FACULTAD DE INGENIERÍA

Maestría en Ingeniería Civil

Trabajo de Grado

Evaluación de las capacidades hidráulicas y de retención de

contaminantes de un modelo de trinchera de retención construida

con una canastilla en resinas de Polipropileno (Aquacell)

acoplada con capa filtrante en geotextil y grava utilizada como

componente del drenaje urbano.

Presentado por:

Joaquín Alberto Álvarez Delgadillo

Y

Erwin Antonio Celedón Jaramillo

Director

Andrés Torres. Ingeniero Civil. ESP., M.Sc., Ph.D.

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN __________________________________________ 1

2. ANTECEDENTES _________________________________________ 3

3. MARCO TEÓRICO ________________________________________ 12

3.1. Problemática del drenaje urbano ________________________________________ 12

3.1.1. Problemas de inundación _____________________________________________________ 12

3.1.2. Problemas de contaminación __________________________________________________ 13

3.2. SUDS _______________________________________________________________ 13

3.3. Conceptos hidrológicos e hidráulicos _____________________________________ 17

3.3.1. Método Racional ____________________________________________________________ 17

3.3.2. Curvas IDF ________________________________________________________________ 17

3.4. Herramientas ambientales ______________________________________________ 19

3.5. Herramientas matemáticas y Estadísticas _________________________________ 19

3.5.1. Método de Montecarlo _______________________________________________________ 20

3.5.2. Test de Shapiro-Wilk ________________________________________________________ 20

3.5.3. T-test _____________________________________________________________________ 20

3.5.4. Box Plot ___________________________________________________________________ 21

4. MATERIALES Y MÉTODOS ________________________________ 22

4.1. Montaje experimental __________________________________________________ 22

4.2. Determinación de la intensidad característica del sitio de muestreo ____________ 24

4.3. Sitio de toma de muestras de agua _______________________________________ 26

4.4. Protocolo de campo ____________________________________________________ 27

4.5. Modelación con agua de escorrentía ______________________________________ 27

4.6. Laboratorio de calidad y protocolo _______________________________________ 28

4.6.1. Protocolo de laboratorio ______________________________________________________ 28

4.6.2. Pruebas de calidad __________________________________________________________ 29

4.7. Análisis de datos ______________________________________________________ 29

4.7.1. Herramientas para el análisis hidráulico ________________________________________ 29

4.7.2. Herramientas para el análisis de calidad ________________________________________ 30

5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ______________________________ 32

5.1. Resultados hidráulicos. _________________________________________________ 32

5.2. Resultados de calidad __________________________________________________ 36

6. CONCLUSIONES _________________________________________ 41

7. RECOMENDACIONES ____________________________________ 43

Agradecimientos. _____________________________________________ 45

8. REFERENCIAS __________________________________________ 46

9. ANEXOS ________________________________________________ 49

ANEXO A. RESULTADOS HIDRÁULICOS ______________________ 49

ANEXO B. ALGORITMOS DE CÁLCULO ________________________ 53

ANEXO C. RESULTADOS AMBIENTALES ______________________ 60

ÍNDICE DE FIGURAS ________________________________________ 83

1

1. INTRODUCCIÓN

Uno de los problemas existentes en la actualidad en las zonas urbanas es la pérdida de

superficie permeable como consecuencia de la urbanización que se realiza. Esta

urbanización conlleva a la impermeabilización de zonas extensas que anteriormente, y de

forma natural, eran capaces de regular el agua de lluvia que recibían (Rodríguez et al.,

2006). Con objeto de adaptarse a estas nuevas exigencias, se hace necesario implementar

técnicas para el manejo de la escorrentía urbana, lo cual ha llevado al interés creciente por

el uso de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS), también llamados BMP’s (Best

Management Practices) o WSUD (Water Sensitive Urban Design). Éstos comprenden un

amplio espectro de soluciones que permiten la recolección y el manejo de las aguas

pluviales dando tanta importancia a los aspectos medioambientales y paisajísticos como a

los hidrológicos e hidráulicos. Los SUDS, en lugar de centrarse en el tratamiento final de

las aguas de escorrentía, proponen un tratamiento previo buscando reducir los recursos que

se requieren para mejorar las condiciones de contaminación de estas aguas (Scholz y

Grabowiecki, 2006). Los SUDS pueden utilizarse como sistema separado para el manejo de

las aguas de escorrentía a los sistemas de drenaje convencional o en combinación con ellos

(Perales et al, 2009).

Una de las opciones de sistemas urbanos de drenaje sostenible son las trincheras de

retención. Las trincheras de retención son básicamente canales, rellenos o no con un

material capaz de retener y filtrar el agua de escorrentía. La función de las trincheras de

retención es absorber por un tiempo el agua que normalmente circularía por la vía, para

luego ser adicionada a un sistema de alcantarillado o una fuente natural (Altarejos, 2007).

El sistema de trincheras de retención es comúnmente utilizado para áreas pequeñas, de unas

10 ha. Por las características del material con los que se diseñan las trincheras de retención,

el agua de escorrentía mejora su calidad, ya que el material filtrante del sistema retiene

contaminantes y sólidos suspendidos, unos de los objetivos de las trincheras de retención

(Freni et al., 2009).

En el presente trabajo tiene como objetivo general:

Determinar la durabilidad de una trinchera de retención construida con una canastilla en

PVC (Aquacell) acoplada con capa filtrante en geotextil, y grava utilizada como

componente del drenaje urbano como objetivo general.

Adicionalmente se buscan los siguientes objetivos específicos:

Determinar concentraciones de parámetros físico-químicos del agua de escorrentía en un

tramo de vía en funcionamiento.

2

Evaluar la eficiencia hidráulica de un modelo de trinchera de retención de aguas lluvias

construidas con una canastilla en PVC (Aquacell) acoplada con capa filtrante en geotextil, y

grava que simula trincheras utilizadas como componente del drenaje urbano

Evaluar las capacidades de retención de contaminantes de un modelo de trinchera de

retención construida con una canastilla en PVC (Aquacell) acoplada con capa filtrante en

geotextil, y grava utilizada como componente del drenaje urbano.

3

2. ANTECEDENTES

A las trincheras de retención se le han realizado estudios que han generado preguntas a

resolver sobre estos dispositivos, llegando al interrogante de cuál sería el período de vida

útil de las trincheras tanto de retención como de infiltración, para establecer el

procedimiento de rehabilitación (Proton y Chocat 2007).

El comportamiento hidráulico de trincheras de retención e infiltración fue estudiado por

Proton y Chocat (2007), a partir de un montaje experimental ilustrado en la figura 1.

Esquema de los sistemas de trincheras de retención e infiltración en Figura 1.

paralelo utilizados en Proton y Chocat 2007, para modelación de años de lluvia

al paso por estos dispositivos.

En este trabajo se generó un suministro de agua de escorrentía real, capturada en una

autopista urbana y almacenada en un estanque. El agua se recirculó en el sistema hasta

producir volúmenes representativo de periodos prolongados (años) de lluvia. Este

experimento buscó monitorear el comportamiento hidráulico de las trincheras para

determinar el periodo de colmatación, relacionando con la resistencia hidráulica. En este

trabajo se monitoreó la resistencia hidráulica del sistema, lo resultados mostraron que en la

resistencia hidráulica para el año 1986 fue de 5000 s, para 1987 6500 s, para 1988 8000 s y

para 1989 7500 s, mostrando que la diferencia en los 2 últimos año fue de 500 s por lo que

concluyeron que en este periodo se presentaría la colmatación. Este resultado es importante

4

para tener evidencia experimental, de periodos de vida útil de las trincheras y así proponer

parámetros de diseño de estos dispositivos (Proton y Chocat 2007).

En un trabajo de experimentación en la ciudad de Belo Horizonte Brasil, Silva et al. (2009)

implementaron dos dispositivos para recolección de agua de escorrentía una trinchera de

retención y una trinchera de infiltración (ver figura 2).

Trincheras de retención e infiltración de izquierda y derecha Figura 2.

respectivamente, usadas para ser modeladas con agua de escorrentía (Silva et

al., 2009).

El experimento se realizó con agua de escorrentía proveniente de una vía en servicio, con

un área de drenaje de 3600 m2. En este trabajo se realizaron mediciones hidráulicas y de

calidad del agua. Los parámetros de calidad del agua que se midieron fueron: pH,

temperatura, turbidez, SST, metales (Cu, Ni, Zn, Cd, Mg). Los resultados de eficiencia de

retención de SST se presentan en la tabla 1, donde se compara, las eficiencias para

diferentes eventos de lluvia, y se relacionan características hidrológicas de cada evento

(periodo seco anterior, duración y altura total).

Reducción de SST en una trinchera de retención (Silva et al., 2009). Tabla 1.

EVENTO

CARACTERÍSTICAS DE LAS

LLUVIAS

CARACTERÍSTICAS DE CALIDAD EL

AGUA

Período seco

anterior

(días)

Duración

(min)

Altura

(mm)

SST

(Entrada)

(mg/L)

SST

(Salida)

(mg/L)

Eficiencia

31/10/2008 12.0 30 19.8 1596 308 80.70%

07/11/2008 1.5 420 18.6 616 256 58.40%

27/11/2008 8.0 240 4.2 1955 ND ND

08/12/2008 9.0 90 13.6 1660 702 57.70%

22/11/2008 3.0 30 4.8 1452 529 63.60%

01/02/2009 4.0 15 4.2 1451 183 87.00%

13/02/2009 0.5 360 62.6 1763 766 57.00%

5

En el trabajo de Silva et al. (2009), se observó una eficiencia de remoción de SST que varía

entre 57 % y 81 %. Eficiencias de retención de metales que se midieron en este trabajo, se

reportan en la tabla 2. En esta tabla se observa una reducción de contaminantes como

consecuencia del paso del agua de escorrentía por la trinchera de retención, que varía de

acuerdo a cada metal monitoreado en el trabajo.

