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centro de aguas urbanas 1 Nuevos Enfoques para el Drenaje Urbano de Aguas Lluvias Bonifacio Fernández L., José Pedro Montt M. y Pedro Rivera I. Centro de Aguas Urbanas. Departamento de. Ingeniería Hidráulica y Ambiental. Pontificia Universidad Católica de Chile. Introducción La urbanización es uno de los procesos que afecta de manera más significativa las condiciones naturales de una cuenca y su ciclo hidrológico, alterando los hábitat naturales, impermeabilizando y compactando el suelo, modificando las vías naturales de drenaje y aumentando la contaminación de los recursos de agua. La concentración urbana en las ciudades, y su crecimiento acelerado durante los últimos cien años, han puesto en evidencia los efectos de la alteración significativa del medio ambiente y la hidrología natural (Figura 1). En las ciudades en que no se ha estado atento a enfrentar estos problemas, las aguas lluvias se han transformado en un problema evidente, a tal punto que provocan daños por inundaciones incluso para condiciones de lluvias habituales, como ha ocurrido en amplios sectores de Santiago en las últimas décadas. Desde mediados del siglo XX se ha reconocido, y verificado con antecedentes cuantitativos, el impacto de la urbanización sobre la hidrología natural. Al comparar una cuenca urbanizada con sus condiciones previas se advierte que en ellas escurre superficialmente un mayor volumen de agua, disminuye la infiltración y la humedad en el suelo, aumentan significativamente los caudales máximos de crecidas con un tiempo de respuesta menor y aumenta la cantidad y concentración de contaminantes. Uno de los aspectos más estudiados es el incremento de la frecuencia y magnitud del caudal de las crecidas urbanas, ya que ellas son responsables de las inundaciones. Ello se debe fundamentalmente a dos factores. Por un lado el nuevo uso del suelo que aumenta la proporción de áreas impermeables, y por lo tanto la proporción que escurre de las aguas lluvias. Este es el aspecto más reconocido, pero no el único. A ello se agrega que los elementos típ icos de la urbanización modifican el patrón de drenaje y conducen mejor el agua, concentrando los flujos y aumentando su velocidad. La impermeabilización del suelo tiene efecto sobre los volúmenes escurridos y la modificación de la red de drenaje sobre lo s caudales máximos. El efecto combinado de ambos factores puede apreciarse en el gráfico de la Figura 2, elaborado para la ciudad de Washington en Estados Unidos (Leopold, 1968). En ésta se aprecia el aumento de la descarga de aguas lluvias urbanas debido, por una parte, a la impermeabilización de la superficie y por otra a la instalación de colectores que facilitan el flujo. Esto deja en evidencia que la solución basada exclusivamente en evacuar las aguas lluvias mediante colectores no hace sino agravar el problema hacia aguas abajo, generando caudales de crecidas cada vez mayores y contribuyendo a un mayor impacto de las aguas lluvias urbanas sobre los medios acuáticos receptores.

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    Nuevos Enfoques para el Drenaje Urbano de Aguas Lluvias

    Bonifacio Fernndez L., Jos Pedro Montt M. y Pedro Rivera I. Centro de Aguas Urbanas. Departamento de. Ingeniera Hidrulica y Ambiental.

    Pontificia Universidad Catlica de Chile.

