Diseño de Sistemas de Captación Pluvial

Control de crecientes

Técnicas de reducción del escurrimiento

El enfoque tradicional del manejo de laprecipitación en las ciudades se limitaba acaptar el escurrimiento superficial yconducirlo a un cuerpo de agua lo máscercano posible

Este planteamiento resultaba en laconstrucción de cunetas, bocas de tormentay sistemas de alcantarillado

M. I. José Antonio Cisneros RosasOtoño 2014

Actualmente se ha demostrado que estassoluciones han provocado:

Los problemas de inundación se trasladanhacia aguas debajo del centro urbano

Se altera el balance hídrico

Se incrementan los problemas de erosión encuencas y cauces


Las inundaciones fluviales que afectanzonas urbanas pueden deberse Al desbordarse un río que proviene de

zonas altas A los asentamientos urbanos en las

planicies de inundación o deltas de unacorriente


En cambio, las inundaciones urbanas sedeben a que la red de drenaje pluvial noalcanza a captar todo el escurrimientoen calles y zonas bajas


La adecuada gestión en el manejo ycontrol de crecientes en una zonaurbana debe contemplar tanto medidasestructurales como no estructurales


Como ya se ha visto, una crecienteocurre cuando el escurrimiento superficialexcede la capacidad de la obra dedrenaje (cauce, canal, alcantarillado)resultando en una inundación de lasáreas drenadas por tales obras


Manejo de planicies de inundación

Los estudios de manejo de planicies deinundación son los mismos que se utilizanen el control pluvial en zonas urbanas,aunque se utilizan intervalos de periodode retorno de 100 y 500 años


Una vez que se han estimado los hidrogramaspara estas avenidas de diseño, se realiza eltránsito de las mismas en el cauce y secalculan los perfiles de la superficie libre delagua en diversas secciones transversales

Al pasar estas elevaciones a un planotopográfico se definen las fronteras de laplanicie de inundación


Avenida de 100 añosAvenida de 500 años

Cauce de crecientes


Los límites del cauce de crecientes sondeterminados bloqueando el área deconducción de la planicie de inundacióncon incrementos iguales en ambos lados decada sección


Debe tenerse en cuenta que estas áreas seinundarán esporádicamente, por lo que losusos permitidos deben reducirse a

Usos agrícolas Usos industriales y comerciales (áreas de

estacionamiento) Campos deportivos, parques


Lagunas de detención La detención de las aguas de tormentas

consiste en el almacenamiento temporal delescurrimiento en todo tipo de depresiones,estanques o contenedores construidos paratal fin

La retención consiste en guardar elescurrimiento por largo tiempo con finesestéticos o de aprovechamiento


El objetivo principal de estas estructurasconsiste en desalojar de manera controladael escurrimiento almacenado

En áreas con pendiente fuerte, además dereducir el pico del hidrograma, atenúan laenergía cinética del escurrimiento

Las lagunas de detención deben contemplaruna estructura de descarga (orificio) en laparte inferior y una estructura de control(vertedor) superior


Tipos de estanques de detención

Estanques secos y con almacenamiento

Estanques superficiales y subterráneos

Estanques sobre la corriente y laterales

Estanques locales y regionales

Estanques en serie e interconectadosM. I. José Antonio Cisneros Rosas

Otoño 2014

La descarga de un estanque de detencióndefine el hidrograma de salida (tránsito de laavenida), en función del hidrograma deentrada y de las características delalmacenamiento y el tipo de estructura dedescarga

La atenuación se debe al almacenamientotemporal en el estanque y así se origina elretraso en el tiempo de ocurrencia del gastode salida


Dimensionamiento de estanques de detención Al tenerse cuencas pequeñas, se acepta que

la distribución de la lluvia es uniforme paraestimar el volumen de escurrimiento

El almacenamiento requerido puede serestimado directamente a partir de ladiferencia de volúmenes de entrada y salida

Los métodos expuestos a continuación sehan considerado adecuados para cuencasde hasta 500 ha


Método de los hidrogramastriangulares

Este procedimiento establece que lareducción del pico ocasionado por laurbanización (Qpd) será igual al gasto picoantes del desarrollo (Qpa)

Se acepta que el tiempo pico (Tp) delhidrograma triangular es igual al tiempo deconcentración (Tc) y el tiempo base es 2Tc


Deben definirse los parámetros

es menor que 1 al incrementarse el gastopico por la urbanización y es mayor que 1ya que la misma reduce el tiempo del flujodel escurrimiento


El almacenamiento requerido será igual alvolumen comprendido entre los hidrogramasde entrada y salida


Las características geométricas del volumendel hidrograma permiten definir el cocienteadimensional entre volumen requerido (Vr) yel volumen de escurrimiento directo (Ved)

cuando <2-

cuando 2-


Cuando 2 los tiempos pico de amboshidrogramas coinciden, por lo que

1 1

Este método también es conocido comoModelo Generalizado


Método Racional modificado

En este método se utilizan tormentas demayor duración que el tiempo deconcentración de la cuenca urbana

Este hidrograma es de forma de trapecio, porlo que debe ajustarse la pendiente deascenso y descenso para cumplir con elgasto estimado según la duración y el tiempode concentración de diseño


La máxima retención necesaria será funciónde la duración crítica de la tormenta (Td)


Con base en la geometría de los trapecios seobtiene la relación entre el volumen (Vr) y elhidrograma de salida (Vs)

1 1 1 2

Y la curva IDF del periodo de retorno tiene laforma


El volumen bajo el hidrograma de salidasdebe ser igual al volumen del hidrograma deentrada, es decir

