Resumen:
El siguiente artículo de investigación trata sobre el uso de techos verdes como almacenadores de agua de lluvia en su matriz de suelo. La metodología es analítica basada en modelos matemáticos, en donde se compara la escorrentía producida en un urbanismo con condiciones actuales de techos ordinarios con materiales cerámicos o bituminosos como escenario original, contra otro donde se usan techos verdes. La zona de estudio se ubica en el municipio Palavecino del estado Lara en Venezuela, en la zona de inundación de la Quebrada Tabure. En esta investigación se empleó la comparación cuantitativa de los hidrogramas de escorrentía directa de los escenarios planteados, obteniendo como resultado principal, la reducción de la escorrentía. Un punto interesante de esta investigación fue la incorporación del tránsito de hidrogramas en los techos, reduciendo aún más el caudal pico y el tiempo al pico de los hidrogramas generados.
Palabras clave:Techos verdesTechos verdes,escorrentíaescorrentía,hidrogramashidrogramas,caudal picocaudal pico,almacenamiento de agua de lluviaalmacenamiento de agua de lluvia,tránsito de hidrogramastránsito de hidrogramas.
Abstract:
This article discusses the use of green roofs as rainfall water storage in its soil matrix. The methodology is analytical based on mathematical models, where runoff produced in an urban area is compared with current conditions of ordinary roofs with ceramic or bituminous materials as the original scenario, against another where green roofs are used. The study area is located in the Palavecino municipality of Lara state in Venezuela, in the flood zone of Quebrada Tabure. In this research, a quantitative comparison of the direct runoff hydrographs of the proposed scenarios was used, obtaining as a main result the reduction of runoff between 60% and 80% according to the period of return. An interesting point of this research was the incorporation of the routing of hydrographs on the roofs, reducing even more the peak flow over 90 %, and delaying the peak time of the generated hydrographs between 10 and 12 minutes while the total duration of the hydrographs increase more than three times.
Keywords: Green roofs, runoff, hydrographs, peak flow, rainwater storage, routing hydrographs.
Carátula del artículo
ALMACENAMIENTO DE AGUA DE LLUVIA EN MEDIOS URBANOS UTILIZANDO TECHOS VERDES
RAINWATER STORAGE IN URBAN ENVIRONMENTS USING GREEN ROOFS
Nelson Andrés López Machado nalopez4@uc.cl
Pontificia Universidad Católica de Chile, Chile
Christian Gonzalo Domínguez Gonzalez
Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador
Wilmer Barreto
Universidad Católica de Temuco, Chile
Néstor Méndez
Universidad Centroccidental Lisandro Alvarado, Venezuela
Leonardo José López Machado
Pontificia Universidad Católica de Chile, Ecuador
María Gabriela Soria Pugo
Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador
Ronnie Lizano
Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador
Vanessa Montesinos
Universidad Centroccidental Lisandro Alvarado, Venezuela
La Granja. Revista de Ciencias de la Vida, vol. 32, núm. 2, pp. 54-71, 2020
Universidad Politécnica Salesiana
Recepción: 09 Julio 2019
Aprobación: 04 Mayo 2020
Publicación: 01 Septiembre 2020
Forma sugerida de citar:
López, N., Domínguez, C., Barreto, W., Méndez, N., López, L., Soria, M., Lizano, R. y Montesinos, V. (2020). Almacenamiento de agua de lluvia en medios urbanos utilizando techos verdes. La Granja: Revista de Ciencias de la Vida. Vol. 32(2):54-71. http://doi.org/10.17163/lgr.n32.2020.05
1 Introducción
El urbanismo tiene un impacto en el cambio de uso del suelo y en la hidrología local, acompañado de otros efectos negativos. El crecimiento continuo de las ciudades ha aumentado la proporción de áreas impermeables. La impermeabilización progresiva e incontrolada de superficies altera el ciclo hidrológico (Figura 1), disminuyendo la respuesta de una cuenca a un evento de lluvia, aumentando el volumen de agua drenada y, por lo tanto, disminuyendo la recarga a los acuíferos.
Figura 1.