Porcentajes de reducción de metales Silva et al., 200). (CONAMA: Órgano consultor y Tabla 2.

deliberador del Sistema Nacional del Medio Ambiente).

En este experimento se monitoreó el comportamiento hidráulico del sistema de trinchera de

retención arrojando los resultados plasmados en la tabla 3, aquí se observa reducciones que

van desde el 7 % hasta el 60 %, lo que representa variabilidades muy marcadas, esto es

debido a tasas de escurrimiento y picos de caudal (Silva et al., 2009).

Resultados hidráulicos de la trinchera de retención, comparando las diferencias de Tabla 3.

caudales pico en la entrada y a la salida del dispositivo (Silva et al., 2009).

FECHA

TRINCHERA DE INFILTRACIÓN TRINCHERA DE RETENCIÓN

CAUDAL

PICO

ENTRADA

(L/s)

CAUDAL

PICO

SALIDA

(L/s)

DISMINUCIÓN

(%)

CAUDAL

PICO

ENTRADA

(L/s)

CAUDAL

PICO

SALIDA (L/s)

DISMINUCIÓN

DE CAUDAL

PICO (%)

01/11/2008 19.4 12.5 35.6% 19.4 16.1 17.1%

07/11/2008 6.7 0 100% 5.3 4.1 21.5%

13/11/2008 6.9 0 100% 5.8 4.8 17.3%

17/11/2008 5.2 0 100% 4.6 4.3 6.8%

19/11/2008 11.6 0 100% 11.4 5.8 49.6%

28/11/2008 17.5 0 100% 18.7 7.7 58.6%

29/11/2008 25.1 0 100% 27.0 13.7 49.1%

22/12/2008 22.5 0 100% 24.4 10.5 57.2%

27/12/2008 24.0 0 100% 26.3 11.3 57.0%

03/01/2009 25.1 0 100% 27.3 12.5 54.3%

CONTAMINANTEENTRADA

(mg/L)

% DE EVENTOS

CON

CONCENTRACIÓN

DE

CONTAMINANTES

POR ENCIMA DE

LA NORMA

CANAMA 2005

(%)

SALIDA (mg/L)

% DE EVENTOS CON

CONCENTRACIÓN DE

CONTAMINANTES POR

ENCIMA DE LA NORMA

CANAMA 2005 (%)

REDUCCIÓN DE

CONTAMINANTES

REDUCCIÓN DE

SST

Cr 0.034 0% 0.029 0% 59.00% 26.50%

Cu 0.009 100% 0.069 100% 43.60% 18.80%

Pb 0.047 100% 0.017 0% 88.60% 9.40%

Zn 0.394 100% 0.025 33% 52.10% 19.90%

Ni 0.017 17% 0.015 0% 57.50% 12.20%

Cd ND ND ND ND

Mn 0.505 100% 0.304 100% 55.10% 22.70%

6

En este trabajo Silva et al. (2009), Concluyeron que la carga de contaminantes es debida

principalmente a: contaminantes asociados con materia en suspensión y metales pesados o

peligrosos presentes en el aire”, y que se ve la necesidad de realizar estudios para acumular

información que genere base de datos de donde se pueda traer tendencias en los

comportamientos de los dispositivos alternativos del drenaje urbano (Silva et al., 2009).

La técnica de trincheras de retención viene siendo aplicada en ciudades como Venecia,

donde se implementaron trincheras de retención, que filtran las aguas de escorrentía para

evitar que transporten contaminantes al subsuelo. Pruebas del sistema hasta el momento

han demostrado que estos dispositivos eliminan 49 % de los SST, 42 % de nitrógeno

amoniacal, 32 % de Zn, y 28 % de Cu. En la ciudad de Yokohama (Japón) se aplicó esta

técnica con reducción del pico de caudal del sistema de drenaje entre el 15 % y el 20 %

(Bertoni y Catalini, 2007).

En Colombia se han hecho estudios del comportamiento de las trincheras de retención para

determinar las capacidades filtrantes y de retención de contaminantes, mediante modelos

físicos en laboratorio. Santa y Quintero (2010), fabricaron un modelo físico de trinchera de

retención a escala real (ver figura 3).

Modelo de trinchera de retención (Santa y Quintero, 2010). Figura 3.

El material en el que se fabricó la trinchera de retención que se observa en la figura 3 fué

acrílico transparente, para observar mejor los niveles de agua durante el ensayo. También

se usó lámina de acero recubierta con plástico para evitar el desprendimiento de partículas

metálicas o de otra índole que pudieran afectar los resultados de calidad del agua.

7

Igualmente, dentro de la trinchera se instalaron seis guayas de acero galvanizado (acero con

un recubrimiento de zinc) para el mejoramiento de las características de resistencia del

modelo (Santa y Quintero, 2010). Para rellenar la trinchera, se usó material para drenaje en

tamaños comerciales y de diferentes rangos que caracterizaran mejor el comportamiento

hidráulico y ambiental del modelo. Para tal fin se usó material poroso clasificado en 3 tipos

con las siguientes dimensiones: material 1: 10 mm a 80 mm (3/8” a 3”), material 2: 20 mm

a 80 mm (3/4”a 3”) y material 3: 25 mm a 50 mm (1” a 2”) (Santa y Quintero, 2010).

Santa y Quintero (2010) mostraron el comportamiento que tiene el agua de escorrentía

cuando pasa por una trinchera de retención, el hidrograma mostrado en la figura 4 ilustra

las diferencias entre los hidrograma de entrada y salida, donde en efecto se observa un

caudal pico de salida muy por debajo del caudal pico de entrada. La intención de tener este

tipo de hidrogramas fue generar a partir de ellos el hidrograma de salida extrapolado a una

cuenca real a partir de una metodología basada en el principio de hidrograma unitario y

mediante superposición de hidrogramas de salida obtenidos en laboratorio.

Hidrogramas de entrada y salida resultado de modelación realizada en el Figura 4.

Laboratorio de Pruebas y Ensayos de Ingeniería Civil de la Pontifica

Universidad Javeriana (Santa y Quintero, 2010).

En este trabajo se evaluó además la eficiencia de remoción de contaminantes en el agua de

escorrentía, aunque por los materiales de fabricación del modelo se observaron eficiencias

negativas. Estos comportamientos se pueden prevenir si se construye la trinchera con

materiales que al contacto con el agua no suministren a ésta contaminantes. Lo anterior

surgió como parte de las recomendaciones propuestas por Santa y Quintero (2010) y se

tendrán en cuenta para el presente trabajo.

Con el experimento realizado por Santa y Quintero (2010), se logró la calibración del

coeficiente de rugosidad n de Manning, el parámetro K (lag time) y el coeficiente C de

escorrentía. El parámetro n se consiguió con calibraciones y comparaciones entre caudales

medidos en el experimento y calculados mediante la ecuación de Manning, utilizando

8

ecuaciones para flujo gradualmente variado mediante el método del paso directo

(Chaudhry, 2008). El coeficiente de escorrentía se consiguió con regresiones aplicando el

método racional en función de la longitud de la trinchera de retención. Para determinar el

parámetro K (lag time), se midió el tiempo de retardo entre los baricentros de los

hidrograma de entrada y de salida medido, puesto que este parámetro representa el tiempo

de almacenamiento real que puede tener el modelo y se utiliza con el fin de asociar la

duración de la lluvia a través de características generales de la cuenca como lo es su

longitud. La tabla 4 muestra los resultados de los parámetros estimados para la trinchera de

retención modelada, ofreciendo un aporte para la elección de parámetros de diseño de este

tipo de dispositivos.

Resumen de parámetros n, K y C, obtenidos por medio de regresión y/o iteraciones Tabla 4.

para cada uno de los tres tipos de material utilizados en el la trinchera de retención

modelada (Santa y Quintero, 2010).

DESCRIPCIÓN TAMAÑO

DE

MATERIAL

(mm)

TAMAÑO DE

MATERIAL (pg.)

n DE

MANNING

K (x ES LA

LONGITUD DE

LA TRINCHERA

EN METROS)

C (x ES LA

LONGITUD DE LA

TRINCHERA EN

METROS)

MATERIAL 1 10 a 80 3/8 a 3 1.96 K=(1.653)x C=(1.614)x-0.69

MATERIAL 2 20 a 80 3/4 a 3 1.32 K=(1.350)x C=(1.989)e-0.01x

MATERIAL 3 20 a 50 1 a 2 0.86 K=(1.729)x C=(0.377)e-0.01x

Las canastillas tipo Aquacell, están siendo utilizadas en la actualidad para la construcción

de estanques subterráneos de retención (ver figura 5). Por el material de fabricación de la

canastilla tipo Aquacell (resinas de polipropileno), ésta no tiene la capacidad de retener

sedimentos ni contaminantes, ya que no presenta superficies rugosas que permitan que los

contaminantes queden alojados entre los poros que poseen estas superficies.

Por su estructura de conformación la canastillas tipo Aquacell son capaces de almacenar el

95 % del volumen del volumen que ocupa una vez instalado (Ficha técnica canastillas

Aquacell 2011). Será esta propiedad la que se aprovecha para el almacenamiento

provisional del volumen de agua producido una vez se implemente este sistema en las vías

urbanas.