    Introduccin La urbanizacin es uno de los procesos que afecta de manera ms significativa las condiciones naturales de una cuenca y su ciclo hidrolgico, alterando los hbitat naturales, impermeabilizando y compactando el suelo, modificando las vas naturales de drenaje y aumentando la contaminacin de los recursos de agua. La concentracin urbana en las ciudades, y su crecimiento acelerado durante los ltimos cien aos, han puesto en evidencia los efectos de la alteracin significativa del medio ambiente y la hidrologa natural (Figura 1). En las ciudades en que no se ha estado atento a enfrentar estos problemas, las aguas lluvias se han transformado en un problema evidente, a tal punto que provocan daos por inundaciones incluso para condiciones de lluvias habituales, como ha ocurrido en amplios sectores de Santiago en las ltimas dcadas. Desde mediados del siglo XX se ha reconocido, y verificado con antecedentes cuantitativos, el impacto de la urbanizacin sobre la hidrologa natural. Al comparar una cuenca urbanizada con sus condiciones previas se advierte que en ellas escurre superficialmente un mayor volumen de agua, disminuye la infiltracin y la humedad en el suelo, aumentan significativamente los caudales mximos de crecidas con un tiempo de respuesta menor y aumenta la cantidad y concentracin de contaminantes. Uno de los aspectos ms estudiados es el incremento de la frecuencia y magnitud del caudal de las crecidas urbanas, ya que ellas son responsables de las inundaciones. Ello se debe fundamentalmente a dos factores. Por un lado el nuevo uso del suelo que aumenta la proporcin de reas impermeables, y por lo tanto la proporcin que escurre de las aguas lluvias. Este es el aspecto ms reconocido, pero no el nico. A ello se agrega que los elementos tp icos de la urbanizacin modifican el patrn de drenaje y conducen mejor el agua, concentrando los flujos y aumentando su velocidad. La impermeabilizacin del suelo tiene efecto sobre los volmenes escurridos y la modificacin de la red de drenaje sobre lo s caudales mximos. El efecto combinado de ambos factores puede apreciarse en el grfico de la Figura 2, elaborado para la ciudad de Washington en Estados Unidos (Leopold, 1968). En sta se aprecia el aumento de la descarga de aguas lluvias urbanas debido, por una parte, a la impermeabilizacin de la superficie y por otra a la instalacin de colectores que facilitan el flujo. Esto deja en evidencia que la solucin basada exclusivamente en evacuar las aguas lluvias mediante colectores no hace sino agravar el problema hacia aguas abajo, generando caudales de crecidas cada vez mayores y contribuyendo a un mayor impacto de las aguas lluvias urbanas sobre los medios acuticos receptores.

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    Urbanizaciones de bajo impacto En los ltimos cien aos el enfoque para orientar las soluciones tcnicas a los problemas que generan las aguas lluvias urbanas ha evolucionado dramticamente, al mismo tiempo que las reas urbanas han concentrado la mayor cantidad de poblacin y el nivel de vida de los ciudadanos se ha elevado. A principios del siglo XX se consideraba que las aguas lluvias eran indeseables en las ciudades y que los problemas que generaban eran independientes del proceso de urbanizacin. Las aguas lluvias eran consideradas como las aguas servidas, de manera que la solucin consista en desprenderse de ellas rpidamente, capturndolas y evacundolas hacia aguas abajo. En muchos casos se desarrollaron soluciones combinadas, mezclndolas con las aguas servidas en el mismo sistema de evacuacin. Este enfoque alent las soluciones basadas en colectores de aguas lluvias. El sistema consiste en que las superficies impermeables entregan el agua a las calles, en las cuales mediante cunetas se descargan a los sumideros que alimentan los colectores. Estos colectores son similares a los de las aguas servidas, van enterrados y permiten el aprovechamiento de la superficie del terreno para otros fines. As se solucion simultneamente la evacuacin de aguas servidas y aguas lluvias del centro de Santiago, como uno de los proyectos del centenario de la repblica (Bertrand, 1908). Este enfoque colaps con el crecimiento y desar rollo de las ciudades. El principal inconveniente es que intenta eliminar los sntomas y no las causas, generando grandes problemas hacia aguas abajo, dejando obsoletas las soluciones a medida que las ciudades crecen y no hacindose cargo de la contaminacin de las aguas lluvias urbanas, al mismo tiempo que dificulta el tratamiento de las aguas servidas. A mediados del siglo XX muchas ciudades de gran desarrollo reconocieron que era necesario cambiar el paradigma del drenaje urbano y propusieron un nuevo enfoque, que considera las aguas lluvias como un recurso urbano y enfrenta las causas de los problemas ms que los sntomas. Este enfoque reconoce que es el proceso de urbanizacin el que genera el problema de aguas lluvias, y es necesario por lo tanto controlar el volumen, los caudales mximos y la contaminacin en la fuente, minimizando el cambio hidrolgico y las externalidades negativas del proceso de urbanizacin. Para ello se desarrollaron nuevos enfoque conocidos en EEUU como BMP, Best Management Practices (Urbonas y Stahre, 1993), o Tcnicas de Gestin de Escurrimientos Urbanos, TGEU. Consisten fundamentalmente en el desarrollo de tcnicas y obras que permiten y facilitan la infiltracin y el almacenamiento, as como la captura de un volumen para el tratamiento en el lugar de las aguas lluvias. La principal motivacin de este enfoque es lograr el tratamiento de las aguas lluvias en el lugar de origen, mediante infiltracin, decantacin o almacenamiento prolongado, ante la poca factibilidad econmica de hacer plantas de tratamiento para caudales de crecida de operacin espordica aguas abajo de las ciudades. A principios del siglo XXI la evolucin natural del enfoque basado en la gestin de los escurrimientos urbanos ha conducido a poner el acento en el diseo de las urbanizaciones, desarrollando lo que se conoce como Urbanizaciones de Bajo Impacto, Low Impact Development, uniendo aspectos hidrolgicos y ambientales (Prince Georges County, Maryland, 1999). En este esquema las reas verdes juegan un papel fundamental. Desde el punto de vista hidrolgico se trata de minimizar la generacin de escorrenta urbana favoreciendo la infiltraci n y el almacenamiento, mantener y potenciar la red de drenaje