Al sustituir la ecuación anterior y sabiendoque =Qa/Qp, reordenado se tiene

2 2


Para obtener la duración crítica Td que hacemáximo a Vr, se considera que Qp es el gastoobtenido por la fórmula racional

Si Qa, Tp y son constantes e igualando acero se obtiene

0.00278 ∙ ∙ ∙ ∙

0.00556 ∙ ∙ ∙

Tp corresponde al nuevo tiempo deconcentración, en minutos


Método basado en curvas IDF

Este método se recomienda para cuencasde hasta 65 ha para duraciones de tormentade 5 y hasta 250 minutos

El procedimiento básico consiste en estimar elvolumen de ingreso (Ve) y calcular elvolumen de salida del vaso (Vs)

El volumen requerido (Vr) será la máximadiferencia encontrada entre Ve y Vs


Entonces, a partir de la fórmula racional

0.00278 ∙ ∙ ∙ ∙

T es la duración de la tormenta

Y el volumen de salida es

∙ ∙


k se obtiene a partir del coeficiente de losgastos máximos de entrada y salida ()


Relación nivel-almacenamiento en el estanque

Además del tránsito del hidrograma paraestablecer la carga hidráulica sobre elvertedor para el hidrograma de salida, debeobtenerse dos relaciones que describentanto el almacenamiento en el estanquecomo las características hidráulicas de lasestructuras de descarga


Relación nivel-área superficial

Se representa de forma gráfica o de tabla

Debe empezar desde la parte más baja delalmacenamiento

Comúnmente el área es función de laelevación, excepto si el estanque tieneparedes verticales


Relación nivel-almacenamiento

Cuando el estanque no tiene paredesverticales, se recomienda utilizar algunaforma geométrica regular que mejor seadapte a la topografía del sitio

De forma general, se puede establecer lasiguiente relación entre el área inundaday la elevación correspondientes alvolumen almacenado

≅ 0.50 ∙ ∙


Dimensionamiento de la estructura de descarga

Para evitar la erosión en la zona de entrada alos estanques de detención, se debendiseñar estructuras hidráulicas queconduzcan el flujo de las aguas pluviales deforma controlada


Los estanques de detención tienen doscomponentes: la estructura de descarga y elvertedor de excedencias

El dimensionamiento de la estructura dedescarga puede ser del tipo de tubo verticalperforado

En primer lugar debe estimarse el díametrodel tubo para descargar el gasto máximocontrolado y además debe permitir ladescarga del gasto máximo en condicionesprevias a la urbanización


También puede diseñarse un tubo verticalcon escotaduras cuyo diámetro sea de dos atres veces el del conducto de descarga

La longitud de la cresta generalmente seobtiene a partir de la fórmula de vertedores,utilizando un coeficiente de descargarecomendado de 1.656


Prácticas de infiltración Su objetivo no sólo es reducir el escurrimiento,

además buscan favorecer la recarga deagua subterránea de manera que seretengan los contaminantes y se minimice elimpacto adverso al ambiente

Así, se busca mantener las características deescurrimiento que se tenían antes de laurbanización


Canales de infiltración Son canales empastados con pendiente

longitudinal pequeña y taludes tendidos

Las áreas de captación pueden serestacionamientos, campos deportivos

La longitud requerida puede deducirsecomo

/ /

/M. I. José Antonio Cisneros Rosas

Otoño 2014

Kt es una constante numérica función deltalud


El volumen para almacenar por el canal debeser

Donde Vr es el volumen de escurrimiento y Vf esel volumen infiltrado en la distancia L disponible

∙

Donde es el gasto medio de inflitración y th esla duración del hidrograma de escurrimiento(seg), puede considerarse igual al doble deltiempo de concentración de la cuenca


Por seguridad, los canales de infiltración nodeben tener taludes inferiores a 6

La pendiente longitudinal debe ser de hasta0.20 para evitar la erosión

El nivel máximo del agua subterránea estarápor lo menos a 1.50 m de profundidad

El ancho mínimo del canal debe ser de 6metros


Estanques de infiltración Son estructuras con una gran superficie y tirantes

pequeños cuya área tributaria no sea mayor de 4hectáreas

Su capacidad debe ser función de la tormentade diseño y el riesgo de desbordamiento entredos eventos de precipitación

Debe asegurarse que la instalación captará elvolumen propuesto y la geometría del terrenosubyacente sostendrá el flujo de infiltración dediseño

No se recomienda su construcción en suelos donde se tienen velocidades menores de 5 mm/hr


Estos estanques se diseñan para periodos deretorno de 2 a 10 años que se localicen enterrenos con pendientes de hasta 5%

Debe existir un desnivel mínimo de 3 metrosentre el final de una cimentación y el fondodel estanque

La distancia entre el estanque y una fuentede abastecimiento debe ser como mínimode 30 metros


La profundidad entre el fondo del estanque yel nivel freático debe estar entre 1.5 y 3metros

El material de la trinchera debe ser piedra de2.5 a 8 cm de diámetro (30%<e<40%)

Debe instalarse un geotextil en las paredes yuna capa de arena de 15 cm de espesor enel fondo para retener el material fino


El volumen requerido por el estanque deinfiltración puede obtenerse, en primer lugara partir de la ecuación de Horton para lalámina de infiltración acumulada en eltiempo T (minutos):

∙ 1 ∙


f0 y fc son las velocidad inicial y final,respectivamente, de infiltración y k es elcoeficiente de decaimiento


Entonces el volumen almacenado es

60 ∙ ∙ 10 ∙ ∙

Donde Ae es el área para infiltración en elestanque, mientras que el gasto que se infiltraserá

∙3.6 10


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