La aplicación de estas canastillas para sistemas de almacenamiento se implementó en el

Estadio Olímpico de Berlín (Alemania): en un área de 40000 m2, se instaló un volumen de

almacenamiento de 2500 m3 para la reutilización e infiltración de las aguas lluvia.

Actualmente se utiliza para la irrigación del campo de fútbol y de las zonas verdes (ver

figura 5).

9

En Frankfurter Waldstadium, Alemania, se usaron canastillas para almacenar la totalidad

del agua lluvia que se drenaba en la zona alrededor del estadio. Para ello se utilizaron 9000

unidades de canastillas para generar un volumen de 1712 m3 como se observa en la figura

6.

Implementación de canastilla tipo AQUACELL como estanques para agua Figura 5.

de escorrentía. Tomado de Manejo inteligente del agua lluvia – AQUACELL.

Manual pavco. S.A 2011.

Construcción de estanque de almacenamiento subterráneo con canastillas Figura 6.

de polipropileno tipo Aquacell. Tomado de MANEJO INTELIGENTE DEL

AGUA LLUVIA – AQUACELL. Manual pavco. S.A. 2011.

10

Los diseños de trincheras de retención se realizan analizando parámetros hidrológicos para

determinar el caudal de agua que debe retener dicha estructura, para evitar los problemas de

inundación en las vías urbanas. Teniendo determinados los caudales a regular por la

trinchera de retención, se realiza el diseño hidráulico de la trinchera. La trinchera puede

estar o no rellena de material. En el caso de no estar rellena de material no presentará

problema de colmatación ya que se comportará como un estanque alargado. Un ejemplo de

este tipo es la experimentada por Silva et al. (2009). Para las trincheras rellenas con

material filtrante, se presentan obstrucciones entre las partículas que conforman este

material. Estos espacios son ocupados por sedimentos y otros contaminantes presentes en el

agua de escorrentía. Un ejemplo de estos tipos de trinchera son los modelos de trinchera

analizados por Proton y Chocat (2007) y Santa y Quintero (2010).

Sin embargo, a pesar de las experiencias presentadas anteriormente sobre evoluciones

hidrológicas, hidráulicas y ambientales de trincheras de retención, a nivel nacional e

internacional se evidencia que la incógnita que representa el tiempo de vida útil de las

trincheras de retención ha sido poco abordada. Este tiempo se verá limitado en el momento

en que los vacíos del material de la trinchera están totalmente llenos luego de un uso

prolongado, perdiendo la capacidad de retención de contaminantes y a su vez reduciendo la

capacidad hidráulica y en particular el almacenamiento de volúmenes de agua. Una vez

colmatada la trinchera de retención lo que se espera es la implementación de una técnica

para rehabilitar esta estructura con el propósito de recuperar su funcionalidad

La frecuencia de implementación de dicha técnica de rehabilitación, la cual se relaciona con

el tiempo de colmatación del material poroso asociado, determinará la viabilidad financiera

a gran escala de trincheras de retención en las principales ciudades de Colombia.

Adicionalmente las trincheras de retención mostrarán ser interesante en el desarrollo urbano

futuro en la medida en que sean capaces de mejorar la calidad del agua de escorrentía en su

paso a través de ellas y adicionalmente ofrezcan un retraso en el flujo, amortiguando los

caudales pico que se producen por las aguas de escorrentía en las vías urbanas.

El presente trabajo busca estimar los tiempos de colmatación de la trinchera de retención,

calcular la eficiencia de retención de contaminantes, determinar la reducción de los

caudales pico de las aguas de escorrentía y finalmente sugerir frecuencias de rehabilitación

de estos dispositivos. Para este fin en este experimento se busca evaluar las capacidades

hidráulicas y de retención de contaminantes de una trinchera de retención, mediante un

modelo físico a escala real, evaluándolo con aguas producto de la escorrentía de la ciudad

de Bogotá recogida en la Carrera 7 con calle 45.

Lo que se busca es determinar el tiempo que tarda al agua de escorrentía en colmatar el

material granular y/o el geotextil, hasta el punto en que el flujo a través de la trinchera de

retención sea deficiente. El valor exacto del índice de disminución de la capacidad de

permitir el flujo a través del dispositivo se determinará de acuerdo a los resultados

hidráulicos obtenidos acoplado con los resultados de saturación de material granular usado

para el modelo

11

El presente documento trata de la modelación hidráulica de una trinchera de retención a

escala real. Inicialmente se habla de los problemas que genera el agua de escorrentía en las

ciudades y algunos Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible que se están empleando para

mitigar estos problemas. Enseguida se mencionan los conceptos aplicados para la

determinación de cantidades de materiales a utilizar y tipo de éstos. Seguido se definen las

herramientas empleadas para el análisis de la información para luego describir los

materiales y métodos empleados para la modelación del dispositivo. Finalmente se exponen

los resultados hidráulicos y de calidad del agua obtenidos para en el los ensayos. Para hacer

las conclusiones y recomendaciones para cuando se desee hacer modelaciones con este tipo

de dispositivos. Por ultimo en este trabajo se encuentran las fuentes de donde se tomó la

información para realizar el experimento y se anexan los documentos donde se encuentran

los cálculos realizados.

12

3. MARCO TEÓRICO

En las trincheras de retención la vida útil está principalmente relacionada con la capacidad

que tiene el sistema de realizar adecuadamente la filtración del agua de escorrentía que

recibe (California Stormwater BMP Handbook, 2003). El tiempo que tarda en obstruirse

con los sedimentos y otros elementos que transportan las aguas de escorrentía es la mayor

incógnita de los sistemas de trincheras de retención, al igual que la capacidad que tiene la

trinchera de mejorar la calidad del agua (Proton y Chocat, 2007).

A partir del momento en que se conozca el período de colmatación de una determinada

trinchera de retención, se puede comenzar a determinar el proceso de rehabilitación y

estimar la vida útil del sistema, a su vez limitada por el periodo de vida del material

utilizado para la construcción de la trinchera (Proton y Chocat 2007).

3.1.Problemática del drenaje urbano

Las aguas de escorrentía generan altos volúmenes de agua que a su vez arrastra

contaminantes presentes en las vías. Estas aguas de escorrentía producto de las

precipitaciones traen consigo contaminantes generados por la combustión y la polución

ambiental (Torres Abello 2006). A continuación se abordarán estos dos principales

problemas: inundaciones y contaminación.

3.1.1. Problemas de inundación

El desarrollo urbano es ante todo una acción de impermeabilización de la superficie del

terreno. La construcción de calles con pavimentos que son impermeables, la urbanización

de parcelas con superficies destinadas a aparcamientos o paseos y la construcción de

edificaciones suele suponer una alteración radical del funcionamiento hidrológico de una

determinada zona con respecto a la situación preexistente (Alterejos Garcia 2007).

Se estima que en una zona natural sin urbanizar, el porcentaje de agua que se regula de

forma natural sin producir escorrentía, la cual se vierte a los cauces naturales, es de un 95

%. En el caso de una zona urbanizada de baja densidad, como pueden ser entornos rurales y

zonas residenciales fuera de los núcleos de las ciudades, el valor de infiltración decrece

hasta un 30 %, con lo que se genera una escorrentía del 70 %. Por último, en el caso de una

zona urbana de alta densidad, el valor de infiltración es prácticamente despreciable y se

genera un 95 % de escorrentía superficial que es necesario drenar y conducir para poder

obtener unas condiciones óptimas de habitabilidad (Rodríguez Bayón., 2006).

El Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD), en un documento

publicado en 2004, afirma que las inundaciones afectaron más de 90 países y que, en éstos,

alrededor de 196 millones de personas se hallaron expuestas a eventos de dimensiones

catastróficas; respecto a las inundaciones menores “que no cobran vidas humanas pero

obstaculizan el desarrollo” afirmo que “un número igualmente elevado” de población está

13

comprometido (Franco, 2010). Para afrontar situaciones de inundaciones urbanas, se puede

recurrir a dos estrategias: la primera es aumentar la retención superficial del agua de

escorrentía y reducir el pico de caudal generado y la segunda es incrementar el porcentaje

de infiltración del suelo para reducir el caudal de escorrentía (Dolz y Gomez, 1994).

3.1.2. Problemas de contaminación

La contaminación causada por el agua de escorrentía constituye un gran problema en las

áreas urbanas, ya que se ha demostrado que este tipo de agua contiene los mismos tipos de

contaminantes que se encuentran en las aguas residuales urbanas en estudios realizados en

Estados Unidos, Europa y Australia. En aguas de escorrentía durante eventos de lluvia, se

encontraron contaminantes como el Plomo que registró valores entre 0.44 mg/L y 0.99

mg/L. De igual forma se realizaron mediciones de DQO, encontrando valores mínimos de

37 mg/L y máximos de 120 mg/L (Rahmane, 2000).

La escorrentía urbana es una de las principales fuentes de contaminación del agua de los

arroyos, lagos, ríos, represas y mares (Airica, 2000). La contaminación de la escorrentía

urbana e industrial puede incluir metales pesados, pesticidas y fertilizantes de prados y

jardines, grasa, anticongelante y otras sustancias químicas tóxicas de los vehículos o de las

correspondientes instalaciones de mantenimiento. La escorrentía puede incluir virus y

bacterias de desechos de mascotas de sistemas de pozos sépticos averiados. La escorrentía

industrial puede incluir líquidos de pieles de animales en sitios de curtido, aguas negras de

las instalaciones de empaque de carne, sustancias químicas de sitios de construcción y otros

contaminantes propios de ciertos lugares, lo que representa notablemente que la escorrentía,

está contaminando los sistemas de alcantarilladlo y dejando en muy mal estado los

cuerpos hídricos receptores (Zafra Mejia et al., 2007).