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    natural mediante la conservacin de cauces y humedales, minimizar la contaminacin del escurrimiento superficial y favorecer la captura y almacenamiento para disminuir el impacto sobre los medios acuticos receptores. Este enfoque tambin considera la construccin de obras del tipo de las desarrolladas para las TGEU, pero mucho ms pequeas y distribuidas en los barrios. Conservacin y mejoramiento de la red de drenaje Uno de los aspectos clave de las urbanizaciones de bajo impacto es conservar el sistema natural de drenaje de la cuenca, acondicionado a la nueva actividad urbana. Esto se logra incorporando los cauces naturales armnicamente a la urbanizacin, de manera que no slo cumpla con su funcin habitual de drenaje y almacenamiento temporal de las aguas lluvias, si no que tambin tenga funcionalidad como infraestructura de uso pblico. Por ejemplo , como parque o zona de recreacin, o contribuyendo al paisaje,. Esto tiene dos consecuencias importantes. Por una parte disminuye dramticamente el costo del sistema ya que si se mantiene la red natural, no es necesario construir grandes colectores, que son los elementos ms caros del sistema de drenaje. Adems las necesarias reas verdes de toda urbanizacin tienen su lugar predilecto en el sistema de drenaje y los humedales, ya que en ellos es donde mejor se desarrolla la vegetacin nativa, presentan continuidad y son los lugares ms difciles de urbanizar. A lo anterior hay que agregar que los colectores abiertos, cauces naturales y canales urbanos, son muy eficientes y verstiles para conducir grandes caudales, al contrario de lo que ocurre con los colectores cerrados que tienen una capacidad fija y deben ser diseados para las condiciones de crecidas extremas, que significa un gran tamao para una obra de uso espordico. De acuerdo a la experiencia de ciudades que han logrado un desarrollo con alta calidad de vida, los cauces de la red de drenaje y los humedales son zonas de conservacin primaria que la urbanizacin debe respetar. Adems se establecen reas de conservacin secundaria formadas por bosques, zonas de vegetacin densa o terrenos de buena infiltracin, las que se urbanizan con especial cuidado para respetar su aporte ecolgico y ambiental. Las zonas de conservacin condicionan la configuracin en planta de la urbanizacin, las cuales pueden constituir reas verdes continuas de gran valor para la comunidad (Arendt, 1996). Las quebradas naturales se pueden incorporar a las urbanizacin como parques-cauce o parques- inundables. Es decir corresponden a reas verdes multifuncionales; sin lluvias son una zona de esparcimiento y recreacin con importantes beneficios sociales y con aportes al paisaje del vecindario, mientras que durante las tormentas corresponde a un cauce urbano de drenaje. Hunter, 1994, hace notar que ms del 95% de los colectores principales de la red de drenaje de aguas lluvias de Denver, EE.UU, est formada por cauces naturales o canales abiertos especialmente diseados para esos efectos. En este esquema una solucin tpica son los parques inundables, los que se compone n comnmente de dos partes: un canal de flujos bajos y una zona de inundacin. Este diseo est especialmente orientado al drenaje de aguas lluvias, que presenta una gran variacin de caudales y un funcionamiento intermitente. El canal de flujos bajos tiene como objeto conducir los caudales producidos por las lluvias frecuentes. Este canal es pequeo y necesita proteccin para evitar la erosin, ya sea de hormign, mampostera o enrocado. El rea de inundacin tiene por objeto controlar las grandes crecidas, pero adems durante los