Efecto de la construcción en el ciclo hidrológico.
Además, el crecimiento de ciudades sin planificación urbana puede ocasionar la alteración de los cursos naturales, generando la necesidad de construir canales artificiales que eventualmente conducen a peores problemas en términos de drenaje urbano, como inundaciones, colapso de drenajes longitudinales y transversales y retrasos durante las horas de trabajo de los habitantes, además de los problemas sociales causados por las razones antes mencionadas.
El agua tiene un ciclo que mantiene un equilibrio entre la evaporación, escorrentía, precipitación, infiltración, evapotranspiración, entre otros, que se puede traducir según (Chow et al., 1994) como se muestra en la Ecuación 1. Donde P es el total de la densidad de la precipitación, Pe es la densidad de la precipitación que causa la escorrentía, Iaes la abstracción inicial, Faes la cantidad deagua retenida en la cuenca y E es la evaporación relacionada con la vegetación o las propiedades de la cuenca.
En estos procesos, los canales naturales toman ciertas dimensiones para hacer transitar la escorrentía generada, un proceso que es naturalmente lento dependiendo de las características de la cuenca, suelo, vegetación, entre otros. En el caso de las zonas urbanas, el proceso de infiltración se reduce, por lo que la escorrentía generada es mucho mayor y los canales naturales no son capaces de hacer circular el nuevo flujo máximo. Otro problema generado por la construcción sin reposicionamiento de zonas verdes es el efecto isla de calor urbana, que se genera en zonas que son significativamente más cálidas que las zonas rurales cercanas, ya que la producción de oxígeno disminuye y la de dióxido de carbono aumenta (Arabi et al., 2015). Además, la cerámica y los materiales bituminosos retienen mucho más calor que el suelo con vegetación, contribuyendo también a este efecto.
Según (EPA, 2018), los techos verdes se pueden definir como un techo con vegetación. Los componentes de las cubiertas verdes pueden variar, pero básicamente consisten en vegetación, sustrato de crecimiento, capa de filtro, capa de drenaje, capa de impermeabilización y barrera de raíz (Minke, 2017; Vijayaraghavan, 2016).
Según (Berardi et al., 2014; Minke, 2017), los techos verdes se pueden clasificar en dos tipos basados en el espesor del sustrato de crecimiento; (i) techos verdes extensivos que generalmente tienen un espesor de sustrato de crecimiento por debajo de 20cm, un peso máximo de 150 kg/m2 y no necesitan riego porque su vegetación es común, como musgo y hierba; y, ii) techos verdes intensivos, que tienen un espesor de sustrato de crecimiento superior a 20cm generando un peso total superior a 300 kg/m2 y necesitan drenaje y riego debido a la vegetación utilizada. Los techos verdes tienen múltiples aplicaciones, y una de ellas es retener y almacenar el agua de lluvia, disminuyendo la escorrentía, y por lo tanto el impacto del efecto isla de calor (EPA, 2018), y la deforestación en entornos urbanos, disminuyendo el impacto negativo en la fauna local. Otro beneficio es que los techos verdes podrían ser una solución como alternativa para recuperar los espacios verdes en zonas urbanizadas (Berardi et al., 2014). Según (BCIT, 2018; Minke, 2017; Berardi, et al., 2014; Technology, 2018) los techos verdes tienen muchos beneficios, como por ejemplo ampliar la vida útil del techo hasta por 60 años; recuperar los espacios muertos y transformarlos en espacios de jardín; reducir la escorrentía de aguas pluviales y el efecto "isla de calor" (EPA, 2018); disminuir el smog, el ruido, la demanda de energía y el impacto del monóxido de carbono y mejorar la calidad del aire; evitar el desbordamiento combinado del alcantarillado; eliminar la contaminación por nitrógeno de la lluvia; neutralizar el efecto de lluvia ácida; restaurar el hábitat de la vida silvestre; mejorar la calidad del aire urbano, entre otros.