Santa y Quintero (2010), realizaron muestreos en la ciudad de Bogotá detectando valores

promedio de contaminación, del agua de escorrentía en las calles 39, 38, 43, al occidente de

la carrera 7 con valores para Zn de 0.72 mg/L; Cu de 0.025 mg/L; DQO de 130.74 mg/L Cd

de 0.31 mg/L; Pb de 0.12 mg/L y SST de 36.89 mg/L. Estos resultados son el promedio de

las siete muestras tomadas en eventos de lluvia entre el 4 de mayo de 2010 y el 18 de

agosto de 2010, a excepción del plomo que sólo se detectó en un ensayo (Santa y Quintero,

2010).

3.2. SUDS

Los SUDS, sistemas urbanos de drenaje sostenible, se implementan dependiendo de las

características de cada zona, a continuación se presenta una tabla donde se describen los

sistemas más comúnmente utilizados.

14

Descripción de los tipos de SUDS más implementados. Tabla 5.

TIPO DE SUDS DESCRIPCIÓN EJEMPLO

Superficies permeables

Son pavimentos que permiten

el paso del agua a través de

ellos (Ciria C523, 2001). Con

su utilización se logra

almacenar, reducir el volumen

y el caudal máximo de

escorrentía, reducir la carga de

contaminantes y mejorar la

calidad de las aguas lluvias

(Fernández et al., 2003). (Fernández et al., 2003)

Pozos y Zanjas de Infiltración

Son utilizados con el fin de

recoger y almacenar las aguas

lluvias. Es necesario conocer

las características del suelo

para aplicar este sistema, ya

que no deben afectar el nivel

freático. Estas obras deben

realizarse apartadas de las

edificaciones y vías, con el fin

de no afectar su cimentación

(Ciria C697, 2007),

Generalmente se construyen

con materiales granulares y

son cubiertos con geotextil.

(CIRIA, 2001)

Cubiertas vegetales

Tienen la capacidad de retener

las aguas lluvias, minimizar el

caudal pico, mejorar el

comportamiento térmico de las

edificaciones, retener material

orgánico, metales pesados y

recuperar espacio para la fauna

y flora (CIRIA C697, 2007).

(Senerman & co, 2006)

15

Drenes filtrantes

Son zanjas recubiertas de

material geotextil y rellenas de

material granular. Este permite

una filtración de la escorrentía,

atrapando materia orgánica,

metales pesados y residuos

grasos, los cuales son

descompuestos por las bacterias

en dichos drenes. La velocidad

del agua es lenta por lo que

existe infiltración a través del

geotextil (Ciria C697, 2007).

(CIRIA, 2007)

Franjas filtrantes

Son secciones de terreno

vegetado con leve inclinación

diseñado para recibir y filtrar

la lámina de escorrentía

atrapando sólidos y aceites.

Utiliza pendientes

longitudinales entre el 2 y 6 %

y anchos de 7,5 m a 15 m. En

su proceso constructivo se

debe nivelar, extender y

compactar 10 cm de tierra

negra para jardín y sembrar y

proteger la vegetación. La

vegetación usada puede ser

diversa: césped, arbustos,

árboles etc. (CIRIA C697,

2007).

(CIRIA, 2007)

Depósitos superficiales de

detención

Son depresiones diseñadas

para retardar durante unas

horas la escorrentía de las

tormentas y permitir la

sedimentación de los sólidos

en suspensión. Pueden ser

utilizados como espacios

públicos abiertos durante los

periodos secos, aumentando la

oferta de zonas verdes de la

ciudad (CIRIA C697, 2007).

(CIRIA, 2007)

16

Depósitos enterrados de

detención

Son utilizados cuando no se

dispone de terrenos en

superficie o el entorno no

permite una estructura

superficial. Estos depósitos

constituyen el subsuelo, los

materiales con los que se

construyen son hormigón y

polipropileno (CIRIA C697,

2007).

(CIRIA, 2007)

Estanques de retención

Son depresiones del terreno

que contienen un cierto

volumen de agua permanente.

Este volumen de agua

constante oculta bancos de

sedimentos antiestéticos e

incrementa el rendimiento en

la eliminación de nutrientes,

metales pesados, y materia

orgánica. Pueden ser

alimentados por una cuneta

verde, una red de drenes

filtrantes o un sistema de

drenaje superficial

convencional (CIRIA C697,

2007).

(CIRIA, 2007)

Humedales artificiales

Son amplias superficies de

agua poco profundas y con

vegetación propia de pantanos

o humedales naturales.

Proporcionan gran poder de

filtración y eliminación de

nutrientes gracias a la acción

de las plantas. Se debe

asegurar él flujo de agua

anual, y las especies vegetales

deben ser autóctonas (CIRIA

C697, 2007)

(CIRIA, 2007)

17

3.3. Conceptos hidrológicos e hidráulicos

Para la determinación de los caudales a los que se someterá la trinchera, se requiere la

utilización de conceptos hidrológicos, para que las proporciones sean consecuentes entre

los caudales que se usarán y las dimensiones de la trinchera de retención. Los conceptos

aplicados se definen a continuación.

3.3.1. Método Racional

Es la metodología más utilizada en hidrología para la generación de caudales de diseño para

obras de drenaje urbano. Se aconseja utilizar ésta en cuencas menores a 2.5 km2, ya que se

utiliza las hipótesis siguientes: como (i) Se supone que el coeficiente de escorrentía es

constante en toda la cuenca (ii) No se tiene en cuenta el almacenamiento del agua (iii) Se

asume que la intensidad de la lluvia en la cuenca es constante. A continuación se muestra

la ecuación del método racional (Chow, 1994).

Q [1]

Dónde:

Q = Caudal Máximo (m3/s).

C = Coeficiente de escorrentía: Es la relación entre el volumen total de agua que se

precipita y el volumen real de escorrentía producida, después de descontar las pérdidas por

almacenamiento, retención e infiltración propia de cada cuenca, esto depende de: (i)

porcentaje de permeabilidad, (ii) pendiente, (iii) características de encharcamiento de la

superficie. En la tabla 15.1.1 del libro Hidrología Aplicada (Chow, 1994), se muestran

coeficientes de escorrentía para cada una de las características del suelo y su período de

retorno.

I= La intensidad de la lluvia (mm/h), es la tasa promedio de lluvia en milímetros por hora

para una cuenca o subcuenta de drenaje particular (Chow, 1994).

A= Área de drenaje (ha).

0.00278 = constante que resulta de convertir la intensidad a metros por segundo (m/s) y el

área de drenaje en hectáreas (ha) a metros cuadrados (m2).

3.3.2. Curvas IDF

Las curvas Intensidad - Duración - Frecuencia son el resultado de ajustar puntos

representativos de intensidad en intervalos de duración diferentes, correspondientes a

registros históricos de precipitación para una estación determinada. Cuando no se cuenta

con información suficiente o confiable, se pueden construir las curvas IDF utilizando

18

métodos sintéticos, cuyos parámetros han sido regionalizados por zonas en Colombia. Para

el caso de estudio se utilizó la fórmula obtenida por la Empresa de Acueducto y

Alcantarillado de Bogotá según el “Estudio para el Análisis y Caracterización de Tormentas

en la Sabana de Bogotá (1995), con sus respectivos parámetros.

3.3.3. Hidrograma

El hidrograma es un gráfico que relaciona la variación temporal de alguna información

hidrológica como caudal. Como se observa en la figura 7. Para un canal este grafico

representa, el caudal frente al tiempo (Chow; 1994).

Hidrograma de escorrentía (Chow, 1994) Figura 7.

3.3.4. Parámetro K (lag time)

El parámetro K es la diferencia que existe entre los hidrogramas de entrada y salida (Ver

figura 8), expresada en tiempo (Torres, 2004).

Ilustración de la distancia que representa el parámetro K (lag time) (Torres Figura 8.

Abello 2006).

19

3.4. Herramientas ambientales

Para el análisis de las concentraciones de contaminantes del modelo de trinchera de

retención, es necesario tener en cuenta los conceptos sobre los contaminantes que se pueden

presentar en el agua de escorrentía.

Sólidos Totales (ST,2540-B). Los sólidos totales son aquellas partículas que quedan

en un recipiente después de la evaporación de una muestra y su consecutivo secado

en estufa a cierta temperatura (APHA et al., 2005).

Solidos Suspendidos Totales (SST,2540-D), son aquellos que quedan retenidos al

hacer pasar la muestra por un filtro (APHA et al., 2005).

Potencial de Hidrógeno (Ph,4500-B)) es un término que indica la concentración de

iones hidrógeno en una disolución. Se trata de una medida de la acidez o basicidad

de la disolución (IPN, 2010).

Demanda Química de Oxígeno (DQO, 5220-D) puede verse como una medida del

equivalente de oxígeno del contenido de materia orgánica, lo anterior teniendo en

cuenta que la muestra puede sufrir procesos de oxidación causados por un oxidante

químico fuerte. Cuando se trata de una misma muestra o de una fuente específica, la

demanda química de oxígeno puede relacionarse empíricamente con la demanda

bioquímica de oxígeno, el carbono orgánico o la materia orgánica (APHA et al.,

2005).

Turbidez (2130-B): este término se refiere a la falta de transparencia de un líquido

debido a la presencia de partículas en suspensión (Torres Abello 2006).