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    das sin lluvia debe ser un rea verde y de recreacin til y amigable (MINVU-PUC, 1996). Estos cauces presentan un diseo especialmente cuidado para incorporarse a la ciudad, y estn muy lejos de ser los tpicos canales de riego (Figura 3). La Ordenanza de Urbanismo y Construccio nes en Chile (MINVU, 1994), en su artculo 2.1.17, propone un tratamiento de los cauces naturales en las urbanizaciones que desincentiva su incorporacin a la red de drenaje. En efecto, establece como zonas no edificables aquellas con riesgo de inundacin como los cauces naturales. Sin embargo, posteriormente establece que En los casos en que la restriccin para edificar se deba a razones de seguridad contra desastre naturales u otros motivos subsanables mediante la incorporacin de obras de ingenieraun proyecto determinado podr ser autorizado si cumple los requisitos.... En este contexto los cauces urbanos son slo considerados como fuentes de riesgo de inundacin, y no como activos de una red eficaz de drenaje. El costo en terreno parece exagerado e independiente de los riesgos, lo que conduce a que los pequeos cauces sean borrados y su superficie urbanizada olvidando los aportes que puede hacer al sistema de drenaje. Para evitar condiciones de riesgo bastara con evitar que se urbanicen los cauces al interior de los lmites de la crecida centenaria, o incluso milenaria, permitiendo que ellos se empleen como colectores abiertos de aguas lluvias y considerando esas superficies como aportes a las reas verdes. El diseo de estos cauces como parte de la red de drenaje de la zona urbanizada requiere especial cuidado para evitar la erosin, conducir los caudales de la zona urbanizada y disminuir los riesgos a la poblacin, transformndose entonces en un aporte de inters al sector. Minimizacin de la escorrenta urbana Si se tiene conciencia que la urbanizacin es responsable de aumentar la escorrenta urbana, un aspecto esencial para lograr una urbanizacin de bajo impacto es minimizar los elementos que incrementan la escorrenta. Ello conduce a minimizar las superficies impermeables, desconectar las reas de las vas de drenaje y aprovechar las reas verdes para generar zonas de retencin. Al facilitar la infiltracin y retencin de las aguas lluvias, se logra adems remover algunos contaminantes, mejorando la calidad del escurrimiento. La idea es intentar mantener la respuesta de la cuenca en sus condiciones naturales o previas a la urbanizacin. La reduccin de reas impermeables se puede realizar en varios niveles. En la etapa de planificacin se puede optimizar el sistema de transporte, tamao de sitios habitacionales, disposic in de veredas u otros factores de modo de proveer de mayores reas naturales y permeables sin perder por ello servicialidad. Por ejemplo, replantendose el diseo de la infraestructura vial, optimizando su topologa, ancho de calles, veredas y otros, se logra disminuir hasta en un 25% la superficie vial, reduciendo por lo tanto significativamente la impermeabilidad de una urbanizacin (Prince Georges County, Maryland, 1999). Otro punto importante es que muchas veces la impermeabilizacin est asociada a la necesidad de disponer de una superficie pavimentada, y es ms bien una consecuencia que una necesidad. El uso de tecnologa adecuada puede permitir la instalacin de pavimentos permeables en vez de los tradicionales (Figura 4). Esta solucin tiene la gran ventaja que no requiere construir una obra especial para reducir la escorrenta, si no que basta con cambiar el tipo de elementos utilizados. Los pavimentos permeables, adems de brindar el mismo

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    servicio que los pavimentos tradiciones en una gran variedad de aplicaciones, contribuyen a reducir el rea efectivamente impermeable de la urbanizacin (Fernandez et al., 2003).