Los techos verdes son una parte importante en los Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS), que tratan de recuperar el ciclo natural del agua en la ciudad. Los SUDS se encuentran dentro de las estrategias utilizadas para mejorar el funcionamiento y la sostenibilidad del desarrollo urbano de las ciudades. Los techos verdes desempeñan un buen papel en las aplicaciones SUDS debido a su capacidad para disminuir la generación de escorrentía de aguas pluviales en términos de reducción de escorrentía, tiempo pico y retraso en el tiempo de concentración (Fioretti et al., 2010). El comportamiento del hidrógrafo se modifica significativamente cuando el flujo máximo se reduce sólo por el cambio en el uso del techo (de techo convencional al verde), y es aún más notable cuando se hace un tránsito para cada techo utilizando estructuras similares a vertederos adicionales a los techos verdes.
El acceso a los espacios verdes en América Latina es muy limitado, especialmente en las zonas periféricas debido a la idea de planificación que está al servicio de zonas con poder socioeconómico (Escobedo et al., 2006; Reyes & Figueroa, 2010); Romero & Vásquez, 2005; Vásquez & Romero, 2008), en este contexto es necesario luchar por la justicia ambiental y espacial que permita a todos los ciudadanos reclamar un acceso urbano verde. Actualmente, la recomendación de la OMS es contar con 9 m2/persona de espacio verde en una ciudad; sin embargo, hay muchas áreas con menos de 1 m2/persona. Este análisis lleva a asumir que la construcción espacial ha sido diseñada con la intención de excluir muchas zonas, y las estrategias de justicia ambiental y espacial pueden ayudar a recuperar los espacios urbanos para la silvicultura urbana y periurbana, que se pueden complementar con los techos verdes. Todos estos esfuerzos pueden mejorar a los ecosistemas urbanos y a la calidad de vida de las personas. Los techos verdes son una de las mejores herramientas para la gestión de aguas pluviales en las zonas urbanas al disminuir las posibilidades de inundación repentina, además, la vegetación en la parte superior de los tejados aumenta la evapotranspiración. Las plantas en crecimiento absorben una cantidad de agua de lluvia, disminuyendo el flujo máximo, la hora pico y la escorrentía. El techo verde tiene la capacidad de capturar las peligrosas partículas de polvo fino del aire que podrían ayudar a mejorar la comodidad de la población en áreas urbanas muy concurridas (Shafique et al., 2018).
Los techos verdes ayudan a reducir la contaminación del aire de dos maneras diferentes. En primer lugar, capturan las partículas finas del polvo o los llamados contaminantes del aire a través de las estomas. En segundo lugar, los techos verdes disminuyen la temperatura superficial que ayuda a la quema de fósiles para satisfacer los requisitos energéticos (Yang et al., 2008). Según (Huang, 1994), 1000 m2 de techos verdes son capaces de eliminar desde 160 kg a 220 kg al año de polvo, lo que resulta en la mejora del medio ambiente. Se eliminaron un total de 1675 kg de contaminantes del aire en sólo un año en 19,8 hectáreas de cubiertas verdes con un O3, que representa el 52% del total, el 27% del NO2, el 14% de PM10 y el 7% del SO2. El nivel más alto de reducción de la contaminación atmosférica se produjo en mayo y la cantidad más baja en febrero. La reducción anual por hectárea de techo verde fue de unos 85 kg/ha/año según (Yang et al., 2008). El autor mencionó que los techos verdes podrían servir como estrategias complementarias en el urbanismo, siendo la estrategia principal la silvicultura y la posibilidad de crear lugares públicos, tales como parques. Además, (Connelly & Hodgson, 2013) demostraron que los techos verdes son capaces de reducir la frecuencia de ruido en 10 y 20 dB, y también tienen la capacidad de absorber las ondas sonoras y reducir el nivel de sonido en comparación con los techos regulares.
Los techos verdes y las paredes verdes no son las únicas técnicas para la reconciliación con la ecología urbana, también lo son los jardines privados, los parques públicos y la plantación de árboles urbanos (Francis & Lorimer, 2011). Según (MacIvor & Lundholm, 2011), se recolectaron una variedad de especies de insectos comunes y poco comunes de algunos techos verdes, apoyando la idea de que estos hábitats ayudan a mantener y restaurar la biodiversidad en las ciudades.