Metales en el agua (3500-B): el cadmio (Cd), el cobre (Cu), el plomo (Pb), el zinc

(Zn) y el níquel (Ni), son metales potencialmente peligrosos y su origen

generalmente se da desde el agua lluvia (Boller, 1997; Torres, 2004),

principalmente por la presencia de partículas de polvo de procesos de combustión,

industrias de hierro o acero, industrias de metales no ferrosos, plantas de

incineración, industrias cementeras o vidrieras y tráfico vehicular (Göbel et al.,

2007).

3.5. Herramientas matemáticas y Estadísticas

Al realizarse los muestreos de aguas lluvias en la zona de estudio, se hace necesario

plantear un análisis estadístico, con el que se pueda determinar de forma objetiva el nivel de

confianza de los datos obtenidos. Estos análisis requieren organizar la información

determinar tipos de distribución de los resultados de contaminantes para realizar

20

modelación y converger en informaciones más probables. A continuación se presentan los

conceptos fundamentales que se emplearon para dicho análisis.

3.5.1. Método de Montecarlo

El método de Montecarlo es un procedimiento general para seleccionar muestras aleatorias

de una población de la que se conoce la distribución de probabilidad. Las muestras se

obtienen generando una serie de números aleatorios. Se llaman números aleatorios al

conjunto de números generados de modo que todos los dígitos tengan la probabilidad de

aparición de acuerdo al tipo de distribución que se quiera modelar (Sarabia, 2005).

3.5.2. Test de Shapiro-Wilk

El Test de Shapiro-Wilk es utilizado para constatar la normalidad de un conjunto de datos.

Se plantea como hipótesis nula que una muestra x1,...,xn proviene de una población

normalmente distribuida (Shapiro & Wilk, 1965).

La prueba estadística de Shapiro-Wilk se define como:

∑

))

∑ ̅)

[2]

Dónde:

La suma es de 1 a n y n es el número de observaciones.

xi es la matriz contiene los datos originales

xi 'son los datos ordenados

x es la media muestral de los datos

)

) [3]

Dónde:

m denota los valores esperados de estadísticos de orden estándar normal para una muestra

de tamaño n

V es la matriz de covarianza correspondiente.

3.5.3. T-test

Con la prueba T se realizan comparaciones entre dos grupos de población de datos, siempre

que se cumplan los supuestos de normalidad de distribución de dicha población y que la

21

muestra haya sido obtenida aleatoriamente (Manzano Arrondo, 1995). Los pasos para

realizar la prueba T son los siguientes (Ángel Gutiérrez, 2007):

Identificar la variable aleatoria con distribución t, según la variable definida como el

cociente entre una variable normal estándar y la raíz cuadrada de una variable Ji2.

Identificar el número de grados de libertad n.

Definir la variable aleatoria T.

Escribir las probabilidades requeridas en términos de la distribución acumulativa.

3.5.4. Box Plot

El Box Plot o diagrama de caja es un gráfico que representa la ubicación de los cuartiles,

mediante el cual se visualizan un conjunto de datos. El diagrama está compuesto por un

rectángulo, “la caja”, y dos brazos, “los bigotes”. Este grafico suministra información de

valores máximos y mínimos y los cuartiles Q1 o percentil 25%, Q2 o mediana y Q3 o

percentil 75%, y sobre la existencia de valores atípicos y la simetría de la distribución; si la

mediana no está en el centro del rectángulo, la distribución no es simétrica y es útil para ver

la presencia de valores atípicos (David Vaus, 2002).

22

4. MATERIALES Y MÉTODOS

Para le realización del modelo se siguió un proceso constructivo. A continuación se

explicara las diferentes etapas que se llevaron a cabo en dicho proceso de construcción del

modelo de trinchera de retención

4.1. Montaje experimental

El sitio para realizar la modelación debía tener condiciones climáticas controladas, por lo

que era necesario que fuese bajo techo, esto obligó a que se restringiera la altura, a la altura

de la cubierta del Laboratorio de Pruebas y Ensayos de Ingeniería Civil de la Pontificia

Universidad Javeriana, para que se pudiese realizar la modelación, y montaje. La trinchera

de retención, según el diseño sólo requería estar a 38 cm por encima del nivel del suelo,

esto para poder instalar el dispositivo de recepción de agua a la salida, por lo que se soportó

sobre cuatro vigas en madera de de 0.18 m de ancho por 0.50 m de largo y 0.38 m de alto

espaciadas a 0.25 m, 0.75 m, 125 m y 1.75 m. Tomando como referencia la longitud de 2

metros de la trinchera (ver figura 12).

Para la medición de caudales de salida, se decidió usar un envase de 36 cm de alto por 60

cm de ancho y 1 metro de largo, subdividido cada 15 cm, excepto la primera subdivisión

que tenía 30 cm, este cajón se construyó más grande debido a que la salida del flujo es tan

rápido que para un cajón más pequeño sería muy difícil hacer las lecturas de la altura de la

lámina de agua como se observa en la Figura 9. La función de este cajón es recibir el agua

que sale de la trinchera y tomar registros de variación de altura de lámina de agua en lapsos

de 10 s. El cajón se diseñó con varias subdivisiones para más evidente la variación de la

altura de agua en al cajón. Todo el material que conforma la trinchera está soportado sobre

las canastillas tipo Aquacell y éstas a su vez transmiten de forma distribuida las cargas a las

vigas en madera.

Las canastillas tipo Aquacell de PAVCO garantizan estabilidad a la estructura ya que éstas

soportan 57000 kg/m2 (Ficha técnica canastillas Aquacell 2011) capacidad que supera la

requerida para soportar el peso del modelo.

La estructura definitiva de la trinchera se muestra en la figura 10. La trinchera está

constituida de una estructura metálica con ángulos de hierro de 1-½” x 3/8”. Este material

fue forrado con acrílico de 4 mm y el empate de los acrílicos se selló con silicona. La

trinchera fue ensamblada por partes: lo primero que se colocó fueron las canastillas tipo

Aquacell, luego una capa en geotextil no tejido PAVCO NT 2500, en seguida la primera

capa de 30 cm de grava, luego otra capa de geotextil y finalmente la última capa de grava.

23

Recipiente en acrílico con subdivisiones para recibir el agua a la salida de Figura 9.

la trinchera y realizar mediciones para estimar caudales por el método de aforo

volumétrico.

Estructura definitiva de la trinchera de retención para el presente trabajo, Figura 10.

en esta grafica se observa las capas de grava separadas por el geotextil los

vigas en madrea para soporte el tanque de recepción de agua a la salida de la

trinchera de retención.

La grava fue tamizada para caracterizarla y saber la distribución del tamaño de sus

partículas. Previo al tamizado se realizó un lavado de la gravilla, para retirar finos y así

evitar que fuesen éstos los que iniciaran la colmatación de la trinchera y contaminaran el

agua de suministro a la trinchera. El lavado consistió básicamente extender la gravilla y

agregarle agua hasta que la cantidad de finos fuese casi imperceptible a simple vista. El

resultado del tamizado se reporta en la tabla 8.

El geotextil no tejido es un material que, por su estructura de conformación fina, es un buen

retenedor de contaminantes y partículas finas (Mullaney et al., 2011). Debido a lo anterior

se ha optado por utilizar el geotextil como capa de filtración en el modelo de trinchera a

24

ensayar. La grava se utilizará para que en el paso a través de ésta, se retengan algunos

contaminantes y sedimentos al momento de pasar el agua de escorrentía por la trinchera y

para profundizar las canastillas y así evitar que estén contacto directo con los las cargas

vehiculares que se prevean tendrá el sistema.

Las canastillas tipo Aquacell se usarán para dar la resistencia estructuras al sistema debido

a su alta capacidad de soportar cargas. Estas canastillas cuentan con una capacidad de carga

vertical 56 t/m2 y de 7.75 t/m

2 de carga lateral (Ficha técnica canastillas Aquacell, 2011), lo

que garantiza un tránsito vehicular óptimo si se desea implementar como zona de posible

parqueo a los lados de las vías urbanas.

En el presente trabajo, hubo la necesidad de establecer cantidades de materiales y

propiedades de estos mismos, al igual que determinar las condiciones más apropiadas para

realizar las modelación. Para esta tarea, fue necesario escoger lugares de toma de muestras

cantidades de éstas y las normas a seguir para éstos procedimientos. Estos criterios se

definen a continuación.

4.2.Determinación de la intensidad característica del sitio de

muestreo

Para el caso de la trinchera de retención que se modeló, se usó la siguiente metodología: se

tomó como área de drenaje la correspondiente área de media calzada de una calle de la

ciudad de Bogotá, es decir 3.75 m de largo, y se tomó como ancho, el ancho de la trinchera,

es decir 2 m. El tiempo de concentración se calculó con 10 y 15 minutos aplicando los

parámetros de intensidad consignado en la tabla 6. La ecuación 2 se usó para el cálculo de

la intensidad, obteniendo como resultado la tabla 7.

)

[4]

Dónde:

I= Intensidad de la precipitación (mm/h)

d= Duración de la precipitación en minutos (min)

XO= Duración en minutos (min)

C1, C2= Parámetros de la ecuación de mejor ajuste por el método de los mínimos

cuadrados

Los resultados de este caso se reflejan gráficamente en la figura 11 que corresponde a las

curvas IDF de la zona de estudio.

25

Parámetros de Intensidad- Duración – Frecuencia (Estudio para el Análisis y Tabla 6.

Caracterización de Tormentas en la Sabana de Bogotá 1995).

