacu cuaación ión implica 2 • La lluvi potenciales problemas: cantidad y calidad. esttión ión inte integgral ral de dell drena renaje je urba urbano no de debe be co cons nsid ider erar ar la inf infiltr iltrac ació ión; n; • La ges rete retenc nció ión n “in “in situ situ”” o alma almace cena nami mien ento toss te temp mpor oral ales es,, us usoo de ag agua uass lluv lluvia ias, s, alcantarillados, control de inundaciones y mejora en la capacidad de transporte de los cursos de agua. conocimiento nto y com compre prensió nsión n del ciclo hidroló hidrológic gicoo es funda fundamen mental tal en la • El conocimie gestión del drenaje. Dete term rmin inar ar co conn prec precisi isión ón la ca cant ntid idad ad de llu lluvia via en un de dete term rmin inad adoo se secto ctor r • De depende totalmente de la cantidad y calidad de la información meteorológica (monitoreo $$) uest stro ro pa país ís,, la fuen fuente te de info inform rmac ació iónn es el In Inst stititut utoo Na Naci cion onaal de • En nue Meteorologí Meteo rologíaa e Hidrología Hidrología INAMHI INAMHI
Alcantarillado pluvial Conceptos preliminares
El período de retorno (T) se define como el número de años que en promedio la magnitud hidrológica es igualada o excedida. La vida útil de una estructura es la duración de la obra desde su instalación hasta su inutilización
Si una estructura se diseña para un período de retorno de 25 años, se espera que un evento de diseño ocurra en promedio 1 vez cada 25 años = la probabilidad (p) de que en cualquier año se presente un evento igual o mayor que el de diseño es de 1/25=0.04
Ec 1.
Alcantarillado pluvial Bases Pluviométricas SELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO DE DISEÑO
Varias maneras para seleccionar 1. La mas sencilla, por prescripción: La entidad responsable define el valor del período de retorno a utilizar. Ejemplo, un colector principal en la ciudad de Cuenca con un periodo de retorno de 50 años, definido por ETAPA
Alcantarillado pluvial Bases Pluviométricas SELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO DE DISEÑO
2. adoptando un nivel de riesgo hidrológico aceptable (riesgo de falla). A partir de la Ec.1:
1 1 1 ⁄ T =
Ec 2.
periodo de retorno; R = riesgo hidrológico: probabilidad de al menos una ocurrencia durante N años consecutivos o vida útil de la estructura.
Alcantarillado pluvial Bases Pluviométricas SELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO DE DISEÑO
A partir de la Ec.2, se obtienen diferentes periodos de retorno T asociados a un determinado riesgo y vida útil de la estructura Riesgo 0.01 0.02 0.05 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.63 0.70 0.80 0.90 0.95
5 498 248 98 48 23 15 10 8 6 6 5 4 3 2
10 995 495 195 95 45 29 20 15 11 10 9 7 5 4
Vida útil esperada en años 15 25 50 1493 2488 4975 743 1238 2475 293 488 975 143 238 475 68 113 225 43 71 141 30 49 98 22 37 73 17 28 55 15 25 50 13 21 42 10 16 32 7 11 22 6 9 17
75 7463 3713 1463 712 337 211 147 109 82 75 63 47 33 26
100 9950 4950 1950 950 449 281 196 145 110 100 84 63 44 34
Alcantarillado pluvial Bases Pluviométricas COROLARIO: PROBABILIDAD DE RIESGO CALCULADA
De la deducción de la Ec. 2, la probabilidad P de ocurrencia de al menos una lluvia de un periodo de retorno T dado, durante N años sucesivos (o Riesgo) está dada por:
q = 1 - 1/T = probabilidad de no ocurrencia en un año
Ec 3.
cualquiera.