2. Bases teóricas
El objetivo principal es determinar el almacenamiento de agua de lluvia en techos verdes utilizando hidrógrafos, por lo tanto, es necesario un método correcto para calcular la escorrentía y lograr el objetivo. Existen varios métodos para determinar los flujos máximos dependiendo de la zona de la cuenca y de los datos disponibles, como el método racional o el método de hidrografía unitaria sin dimensiones (Chow et al., 1994). El método racional se recomienda para las cuencas cuyas áreas son inferiores a 200 hectáreas, y sus resultados se limitan al valor de flujo máximo, por lo tanto, no es posible obtener la variación de la escorrentía a través del tiempo. El método de hidrógrafo unitario sin dimensiones permite determinar con un hidrógrafo el comportamiento de la descarga a través del tiempo. Aunque, el método racional podría aplicarse en esta investigación (la superficie del techo es inferior a 200 hectáreas) se utilizó la hidrografía unitaria sin dimensiones para estimar el volumen real de agua de lluvia. En este método, los hidrográficos se calculan sobre la base de un hidrógrafo unitario sin dimensiones que se obtiene a partir de la observación de hidrógrafos reales. Se necesitan la estimación de la precipitación y la infiltración para determinar el hidrógrafo de una cuenca y los eventos de precipitación máxima (que causan inundaciones. De igual forma, se pueden utilizar varios métodos para estimar la infiltración como Horton, Green-Ampt, y el número de curva propuesto por el Servicio de Conservación del Suelo de los Estados Unidos de América (SCS) (Viola et al., 2017).
2.1 Densidad total de la precipitación
Generalmente, la precipitación no tiene una intensidad o comportamiento lineal a lo largo del tiempo, sino que es variado. La precipitación se puede expresar a lo largo del tiempo con un hietograma de precipitación, que distribuye la densidad total del agua de lluvia en varios intervalos de tiempo con una distribución constante o variable. El Servicio de Conservación del Suelo (SCS) propone un método para determinar el hietograma de precipitación, utilizando el hietograma sin dimensiones (Chow et al., 1994). El hietograma de precipitación necesita estimar la densidad total de lluvia que produce escorrentía, y para ello es necesario construir las curvas de intensidad-duración-frecuencia (IDF). De acuerdo con el tiempo de concentración de la cuenca (tiempo en el que una gota de agua toma para recorrer la distancia desde el punto más lejano de una cuenca hasta su producción) y la intensidad de lluvia dado un cierto período de retorno, la densidad total del agua de lluvia podría determinarse usando la Ecuación 2.
Donde I es la intensidad de la lluvia (mm/h). P es la densidad de la lluvia (mm). T es la duración de la lluvia (hora). La intensidad se estima con las curvas IDF, que normalmente son conocidas según la región de estudio. El tiempo de concentración se puedecalcular utilizando la ecuación de Kirpich (Ecuación 3). Con Tc es el tiempo de concentración de la cuenca (minutos). L es la longitud del canal (ft, m).S es la pendiente media del canal ( f t/ f t, m/m).
2.2 Distribución de la densidad total de la precipitación
Para distribuir la densidad total de las precipitaciones, se utilizó el método de bloque alterno (Chow et al., 1994). En este método, el tiempo de concentración se divide en sub-intervalos ( y la intensidad acumulada de la precipitación se calcula utilizando una curva IDF para un período seleccionado de retorno. Para cada sub-intervalo de tiempo, se calcula la intensidad parcial de la lluvia y se determina la densidad de la precipitación (P) utilizando la Ecuación 1. Se necesita reorganizar a , con el fin de trazar en un gráfico ( en el eje vertical vs en el eje horizontal), el valor más alto de en el centro del eje horizontal, y luego el segundo valor más alto de justo en el lado derecho del valor más alto de , y el tercer valor más alto de a la izquierda del valor más alto de , y así sucesivamente (Figura 2).
Figura 2.
Hietograma de precipitación.