Tr (años)

Parámetros curva IDF

C1 X0 C2

Tr = 10 años 2856.348877 19.7 0.95522

Tr = 25 años 3068.298096 18.5 0.94208

Tr = 50 años 3093.421875 16.799999 0.92677

Tr =100 años 3334.925049 16.799999 0.92415

Resultados intensidades lluvias por periodo de retorno (mm/h) característico del sitio Tabla 7.

de muestreo. En la tabla 7 se resumen los resultados de caudales y volúmenes

calculados para 1 min y 15 min (Q10, V10, Q15 V15)

Caracterización de la grava utilizada en el modelo de trinchera. Tabla 8.

TAMIZ % PASA W GRAVA (g) % RETENIDO % PASA

3" 100 0 0.00 100.00

2 1/2" 70-100 0 0.00 100.00

2" 60-100 0 0.00 100.00

1 1/2" 50-100 0 0.00 100.00

1" 35-80 2191 7.50 92.50

3/4" 30-65 9184 31.43 61.07

1/2" 25-50 13262 45.39 15.69

3/8" 20-45 2064 7.06 8.62

1/4" 15-35 1054 3.61 5.02

N 4 12-30 457 1.56 3.45

N 8 6-20 502 1.72 1.74

N 16 0-10 157 0.54 1.20

N 30 0-2 59 0.20 1.00

FONDO 291 1.00 0.00

29221 100.00 190.28

DATOS 10 15 20 30 60 120 360 Q10 V10 Q15 V15

Tr = 10 años 111.90 96.50 84.80 68.50 43.60 25.50 9.82 0.851 0.142 0.733 0.183 Tr = 25 años 130.70 112.20 98.50 79.20 50.30 29.50 11.43 0.993 0.166 0.853 0.213 Tr = 50 años 146.90 125.30 109.50 87.60 55.40 32.40 12.68 1.116 0.186 0.952 0.238 Tr =100 años 159.70 136.30 119.10 95.40 60.40 35.40 13.88 1.214 0.202 1.036 0.259

Intensidades en mm/h

TIEMPO DE CONCENTRACIÓN (min) RESUMEN DE CAUDALES (m3/s) Y VOLÚMENES (m3)

26

Curvas IDF de la zona de la donde se tomó la muestra de agua de Figura 11.

escorrentía en la cuidad de Bogotá, carrera 7 con calle 45.

4.3. Sitio de toma de muestras de agua

El sitio donde se realizó la recolección de agua de escorrentía fue en la carrera séptima con

calle 45 (figura 12) ya que en este sitio durante eventos de lluvia se produce un caudal de

agua en la cuneta que permite recolectar las muestras. Para la elección del sitio de muestra

también fue importante que quedase cerca al Laboratorio de Pruebas y Ensayos de la

Pontificia Universidad Javeriana, para agilizar el transporte y realizar los ensayos en un

lapso no mayor a tres días después de la toma de muestras para que el agua no sufriera

descomposición.

Sitio de recolección de muestra. Recuperado de Google Earth el 20/2/2010 Figura 12.

15:35

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

180.0

0 100 200 300 400

INTE

NSI

DA

D (

mm

/hr)

Tiempo t (min)

Tr=25 Años

Tr=50 Años

Tr= 100 Años

27

4.4. Protocolo de campo

El proceso de modelación de la trinchera se realizó en el Laboratorio de Pruebas y Ensayos

de Ingeniería Civil de la Pontificia Universidad Javeriana. El volumen de agua de

escorrentía de suministro para los ensayos con la trinchera de retención, se obtuvo de la

tabla 7 y corresponde a un tiempo de concentración de 15 minutos y un periodo de retorno

de 25 años, lo que arroja un valor cercano a los 166 L, sin embargo debido a que se ensayó

con una motobomba y ésta requería un volumen de agua para cebado y había un volumen

que no se alcazaba a evacuar del fondo del tanque, se adecuó para realizar los ensayos con

150 L.

Para la toma de muestras, se utilizaron dos tanques de 500 L cada uno para almacenar

provisionalmente el agua luego de ser tomada del sitio de muestreo, posteriormente se

transportaba al Laboratorio de Pruebas y Ensayos de Ingeniera Civil de la Pontificia

Universidad Javeriana. El proceso de recolección de muestra se realizó tomando

directamente el agua de escorrentía del pavimento en el sitio de muestreo, con 2 baldes de

12 litros que se descargaban inmediatamente en los tanques de almacenamiento hasta

conseguir un volumen de agua de 450 L. Se decidió tomar 450 L para tener agua suficiente

para realizar varios ensayos con el agua de cada evento de lluvia.

4.5. Modelación con agua de escorrentía

Para la realización de la modelación, lo primero que se hizo fue ensayar la trinchera con

agua potable y por capas, es decir primero sólo trinchera y luego se fue añadiendo cada uno

de los componentes que la conformo esto es, las canastillas, el geotextil y la grava. Lo que

se buscaba era determinar qué aporte de contaminantes podía hacer la trinchera antes de

ensayar con agua de escorrentía.

La metodología para realizar los ensayos con agua de escorrentía se llevó acabo así: se usó

una motobomba para suministrar el caudal de agua de escorrentía al modelo, esta

motobomba se sumergió en un tanque de 180 L para que succionara el agua y la impulsara

hasta el modelo de trinchera. U su vez la motobomba se acoplaba a un tubo de 3” que se

conectaba a un sistema de distribución para que el agua llegara al modelo desde cuatro

puntos igualmente espaciados y a 30 cm de la primera capa de gravilla que conformaba la

trinchera, como se observa en la Figura 13.

El ensayo comenzaba cuando el agua iniciaba su salida desde la tubería de 3” hacia la

trinchera. En el momento en que ésta salía, se iniciaban dos registros de tiempo: uno que

terminaba cuando el agua dejaba de salir por la tubería de 3” y otro registro que se tomaba a

la salida de la trinchera y terminaba cuando dejaba de salir agua por la trinchera. El registro

de tiempo en la tubería de 3” se realizaba para calcular el caudal de suministro.

Básicamente se dividía el valor del volumen de agua suministrado entre el tiempo tomado,

y ese valor obtenido se tomó como caudal de suministro. Este proceso se realizó para cada

ensayo.

28

El tiempo a la salida de la trinchera se registraba para realizar mediciones de la lámina de

agua cada 10 segundos. En este caso el caudal se calculaba estimando el volumen de agua

que se llenaba cada 10 s, ya que se tenía las medidas de la sección transversal a la altura de

la lámina de agua. Luego se dividía este volumen entre los 10 segundos y se obtenía el

caudal en ese lapso. Este proceso se realizaba cuatro veces para cada muestra de agua

recogida. Lo que se hacía era ensayar con el agua, recuperarla y re-mezclarla para ensayar

de nuevo. Con esto se lograba ensayar la trinchera con agua de características diferentes.

Sistema final de suministro de agua de escorrentía a la trinchera de Figura 13.

retención

4.6. Laboratorio de calidad y protocolo

Para realizar los ensayos de calidad de agua es necesario tener en cuenta un protocolo de

actividades, esto se hace con el objeto de que en el momento de realizar las pruebas de

calidad en el laboratorio estas no se vean alteradas y los resultados sean de mayor

precisión. A continuación se muestran los procedimientos a los ensayos.

4.6.1. Protocolo de laboratorio

Una vez se presentaba el evento lluvioso, el agua de escorrentía empezaba a almacenarse en

un tanque de 500 L, de tal forma que tan pronto finalizaba el evento de lluvia, se

recolectaba el agua en el dispositivo ya mencionado. Una vez tomada la muestra en campo,

era inmediatamente transportada al laboratorio, donde se tomaban las muestras de la lluvia

tanto a la entrada como a la salida del modelo trinchera de retención. La manipulación de

las muestras dentro del Laboratorio de Pruebas y Ensayos de Ingeniería Civil de la

Pontificia Universidad Javeriana se realizó de la siguiente forma:

29

De la muestra de agua de escorrentía se tomó un litro (1 L) para realizar el análisis

de calidad a la entrada del modelo de trinchera de retención, se almacenó en un

recipiente lavado dos veces con la misma agua y debidamente identificado como

agua de entrada. Posteriormente, se remitía al Laboratorio de Calidad de Aguas,

para su respectivo análisis de contaminantes que contenía la muestra de agua.

A la salida de la trinchera se hacía la toma de un litro (1 L) de agua de escorrentía,

para ser almacenada en un recipiente lavado dos veces con la misma agua y

debidamente identificado como agua de salida para luego ser remitido al

Laboratorio de Calidad de Aguas, para su respectivo análisis de contaminantes que

contenía la muestra de agua.

Los elementos utilizados en laboratorio fueron:

- Envases de plástico para el almacenamiento y transporte de la muestra.

- Elementos de seguridad personal como: guantes de látex, tapabocas desechables y batas.

- Cronómetro para la toma de datos de tiempos.

- Reglas, para la toma de alturas de lámina de agua.

- Recipiente graduado, del mismo material del modelo de trinchera de retención, para los

aforos de entrada y salida.

- Lápiz y papel para la toma de datos.

- Marcador para la identificación de las muestras.

- Cámara fotográfica para registro fotográfico.

4.6.2. Pruebas de calidad

Para las pruebas de calidad se realizaron los procedimientos exigidos en el Laboratorio de

Pruebas y Ensayos de la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana.

Estos ensayos se realizaron por triplicado con el fin de determinar la incertidumbre

asociada al ensayo y el valor más representativo de los resultados.

4.7.Análisis de datos

Producto de los ensayos realizados se generaron unos datos que se analizaron para

determinar el comportamiento hidráulico de calidad de agua de las muestras y del modelo

de trinchera de retención. Para estos análisis se requirió la aplicación de herramientas que

se describen a continuación.