Ej. Si un evento tiene un periodo de retorno de 5 años; cuál es la probabilidad de que este evento ocurra una vez en 3 años? Y en 5 años? q = 1 - 0,2 = 0,8; P = 1 – 0.8 3
Alcantarillado pluvial Bases Pluviométricas A partir de la Ec.3, se obtienen diferentes probabilidades de ocurrencia (riesgo) en función de distintos periodos de retorno T y un periodo considerado Periodo de retorno 5 10 15 20 25 50 100 200 500
Probabilidad de que un evento sea igualado o excedido por lo menos una vez durante el periodo especificado: 5 0.672 0.410 0.292 0.226 0.185 0.096 0.049 0.025 0.010
10 0.893 0.651 0.498 0.401 0.335 0.183 0.096 0.049 0.020
15 0.965 0.794 0.645 0.537 0.458 0.261 0.140 0.072 0.030
20 0.988 0.878 0.748 0.642 0.558 0.332 0.182 0.095 0.039
25 0.996 0.928 0.822 0.723 0.640 0.397 0.222 0.118 0.049
50 1.000 0.995 0.968 0.923 0.870 0.636 0.395 0.222 0.095
100 1.000 1.000 0.999 0.994 0.983 0.867 0.634 0.394 0.181
Ej. En una calzada, cuya vida útil es de 25 años, la alcantarilla tiene capacidad de conducir un caudal correspondiente a una lluvia con N= 10 años y ocurre una lluvia de 200 años, los daños serían considerables. La probabilidad de ocurrencia de ese evento en el periodo de vida útil de la calzada es del 11,8%. 8
Alcantarillado pluvial Bases Pluviométricas
Preguntas: 1. Si se quiere proyectar una obra de drenaje que tenga el 90% de certeza de que cierta lluvia, no ocurrirá en los próximos 10 años, cuál será el periodo de retorno de esta lluvia? 2. Si se requiere únicamente un 80% de certeza, cuál sería el periodo de retorno a adoptar? 3. Un colector está diseñado con un periodo de retorno de 50 años. Cuál es el riesgo existente de que un evento de 120 años de periodo de retorno ocurra durante los primeros 2 años de funcionamiento del colector? 4. Cuál es la probabilidad que el mismo evento o uno superior ocurra en los siguientes 2 años ?
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Alcantarillado pluvial Bases Pluviométricas La tercera forma es definir el valor del período de retorno es mediante análisis económico
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Alcantarillado pluvial Algunas observaciones respecto al periodo de retorno:
Existen recurrentemente quejas y hasta demandas al Estado por indemnizaciones por daños producidos por inundaciones. La demanda indica una supuesta omisión en la ejecución de obras capaces de conducir las crecientes, o negligencia en los estudios e incorrecciones en el dimensionamiento. El Estado no debería ser obligado a ejecutar obras de costo más elevado que el normal, en beneficio de particulares que mantienen propiedades sujetas a inundaciones periódicas. Además, existe la posibilidad que por razones de fuerza mayor se prefiera asumir los costos de remediación periódicas en lugar de una fuerte inversión inicial.
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Alcantarillado pluvial Escorrentía superficial
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Alcantarillado pluvial Escorrentía superficial De las fases del ciclo hidrológico, la más importante es el escurrimiento superficial. La mayoría de los estudios hidrológicos está ligada a esta fase Cuando caen las lluvias:
Una parte humedece la superficie de la vegetación y otros objetos (interceptación); El agua que alcanza el suelo puede filtrarse hasta el subsuelo (infiltración, que al inicio de la lluvia es alta) o acumularse en depresiones pequeñas (almacenamiento en depresión). Si la lluvia es mayor a la capacidad de infiltración, puede aparecer la escorrentía superficial. La escorrentía superficial es la principal preocupación en la gestión del drenaje. 13
Alcantarillado pluvial Escorrentía superficial El drenaje urbano esta compuesto por:
El sistema de drenaje convencional : alcantarillas, canales de drenaje, cunetas de coronación, tanques de igualación, etc. (periodo de retorno entre 2 y 15 años) El macro drenaje: grandes canales, puentes, vertederos de represas, etc. (periodo de retorno mayor a 50 años) Factores que influyen en el escurrimiento superficial.
Factores climáticos: Intensidad y duración de la precipitación; A mayor intensidad más rápido el suelo alcanza su capacidad de infiltración; para lluvias de igual intensidad, habrá escurrimiento cuando mayor sea la duración de la precipitación La ocurrencia de una precipitación anterior.
Factores fisiográficos Área, forma, permeabilidad, capacidad de infiltración y topografía de la cuenca; 14
Alcantarillado pluvial Escorrentía superficial Métodos para el cálculo del escurrimiento superficial
“El resultado de un estudio hidrológico representa siempre una aproximación. Muy poco es conocido la relación entre los factores que influyen en la relación lluvia-escorrentía en áreas urbanas ”
• • • • •
•
Método racional. Es el más utilizado, su ámbito de aplicación en subcuencas de hasta1 km2 = 100 ha Método del hidrograma unitario , para cuencas de más de 1 km2 y en el análisis de almacenamientos artificiales. Métodos estadísticos, para estimar caudales en ríos cuya área de aporte sea mayor a 25 km2 Método gráfico alemán, Método del ROAD RESEARCH LABORATORY (RRL), Este método considera que en una zona urbanizada, el gasto de diseño depende solamente de las superficies impermeables conectadas al sistema de drenaje Método de la Curva S 15
Alcantarillado pluvial Escorrentía superficial Método racional.