2.3 Infiltración
La infiltración se calculó utilizando el método de número de curva (Chow et al., 1994), dependiendo del tipo de suelo, las abstracciones iniciales y la humedad antecedente. La infiltración se puede calcular utilizando la Ecuación 4 (Chow et al., 1994) con CN el número de curva según NRCS (1973). En esta investigación, se utilizó CN II debido a la zona de estudio que presenta precipitaciones regulares a lo largo del año. S es la capacidad total de retención de agua del suelo (mm). La infiltración en los techos verdes depende del espesor de la matriz del suelo (Sims y col., 2016; Liuy col., 2019).
2.4 Estimación de escorrentía del hidrógrafo
La densidad parcial de la escorrentía se calcula utilizando la Ecuación 5, que representa la porción de agua de lluvia que el suelo no puede absorber. Donde S es la capacidad total de retención del agua del suelo (mm). P es la escorrentía del agua de lluvia (mm). Q es la porción del agua de lluvia que el suelo no puede absorber (mm). Si la expresión P _ 0;2 * S es menor a cero, entonces no hay escorrentía, porque la infiltración es mayor que el agua de lluvia en mm. La constante sin dimensiones 0,2 se conoce como la abstracción inicial, y representa la porción estimada del suelo que retiene efectivamente el agua. Una vez calculado el valor de Q para cada valor de P, se puede obtener el hidrógrafo para la cuenca de estudio aplicando el hidrógrafo unitario,en la que el eje vertical representa la escorrentía sin dimensiones y el eje horizontal representa el tiempo sin dimensiones para la escorrentía.
Para construir el hidrógrafo, el hidrógrafo unitario debe verse afectado por el tiempo de concentración y el espesor total de la escorrentía. Para transformar el hidrógrafo unitario en el hidrógrafo real, el flujo máximo para cada espesor de escorrentía debe calcularse utilizando la Ecuación 6. Donde qp es el flujo máximo (m3/s), Aes el área de la cuenca (km2), Q es la densidad de la lluvia (mm) y Tp es el tiempo pico estimado en 60% del tiempo de concentración.
El tiempo de concentración es el tiempo en donde las precipitaciones alcanzan el punto de estudio (Chow et al., 1994). Para el drenaje urbano y las cuencas pequeñas, la Ecuación 3 ofrece tiempos de concentración cortos. Sin embargo, se sabe que la escorrentía comienza después de que la superficie está saturada, lo que podría tardar varios minutos e incluso más que el tiempo de concentración calculado. Además, la relación entre la intensidad de las precipitaciones y la duración se evalúa teniendo en cuenta el tiempo de concentración de la superficie de drenaje. Tal relación muestra que la intensidad de la lluvia tiende a ir hacia el infinito con una duración de lluvia corta; por lo tanto, el diseño con estas intensidades podría ser poco realista. Para evitar estos problemas, se ha considerado un tiempo de concentración de 10 minutos si el valor obtenido por la Ecuación 3 es demasiado corto. Esta se utiliza comúnmente en manuales de drenaje (Ramke, 2018, TxDOT, 2019) para pequeñas cuencas y áreas urbanas.
2.5 Hidrógrafos de enrutamiento
Los hidrógrafos de enrutamiento se utilizan para simular correctamente la capacidad de almacenamiento de agua del techo verde y su efecto en la generación de escorrentía. Con el fin de disminuir la magnitud del flujo máximo y extender la duración de los hidrógrafos, se debe aplicar un enrutamiento de los mismos. El tránsito de hidrógrafos es un procedimiento que permite calcular un hidrógrafo atenuado de salida con un hidrógrafo de entrada. Cuando se utiliza un hidrógrafo de enrutamiento, el tiempo de flujo máximo se retrasa y se reduce su valor. En algunos casos, si el hidrógrafo de entrada se enruta con posibilidad de almacenamiento, el hidrógrafo de salida tendría un volumen menor que el hidrógrafo de entrada.