    El uso inteligente de las reas verdes puede significar una gran contribucin al drenaje. Las urbanizaciones deben considerar una fraccin de su rea total para proveer de reas verdes a la comunidad. Los urbanizadores tienen mltiples opciones para cumplir con esta necesidad, y muchas veces se observan soluciones descuidadas que utilizan los terrenos de menor valor, lo cual hace que no sean un aporte al vecindario , ya sea por las dimensiones, ubicacin o relieve. En el concepto de bajo impacto, estas reas tienen beneficios adicionales si se considera el uso hidrolgico para la infiltracin y la retencin temporal de aguas lluvias, el que se manifiesta en la reduccin de los costos de la red de drenaje. Para ello deben ubicarse estratgicamente considerando el drenaje de la urbanizacin, con el objetivo de recibir el escurrimiento de pequeas zonas impermeables ubicadas aguas arriba. De esta forma contribuyen a la desconexin de reas impermeables, consiguiendo una reduccin de la impermeabilidad efectiva de la cuenca. La colaboracin de las reas verdes en el drenaje puede resultar en una disminucin del costo de inversin y mantencin de ambos sistemas con beneficios adicionales para al comunidad (BASMAA, 1997). Existen muchas soluciones de este tipo para una urbanizacin. A nivel de los sitios habitacionales se pueden utilizar jardines especialmente diseados para recibir las lluvias desde el techo y con esto evitar su aporte. En las calles se puede disear una zona de infiltracin lateral, a menor nivel, para recibir el escurrimiento que proviene de ella. Los bandejones centrales y las zonas laterales pueden permitir el diseo de cunetas fuera de la calzada, facilitando la infiltracin, retencin y conduccin lenta de las aguas lluvias (Figura 5). Para un barrio, se pueden disear zonas de almacenamiento que permita reducir el caudal, las que se conciben como reas verdes de recreacin en los das sin lluvia, pero cuando llueve son obras de infiltracin y almacenamiento que permiten minimizar el impacto de la urbanizacin (Figuras 6 y 7). Captura y tratamiento local de la contaminacin

    La escorrenta urbana es una de las principales fuentes de contaminacin difusa de los recursos hdricos (U.S.EPA, 1990). En las ciudades las aguas lluvias se contaminan al lavar la atmsfera, escurrir sobre superficies impermeables, arrastrar basuras o erosionar los suelos desnudos. Las actividades urbanas agregan contaminantes como residuos del transporte, y aumentan la concentracin de otros. Adems el incremento de los caudales y las velocidades de escurrimiento hace que los volmenes aportados de material sean significativamente mayores. La contaminacin de las aguas lluvias no parece relevante si persisten otros problemas como las descargas de aguas servidas y de los residuos industriales lquidos. Sin embargo cuando estos son tratados adecuadamente, queda en evidencia el impacto que tienen sobre los recursos hdricos la contaminacin urbana de aguas lluvias. El tratamiento de las aguas lluvias es econmicamente inabordable si se pretende hacer en las descargas, debido fundamentalmente a que son espordicos y de gran variabilidad, con caudales instantneos muy elevados. Por ejemplo en Santiago la descarga de aguas servidas de la cuenca drenada por el Zanjn de la Aguada alcanza caudales de 12

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    m3/s en promedio, pudiendo variar entre 8 y 18. Mientras las descargas de aguas lluvias de esa misma cuenca pueden llegar a 300 m3/s y ser nulos la mayor parte del ao. Para abordar este problema se han desarrollado las tcnicas conocidas como BMP consistentes en capturar y tratar en el lugar de origen las aguas lluvias urbanas. Debido a que la mayor parte de la contaminacin de estas aguas se concentra en la primera parte de la lluvia, en lo que se conoce como el lavado inicial, o first flush, se ha encontrado que un volumen modesto logra hacerse cargo de la mayor parte del escurrimiento y de la carga contaminante. En el caso de Santiago estos valores son del orden de 15 a 20 mm sobre la superficie impermeable de la urbanizacin (Montt et al., 2003a, 2003b). La captura y retencin de este volumen permite eliminar gran parte de los contaminantes por decantacin, filtracin o biorremediacin en elementos de infiltracin, estanques o lagunas de retencin que ocupan pequeos espacios en las reas verdes, especialmente diseadas para ello (Figuras 7 y 8).