4.7.1. Herramientas para el análisis hidráulico

Como herramienta para la determinación de aspectos hidráulicos, se empleó Microsoft

Office Excel® versión 2007. La función de MS Excel que se utilizó fué Insert-Scatter, con

la cual se graficaron los hidrogramas de entrada y salida en la trinchera de retención.

30

Adicional a esta herramienta se usó el condicional If, para realizar algunos descartes y

selección de datos, en lo de más se usaron herramientas de cálculo matemático para estimar

áreas, volúmenes, caudales, coeficiente de escorrentía tiempos de rezago entre otros

parámetros.

4.7.2. Herramientas para el análisis de calidad

Para el cálculo de la eficiencia y la durabilidad del modelo de trinchera de retención

ensayado, se emplearon dos herramientas: Microsoft Office Excel® versión 2007 y

software “R” (R Development Core Team, 2012 versión 2.15.0). A continuación se

describirá el procedimiento que se realizó en conjunto con estos dos programas para

obtener los resultados de eficiencia y durabilidad.

Para los parámetros de Cadmio, Cobre, Zinc, Plomo, ST, SST, DQO, se insertaron los

nueve resultados de concentración de laboratorio por triplicado en hojas de cálculo aparte.

Estos datos fueron multiplicados por el volumen de agua de escorrentía utilizado, para

obtener la masa (mg) de cada uno de los parámetros, teniendo como resultado nueve masas

tanto a la entrada como a la salida por cada parámetro estudiado. La masa retenida por el

modelo de trinchera corresponde a la diferencia entre la masa de entrada y la masa de

salida. La eficiencia de retención corresponde a la diferencia porcentual entre las masas de

entrada y salida cuando la diferencia de las concentraciones de entrada y salida sea

significativa (p-Value < 0.05). Para las nueve pruebas se verificó la significancia de la

diferencia entre concentraciones promedio de entrada y salida utilizando el T-test en el

programa estadístico R (ver algoritmo en Anexo B y resultados en Anexo C).

Para los parámetros de pH y Turbidez, se calculó la significancia y la eficiencia con

respecto a las unidades de pH y turbidez (ver Anexo C).

Para obtener los resultados de durabilidad del modelo de trinchera ensayado, se tuvo en

cuenta sólo el parámetro de los ST y las variables de la densidad aparente de los sólidos

totales, la porosidad del material y los días de lluvia en la zona de estudio. Para el cálculo

de la durabilidad se utilizó el método de Montecarlo de la siguiente forma: para cada

simulación se seleccionaron aleatoriamente nueve (igual al número total de pruebas

realizadas en laboratorio) concentraciones de entrada y nueve concentraciones de salida –

entre las tres posibles concentraciones (ya que se tienen los valores del triplicado) para cada

prueba tanto a la entrada como a la salida –, un valor aleatorio de densidad entre 2200

kg/m3 y 2800 kg/m

3 (rango de valores típicos de sedimentos en alcantarillados, (Ashley et

al., 2004) y la porosidad de la grava utilizada en el modelo de trinchera entre 0.15 % y 0.45

% (rango de valores propuesto por Chow, 1994). Todos estos valores aleatorios se

generaron siguiendo distribuciones de probabilidad uniformes. Para cada simulación se

calculó la masa retenida por la trinchera, como se explicó anteriormente. Esta masa fue

comparada con el volumen de poros y a partir de esto se estimó el número equivalente de

ensayos similares que se necesitarían para llenar dicho volumen de poros, es decir para

alcanzar la colmatación. Este número de ensayos fue interpretado en términos de días

mediante el análisis de los datos de precipitación diaria de la estación Mateo de la ciudad de

31

Bogotá entre 1974 y 2006. Lo anterior se realizó mediante conteos de días consecutivos

necesarios para alcanzar el volumen equivalente al empleado para cada prueba de

laboratorio sobre el modelo de trinchera, teniendo en cuenta todas las posibilidades de

selección del día inicial (inicio de la acumulación del volumen). Este procedimiento sirvió

para calcular el número de días en los que se alcanza la colmatación de la trinchera, es decir

la durabilidad de la estructura. Para un número importante de simulaciones se obtienen

varias posibilidades de durabilidad, es decir varios valores de número de días transcurridos

antes de que la estructura falle. Un análisis estadístico de dichos resultados otorga

probabilidades de falla de la estructura para días específicos de operación de dicha

estructura.

Se desarrolló un algoritmo aplicando el método propuesto anteriormente mediante el

programa R (ver Anexo B). En este algoritmo se adoptó un número de simulaciones igual a

1000, ya que con este valor se lograba obtener la precisión que se buscó con esta

metodología. Se verificó la normalidad del conjunto de datos generados mediante el Test de

Shapiro-Wilk, con el fin de reportar el resultado final de durabilidad según dos posibles

casos: (i) si se comprueba la normalidad de los datos, la durabilidad más probable

corresponde al valor promedio y el rango de durabilidades se calculará mediante la

desviación estándar; (ii) si no se comprueba la normalidad, se reporta el resultado por

medio de análisis de cuartiles.

32

5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Luego de realizados los ensayos, se procesa la información para analizarla y emplearla en

la resolución de la pregunta de investigación. A continuación se presentan los resultados

hidráulicos y posteriormente lo resultados de calidad del agua.

5.1.Resultados hidráulicos.

En este capítulo se evalúa el comportamiento que tiene el agua de escorrentía al paso por la

trinchera de retención. En este experimento lo que se busca es determinar el retraso que

sufre el volumen de agua para salir de la trinchera de retención, con el propósito de estimar

diferencias entre el caudal de entrada y salida.

Los primeros resultados hidráulicos que se revisaron fueron los realizados con agua

potable. Con estos ensayos, se trataba de determinar el comportamiento de la trinchera sin

que teóricamente hubiese posibilidad de colmatación, ya que el líquido que se haría pasar

por la trinchera no presentaba partículas que produjeran esta obstrucción. Este resultado se

en la figura 14.

Hidrogramas de entrada y salida de la trinchera de retención, la figura de la Figura 14.

izquierda muestra los hidrogramas de entrada y salida para la prueba que se

realizó el 19/10/2011 a las 15:00 y la figura de la derecha muestra los

hidrogramas de entrada y salida de la prueba realizada 45 min después,

ensayada con agua potable.

En la figura 14 se observa el comportamiento de las dos pruebas; en la figura de la derecha

se observa una respuesta más rápida (80 s) y con un caudal de 1.62 L/s para cuales de

suministro de 1.8 L/s mientras que en la figura de la izquierda se observa una respuesta más

lenta (140 s) y con un caudal de 0,9 L/s. Esto puede deberse a que en la primera prueba la

grava estaba seca y el agua debe primero lograr una saturación para generar un caudal de

33

salida. Para la segunda prueba ya la grava tenía algo de humedad y por esto la repuesta fue

más rápida. Para estas pruebas se puede observar que el coeficiente de escorrentía

aumentó, ya que pasó de 0.51 a 0.92.

La primera práctica realizada con agua de escorrentía, se llevó a cabo el 11 de noviembre

de 2011. En esta ocasión se realizaron cuatro pruebas con agua de escorrentía recolectadas

el 9 de noviembre de 2011. Los resultados hidráulicos de estas pruebas se muestran en la

figura 15.

Hidrogramas de entrada y salida de la trinchera de retención, la primera Figura 15.

prueba se encuentra en la parte superior izquierda la segunda prueba en la

parte superior derecha, la tercera prueba en la parte inferior izquierda y la

cuarta en la parte inferior derecha, resultados de las cuatro pruebas realizadas

con el agua de escorrentía recolectada el 9 de octubre de 2011 y ensayadas el 11

de octubre de 2011.

En las pruebas mostradas en la figura 15, se observa que en la primera prueba el caudal de

salida de la trinchera de retención con respecto al caudal de suministro es bastante inferior,

mientras que el caudal de suministro es de 2.13 L/s. El caudal pico de salida es de 1.39 L/s,

resultando un coeficiente de escorrentía de la trinchera de 0.65. En la segunda prueba la

respuesta es más cercana entre los caudales de entrada y de salida, ya que pasa de 1.35 L/s

de caudal de suministro a 1.11 L/s para el caudal de salida. Si se analizan estos dos casos se

observa una tendencia igual a la prueba con agua potable. Al analizar las pruebas 3 y 4

34

resulta el valor de coeficiente de escorrentía de la trinchera en la prueba 4 inferior al de la

prueba 3. Estos son de 0.61 y 0.85 respectivamente, por lo que con estas cuatro pruebas no

se alcanzan a obtener tendencias del comportamiento hidráulico de la trinchera.

Resumen de parámetros hidrológicos e hidráulicos de cada práctica el 9 de noviembre Tabla 9.

de 2011.

PRÁCTICA No.

VARIABLE

Q Máx. (L/s)

TIEMPO

PARA LLEGAR A

Q Máx. (s) K (s) C %

1-prueba1 1.4 70 133.5 65

1-prueba2 1.1 100 135.7 82

1-prueba3 1.2 100 122.3 86

1-prueba4 0.9 80 144.0 61

En la tabla 9 se observa que el coeficiente de escorrentía tiene variaciones que no muestra

una tendencia generalizable sobre el comportamiento de la trinchera. Aunque los valores

son muy variables, éstos reflejan una capacidad de absorción de agua muy importante, ya

que, como se aprecia en los resultados de la primera y última prueba, los coeficientes de

escorrentía son del orden de 65 % y 61 %. Si se comparan estos valores con los sugeridos

por el RAS 2000 y mostrados en el Anexo A, para diseños de alcantarillados, se observa

que se estarían representando áreas “Residenciales multifamiliar con bloques contiguos y

zonas duras entre estos”. Para los valores de las pruebas 2 y 3 de esta serie de prácticas, se

observan coeficientes de 0.82 y 0.86. Estos valores representan diseños para áreas de

cubierta y/o pavimento asfáltico y superficie de concreto.