El método más común para enrutar un hidrográfico es el método Runge-Kutta de 3er orden (Chow et al., 1994), basado en la ecuación de continuidad que se muestra en la Ecuación 7 (Fenton, 2009). Donde dS es el volumen de agua almacenado.It es el flujo de entrada durante un instante de tiempo, QH es el flujo de salida durante un instante de tiempo en una altura de la reserva (en este caso, los vertederos en los techos verdes). El término dS podría expresarse como el cambio de volumen debido al aumento en la reserva, como se muestra en la Ecuación 8.
Donde A(H) es el área de la elevación H, por lo tanto, la Ecuación 6 podría reescribirse como se muestra en la ecuación 9.
La solución para la Ecuación 8 consiste en la subdivisión de la pendiente 
por tres (3) incrementos para transformar la ecuación diferencial en 
, donde 
se calcula como se muestra en la Ecuación 10.
Donde 
y se calculan siguiendo las ecuaciones de la 11 a la 13.
Los valores de Q(H) se obtienen mediante la construcción de la curva de "altura-superficie-capacidad", en la que la altura total de la reserva (la matriz del suelo en este caso) se subdivide en intervalos, y el volumen para cada intervalo se calcula utilizando la Ecuación 14. Los valores de Q(H) se obtienen mediante una interpolación, una vez calculada la altura respectiva para un valor del flujo de entrada (Chow et al., 1994).
3. Metodología
La metodología aplicada para calcular la estimación del almacenamiento de agua de lluvia utilizando techos verdes fue la comparación directa entre la escorrentía producida por un techo ordinario y la escorrentía producida por un techo verde.
Se obtuvo la información necesaria para generar los hidrógrafos utilizando un software de licencia gratuita, Quantum Gis (QGIS, 2014), con el fin de crear un mosaico para cubrir el área cerca de la "Quebrada Tabure" en el municipio de Palavecino del estado Lara, Venezuela, utilizando fotografías (archivos de extensión .img) y líneas de contorno como se muestra en la Figura 3. La distribución del techo en cada casa se simplificó en dos secciones con sus respectivas pendientes, por lo que se utilizaron dos polígonos para simular cada superficie del techo. Se calcularon las curvas IDF utilizando datos de precipitación máxima de las estaciones de precipitación más cercanas a la región de estudio, y aplicando una distribución extrema de tipo I, las curvas IDF se muestran en la Figura 4.
Figura 4.
Curvas IDF para la estación "Manzano-Planta" y "Bqto-Oficina". basados en (López et al., 2014).
Para cada techo, se calcularon hidrógrafos aplicando la metodología explicada en el punto 2, utilizando un número de curva de 98 y 86, para un techo convencional con materiales bituminosos y techos verdes (relacionadas con el cesped), respectivamente. Las entradas de agua de lluvia se estimaron utilizando diferentes períodos de retorno. Una vez construido el hidrógrafo, los volúmenes de agua generados por la escorrentía se pueden estimar utilizando la Ecuación 15. Donde V, es el volumen entre un intervalo de tiempo. Qi+1 y Qi, son dos valores de flujo consecutivos según un intervalo de tiempo. 
es un intervalo de tiempo seleccionado por el usuario. Las áreas para cada techo se calcularon utilizando Qgis.
4. Resultados
En este artículo sólo se mostrarán los resultados de la cubierta con Id= 1 debido a la magnitud de los datos. Los datos completos de la hidrología se muestra en la Tabla 1 a la 5 (datos de Bqto-oficina). El hidrógrafo del techo 1 se muestra en la Figura 5.
Tabla 1.
Hidrografías del techo 1 (Tr=2,33 años).
Tabla 2.
Hidrografías del techo 1 (Tr=5 años).
Tabla 3.
Hidrografías del techo 1 (Tr=10 años).
Tabla 4.
Hidrografías del techo 1 (Tr=25 años).
Tabla 5.
Hidrografías del techo 1 (Tr=25 años).
Figura 5.
Hidrografía del techo 1 para diferentes períodos de retorno con a) y sin b) techos verdes.