    Conclusiones y recomendaciones

    Es importante reconocer que los problemas de las aguas lluvias urbanas se deben a un proceso de urbanizacin descuidado, que genera importantes daos hacia agua abajo, y cuya resolucin requiere inversiones considerables, las que muchas veces agravan los problemas. Una solucin global debiera tender a evitar que estos problemas se generen, lo que se logra con la aplicacin de nuevas ideas desarrolladas a partir de las consecuencias de los grandes procesos de urbanizacin del siglo XX. Estas apuntan a minimizar la generacin de escorrenta urbana facilitando la infiltracin y almacenamiento local de las aguas lluvias, capturar y tratar localmente una cantidad importante de las aguas generadas, de ma nera de evitar la contaminacin, respetar la red de drenaje natural y utilizarla como un aporte a la comunidad en conjunto con las reas verdes. Todo ello se resume en la aplicacin de conceptos conocidos como urbanizaciones de bajo impacto, cuya materializacin exige que estos conceptos participen en el diseo y planificacin de las urbanizaciones (Figura 9). Con ello se logra minimizar los problemas de las aguas lluvias, tanto de cantidad como de calidad, y evitar la obsolescencia de las soluciones con urbanizaciones que contribuyen de manera creativa a mejorar la calidad de vida de los ciudadanos, generando menos problemas y maximizando los beneficios.

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    Figura 1. Cambio en el ciclo del agua producto del proceso de urbanizacin. Mientras que en una situacin pre-urbana escurre el 10% de la lluvia que cae, en un entorno plenamente urbanizado escurre el 55%.

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    Figura 2. Nmero de veces que se amplifican las descargas mximas de aguas lluvias de una cuenca urbana, producto de, por una parte, la impermeabilizacin de la superficie y por otra, la instalacin de colectores que aceleran y concentran el flujo, (Leopold, 1960).

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    Figura 3. Seccin transversal esquemtica de un cauce urbano de aguas lluvias, o parque-inundable. Se compone de un canal de flujos bajos revestido para conducir la escorrenta de las lluvias normales y una zona de inundacin que se hace cargo de los eventos extraordinarios.

    Figura 4. Hormign permeable desarrollado en la Universidad Catlica de Chile. Tiene una capacidad de infiltracin mejor que la de la arena.

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    Figura 5. Esquema de bandejn central que se hace cargo de las aguas lluvias de la calle colindante. Esta bajo la cota de la calle y tiene un pequeo canal con piedras para los escurrimientos de aguas lluvias usuales.

    Figura 6. Espacios pblicos destinados al drenaje de aguas lluvias til como espacio de recreacin durante los das sin lluvia. En la fotografa aparece un disipador de energa de un canal urbano en Denver, EEUU, en un da sin lluvia y funcionando durante una gran crecida.

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    Figura 7. Estanque de almacenamiento de aguas lluvias, destinado a la amortiguacin de las crecidas urbanas. Estas obras tambin pueden ser tiles como espacio pblicos, reas verdes o zonas de recreacin..

    Figura 8. Pequeo estanque de almacenamiento y pretratamiento de aguas lluvias, conectado a colectores subterrneos. La funcin de esta obra es almacenar temporalmente las aguas lluvias, de modo de amortiguar las crecidas urbanas, y tambin mejorar la calidad de las aguas lluvias.

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    Figura 9. Urbanizaciones de Bajo Impacto Hidrolgico y Ambiental. Mantencin de cauces y vas de drenaje naturales. Corredores continuos de reas verdes. Priorizacin de lugares con gran vegetacin y alta permeabilidad para la ubicacin de las reas verdes. Minimizacin de superficies de calles y veredas y reas impermeables en general. Sitios ms pequeos pero mayor superficie de parques y espacios pblicos .