Para cuencas que no presente complejidades y menores a 1 km 2; (Sampaio indica que su empleo debe ser limitado a menos de 500 ha). Introducido en 1889, ampliamente utilizado en los Estados Unidos y en otros países, tiene algunas críticas por su simplicidad.
· · 0.36 Q = caudal [l/s] C = Coeficiente de escorrentía [-] I = Intensidad de la lluvia [mm/h] A = área de la cuenca de aporte [ha]
0.278 · ·
Ec 3.
Q = caudal [m3/s] C = Coeficiente de escorrentía [-] I = Intensidad de la lluvia [mm/h] A = área de la cuenca de aporte [km2] 16
Alcantarillado pluvial Escorrentía superficial
Consideraciones del método racional: • La intensidad de la lluvia permanece constante durante todo el tiempo
de concentración y es uniforme en toda la cuenca; • Las condiciones de permeabilidad permanecen constantes durante toda la lluvia; • La duración de la lluvia debe ser igual o mayor que el tiempo de concentración tc de la cuenca de aporte Tiempo de concentración tc : Tiempo que tarda en llegar una gota de agua desde el punto más remoto de la cuenca de aporte al punto de estudio. Una medida del tiempo que lleva para que toda la cuenca contribuya para el escurrimiento
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Alcantarillado pluvial Escorrentía superficial Método racional.
Representación gráfica caudal Duración de la lluvia
. · · V1
tc
V2
tc
tiempo
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Alcantarillado pluvial Escorrentía superficial
El t c en una zona urbana puede ser compuesto por uno o varios de los siguientes componentes: 1. 2. 3. 4.
Tiempo de flujo en el suelo Tiempo desde el techo hasta la tubería principal Tiempo de viaje a flujo libre en canales (cunetas, canales naturales o artificiales, etc) Tiempo en tuberías subterráneas
Una simplificación de éstos componentes arroja la siguiente expresión:
Ec 4.
tc = tiempo de concentración. tcs = tiempo de concentración sobre la superficie. tt = tiempo de traslado a través de los colectores. 19
Alcantarillado pluvial Escorrentía superficial
Para estimar t cs (muy difícil estimación por la heterogeneidad de las subcuencas urbanas) se puede utilizar varias formulaciones, una de ellas es la relación empírica propuesta por Kirpich:
0.0003245
.
Ec 5.
tcs = tiempo de concentración sobre la superficie (h).
L = longitud del cauce principal (m) S = pendiente media del cauce principal (m/m)
El tiempo de traslado en las tuberías t t puede estimarse considerando una velocidad constante a lo largo del colector: t t=l/v 20
Alcantarillado pluvial Escorrentía superficial Intensidad de la lluvia: Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia • Relaciones matemáticas (curvas) que relacionan la intensidad de la lluvia y su duración para determinados períodos de retorno (inverso de la frecuencia). • Se determinan con procedimientos estadísticos en función de precipitaciones registradas. • Mientras más y mejores son los datos de precipitación, más precisas son las curvas • Son únicas para cada lugar
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Alcantarillado pluvial Escorrentía superficial Coeficiente de escorrentía: Corresponde a la relación entre la lámina de agua precipitada sobre una superficie y la lámina de agua que escurre superficialmente (escorrentía efectiva). Depende en gran medida de las características del suelo.
Se utilizan tablas y gráficos para su estimación, que han sido elaboradas en base a observaciones y métodos estadísticos:
C en función de las características de la superficie y el período de retorno C en función de las características de la superficie y la intensidad de la lluvia 22
Alcantarillado pluvial Escorrentía superficial Coeficiente de escorrentía en una cuenca heterogénea:
Cuando el coeficiente de escorrentía no es constante en toda el área. Se puede obtener un coeficiente ponderado:
∑
Ec 6.
Alternativamente, cuando la subcuenca pueda dividirse en J homogeneas subareas Aj asociadas a un coeficiente Cj:
0.278 ·
Ec 7.
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