Cabe destacar que existe una disminución significativa de la escorrentía al usar techos verdes, lo que se puede traducir en el almacenamiento de agua que está relacionado con el espesor del suelo de la matriz, las especies de vegetación y la porosidad del suelo. El espesor del suelo de la matriz se estimó añadiendo la tasa de infiltración del período de retorno de 50 años y asumiendo una porosidad total del 20%, y una porosidad efectiva del 10%, dando un espesor de 15 cm, pero se utilizó como 20 cm. Las Hidrografías del techo 1, con y sin techo verde para cada período de retorno se muestran desde la Figura 6 a la Figura 8.
Figura 6.
Hidrografías del techo 1 (2,33 años a 5 años Tr.
Figura 7.
Hidrografías del techo 1 año a 25 años de Tr.
Figura 8.
Información hidrológica del techo 1 por 50 años de Tr.
Se observa que hay una considerable reducción del flujo máximo, también se retrasa el tiempo pico, pero no muy significativamente como se muestra en la Tabla 6. El volumen total de agua de lluvia que podría almacenarse en los techos verdes se determina a través de la porosidad efectiva de la matriz del suelo. Suponiendo que la porosidad efectiva sea de aproximadamente el 10 %, el volumen total de almacenamiento para el techo 1 se muestra en la Tabla 7, y en la Tabla 8 en todos los techos.
Tabla 6.
Reducción del pico del flujo e incremento del tiempo de pico para el techo 1.
Según la Tabla 6, la retención potencial de agua es mayor para eventos de lluvias pequeñas que para eventos más grandes, y está relacionada con el volumen de lluvias y la capacidad de almacenamiento del techo (Burszta-Adamiak et al., 2018; Rodriguez et al., 2017).
Tabla 7.
Volumen máximo utilizable de agua en el techo verde 1.
Tabla 8.
Volumen máximo utilizable de agua en todos los techos.
La Tabla 7 y la Tabla 8 muestran el volumen máximo de agua utilizable según un 10% de porosidad efectiva, pero el volumen real infiltrado de agua se estimó utilizando la Ecuación 16. Con P la densidad total de precipitación (mm), Qi es la densidad total de infiltración (mm), Q es la densidad de la lluvia (mm) y E es la evapotranspiración de la vegetación(mm). En esta investigación, E = 0. El volumen real de almacenamiento de agua lluvia para el techo 1 se muestra en la Tabla 9.
Tabla 9.
El volumen real de infiltración para el techo 1.
El volumen mostrado en la Tabla 9 debe estar afectado por la porosidad efectiva, a fin de obtener el volumen utilizable de agua como se muestra en la Tabla 10 y en la Tabla 11.
Tabla 10.
Volumen real utilizable para el techo 1.
Tabla 11.
Volumen real utilizable para todos los techos.
De acuerdo con (WRF, 2016), la cantidad de agua necesaria en un hogar se puede observar en la Tabla 12.
Tabla 12.
Cantidad de agua necesaria en litros por hogar y por día. Fuente WRF (2016).
El agua de lluvia almacenada en los techos verdes podría ser reciclada para su uso doméstico. De hecho, el agua de lluvia no se puede utilizar para fines potables sin un tratamiento correcto, pero se puede usar para otros fines, como para para el agua del inodoro y el riego. Según (WRF, 2016), se necesitan 125 litros por hogar/día (33,1 gphd), para el uso de inodoros. Teniendo en cuenta que, en promedio, una persona utiliza 5 veces el inodoro al día, si una parte del agua de lluvia pudiera almacenarse para ser utilizada para los inodoros, el propio urbanismo (68 casas) podría suministrar la demanda de agua como se muestra en la Tabla 13.
Tabla 13.
Días de suministro para los aseos (68 viviendas).
Además, se podría obtener una significativa reducción del flujo máximo si se utilizan estructuras como los vertederos rectangulares en techos, como se muestra en la Figura 9.
Figura 9.
Vertederos rectangulares en los techos verdes.
En las Figuras 10, 11 y 12 se puede observar el hidrógrafo de salida del techo 1 al aplicar el enrutamiento de los hidrógrafos, utilizando 2 vertederos de 10 cm de longitud y 10 cm de altura para cada período de retorno.
Figura 10.
Hidrógrafos del techo 1 durante 2,33 años y 5 años de Tr.
Figura 11.
Hidrógrafos del techo 1 durante 10 años y 25 años de Tr.
Figura 12.
Hidrógrafos del techo 1 durante 50 años de Tr.
Los techos verdes son un buen reductor del flujo máximo, pero al combinarlos con los vertederos, la reducción del caudal máximo es aún mejor, aunque el volumen producido es el mismo, es decir, no hay almacenamiento adicional de agua para el uso de vertederos. Finalmente, el flujo máximo total para cada período de retorno se muestra en la Tabla 14 y en la Tabla 15.
Tabla 14.
Flujo máximo para cada escenario (techo 1).
Tabla 15.
Flujo máximo para cada escenario (todos los techos).
Según la Tabla 14, la reducción del flujo máximo es superior al 96%, suponiendo a CN II y una primera lluvia, pero estos resultados podrían verse afectados por los continuos eventos de lluvia. Otra ventaja de utilizar los techos verdes y su enrutamiento es el diseño del drenaje urbano, y según la Tabla 15, existe una reducción significativa del volumen (techo ordinario vs techo verde) y la duración del hidrografismo (techo verde vs techo verde y vertederos), lo que significa un impacto positivo en el sistema de drenaje. La disminución en el flujo máximo requerirá tuberías con diámetros más pequeños y pendientes más bajas que componen el sistema de drenaje como se muestra en la Tabla 16, y usando la ecuación de dotación, a través de la cual el diámetro de las tuberías hará fluir el flujo total del urbanismo (Ecuación 17). Con Q la descarga, S la pendiente de la tubería, A es el área del flujo, R es la relación hidráulica y n es la rugosidad de la tuberia.
Tabla 16.
Diámetro requerido para cada escenario.
Vale la pena destacar que existe una reducción significativa en los diámetros para el drenaje urbano (Luca et al., 2014; Pradhan et al., 2019), casi un 100% de la reducción. De igual forma, estos resultados son válidos en casos del primer lavado o la primera lluvia, debido a que los techos verdes saturan más rápido la matriz del suelo, por lo que los resultados continuos de lluvia para el drenaje podrían verse afectados.
5. Conclusiones
Los techos verdes, además de ofrecer una buena alternativa ecológica para reponer zonas verdes en las áreas urbanas, también ofrecen una alternativa viable para la recogida y almacenamiento de agua de lluvia, que, según este estudio, puede alcanzar entre 2 y 3 días de uso para los baños en las zonas urbanas (según la intensidad de las precipitaciones), que podrían representar ahorros para la economía de los habitantes y a un nivel macro, para la economía del estado.
Además, la colocación de estructuras reguladoras del caudal, como los vertederos, ofrecen una ventaja en la producción del pico máximo de los hidrográficos de los techos y por lo tanto de la urbanización. Según los resultados del urbanismo para las primeras lluvias, el uso combinado de techo verde y vertederos ofrecen un retraso significativo en la duración total de los hidrógrafos, casi tres veces más en comparación con el techo convencional (bajo las condiciones estudiadas en esta investigación), ayudando con el drenaje urbano y reduciendo los diámetros comerciales de las tuberías casi a la mitad del tamaño.
El almacenamiento de agua para diversos usos durante la vida útil de la casa, ayuda a preservar el nivel de agua de los embalses y de los flujos ecológicos de los canales naturales y su sección transversal; el almacenamiento de agua de lluvias propuesto en esta investigación tiene un buen rendimiento no sólo para ser usado en el drenaje, sino en el hecho, pues retrasa el tiempo máximo de flujo del urbanismo y la duración total del hidrógrafo, creando una brecha entre el flujo máximo hidrográfico del urbanismo y el flujo máximo hidrográfico de los canales naturales para la descarga, disminuyendo así el riesgo de inundaciones. Se recomienda realizar un estudio sobre el retención de agua no sólo desde el techo, sino también desde el hidrógrafo con estructuras de almacenamiento para aumentar la capacidad de almacenamiento del agua de lluvia; de igual forma, llevar a cabo estudios para determinar la CN real para estas estructuras.
Referencias
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