Este sistema de trinchera tiene la capacidad de retener agua en su parte inferior, y como se

observó, no produce escorrentía superficial en eventos de lluvia y genera un retraso del

agua de escorrentía trasportada a los alcantarillados o fuentes naturales en eventos de lluvia.

Este retraso del caudal de escorrentía se tomaría como el tiempo de concentración dentro

del dispositivo. Este valor será representado por el valor de K, el cual tiene magnitudes

similares para todas las prácticas de cada una de las pruebas. Si se promedian estos valores

se llegaría al dato de 134 s, lo que representa el valor del tiempo de concentración para la

trinchera de retención modelada en el presente trabajo.

La segunda práctica con agua de escorrentía, se realizó el 25/01/2012, empleando la

metodología explicada anteriormente. Para este caso se realizaron cinco pruebas con el

agua de escorrentía pero, para el análisis hidráulico sólo se analizaron cuatro. Inicialmente

se realizaron tres pruebas tomando registros de tiempo. En la cuarta prueba no se

contabilizó tiempo, sólo se tomó registros de calidad del agua, esto se hizo para poder

observar si la trinchera llegaría a perder su eficiencia. Al realizar la quinta prueba se

observó que la eficiencia hidráulica seguía siendo la misma. Los resultados de estas

prácticas se observan en la figura 16.

35

Hidrogramas de entrada y salida de la trinchera de retención con agua de Figura 16.

escorrentía recogida el día 25 de enero de 2012 y ensayada el día 27 de enero

de 2012.El lapso de tiempo entre ensayos fue de 45 minutos. La primera prueba

se encuentra en la parte superior izquierda, la segunda prueba en la parte

superior derecha, la tercera prueba en la parte inferior izquierda y la cuarta en

la parte inferior derecha.

En esta serie de pruebas, la trinchera había permanecido 75 días sin recibir agua desde el

último ensayo realizado, por lo que el material que conformaba este dispositivo estaba

completamente seco. El resultado de estos ensayos fue que el material respondió de manera

similar para las cuatro pruebas. La relación entre los caudales de suministro y los caudales

máximos de salida fueron, según el orden mencionado en la figura, 0.77, 0.81, 0.76, y 0.76.

En esta segunda serie de ensayos, también se estimaron los valores de K y C (Ver tabla 10).

Para esta serie de ensayos, se observa que el valor de C es más homogéneo que la serie de

datos obtenidos en el primer ensayo realizado con agua de escorrentía. El valor promedio

de C es igual a 78 % que para efectos de diseños de alcantarillados pluviales o combinados

según lo establecido por el RAS 2000, corresponde a vías adoquinadas y/o zona comercial

o industrial. Sin embargo, como se mencionó en los ensayos realizados no se formó lámina

de agua, por lo que se presume que no se producirá escorrentía.

36

Resumen de parámetros hidrológicos e hidráulicos de cada práctica el 25 de enero Tabla 10.

2012.

PRÁCTICA No

VARIABLE

Q Máx (L/s)

TIEMPO PARA

LLEGAR A

Q Máx (s) K (s) C

2-prueba1 0.927 140 125 77%

2-prueba2 1.620 80 129 81%

2-prueba. 1.483 80 112 76%

2-prueba4 1.193 90 89 76%

Los valores de reducción de caudal pico en el presente trabajo, muestra que el modelo de

trinchera de retención propuesto tiene menor eficiencia hidráulica que el modelo estudiado

en Silva (2009) en donde se encontraron valores de eficiencia de reducción de este caudal

pico entre el 7 % y el 59 %, mientras en el presente trabajo se observaron valores entre el

39 % y 24 %. Sin embargo por la técnica utilizada de trinchera de retención en Silva 2009,

al área donde se construye la trinchera no queda apta para el tráfico ni peatonal ni vehicular

mientras la propuesta en el presente trabajo si puede permitir estos tráficos.

Los resultados tanto de K como de C mostrados en las tablas 9 y 10 corresponden a valores

que podrían utilizarse para el eventual diseño hidrológico de una trinchera de retención

como la ensayada. En este sentido los resultados obtenidos son muy interesantes ya que se

alejan bastante de los valores que se hubieran obtenido sin la trinchera, valores de K=0 y

C=1 correspondientes a una lluvia trasmitida instantáneamente sobre una superficie

completamente impermeable. Además, es de resaltar que durante las pruebas no se presentó

ningún volumen de escorrentía superficial, lo que implica que las dimensiones de la

trinchera ensayada son suficientes para absorber completamente la lluvia de diseño

utilizada y por lo tanto no habría que contemplar estructuras de drenaje complementarías.

La anterior observación implica además que se podría proponer un diseño de trinchera más

racional, que otorgue como resultado menores dimensiones, lo que repercute en una

disminución de costos a la hora de implementar esta técnica, toda vez que la lluvia de

diseño utilizada es bastante importante en magnitud ya que corresponde a una lluvia de

corta duración (15 minutos de tiempo de concentración) con alto periodo de retorno (25

años).

5.2. Resultados de calidad

En la tabla 11 se observa el comportamiento que tuvo la trinchera de retención en la

remoción de cada contaminante para cada prueba. Aquí se observa que la eficiencia varía

para cada contaminante. En general, para la primera práctica de lluvia sólo hubo eficiencia

para el DQO y el zinc, lo cual pudo deberse a una posible presencia de partículas

contaminantes adheridas a las gravas y que pudieran arrastrase durante la prueba. Para el

segundo ensayo se observó que, a excepción del cobre, se encontró una reducción en la

37

concentración de salida con respecto a la contaminación de entrada para todos los

contaminantes.

Resultados del análisis de eficiencia de la trinchera de retención de masa de Tabla 11.

contaminantes.

CONTAMI

NANTE

Prueba

N 1

Prueba

N 2

Prueba

N 3

Prueba

N 4

Prueba

N 5

Prueba

N 6

Prueba

N 7

Prueba

N 8

Prueba

N 9

(%)

(%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%)

ST "-" 53 30 37 22 "-" "-" "-" 36

SST "-" 48 41 47 25 18 "-" "-" 33

DQO 38 47 36 "-" 38 14 "-" "-" 27

CADMIO "-" 70 "-" "-" "-" 39 "-" 41 "-"

COBRE "-" "-" "-" "-" 100 "-" 100 100 "-"

PLOMO "-" 76 "-" 100 100 100 100 100 "-"

ZINC 15 22 31 "-" "-" "-" "-" "-" "-" El símbolo ´´-´´ se utiliza para indicar que no se verificó una diferencia significativa entre las concentraciones

de entrada y salida como el resultado del T-test (p-Value < 0.05).Ver detalles de los T-test en Anexo C

En la tabla 11 se observa que las eficiencias de retención de contaminantes de ST y SST

pueden alcanzar hasta el 53 % y 48 % respectivamente. Se observa además que para estos

dos contaminantes las eficiencias de retención obtenidas son del mismo orden de magnitud

por prueba, cuando la diferencia entre las concentraciones de entrada y salida son

significativas. En cuanto a la DQO, se observa eficiencias hasta el 47 %. Para los metales

se puede observar que el cobre y el plomo presentan diferencias significativas con una

eficiencia hasta del 100 %, queriendo decir que nuestro modelo mejora las condiciones de

calidad de agua.

En la tabla 12 se observa el comportamiento que tuvo la trinchera de retención en la

reducción o aumento de unidades de pH para cada prueba. Para la primera práctica de lluvia

hubo una reducción significativa de unidades de pH. Para la segunda práctica se observó

que no se presentó reducción significativa en unidades de pH tan solo se presentó

reducción en las pruebas (6 y 8).

Resultados del análisis de eficiencia de la trinchera de retención en la disminución Tabla 12.

o aumento de las unidades de Turbidez y Ph

CONTAMINANTE PRUEBA NUMERO

1 2 3 4 5 6 7 8 9

TURBIDEZ 6,33 24,00 16,00 24,67 35,67 8,33 -2,67 -5,00 35,00

Ph 0,52 0,52 0,47 -0,50 -0,18 0,26 0,15 0,75 0,09

El símbolo ´´-´´ se utiliza para indicar que no se verificó una diferencia significativa entre las concentraciones

de entrada y salida como el resultado del T-test (p-Value < 0.05).Ver detalles de los T-test en Anexo C

38

En la tabla 12 se puede observar que la reducción de unidades puede llegar hasta un 11 %.

Esto quiere decir que para las pruebas que presentaron valores de eficiencia el resultado del

T-test (p-Value < 0.05) fue menor a 0.05, dando como resultado una eficiencia significativa

entre las unidades de pH en la entrada y la salida (ver Anexos C).

En la tabla 12 se observa el comportamiento que tuvo la trinchera de retención en la

reducción o aumento de unidades de Turbidez (NTU) para cada prueba. Para la primera

práctica de lluvia hubo reducción significativa de unidades de Turbidez (NTU). Para la

segunda práctica se observó que, no se presentó reducción significativas en unidades de pH

tan solo en se presentó reducción en las pruebas (prueba 5 y 9).

En la tabla 12 se puede observar que la reducción de unidades puede llegar hasta un 15 %.

Esto quiere decir que para las pruebas que presentaron valores de eficiencia el resultado del

T-test (p-Value < 0.05) fue menor a 0.05, dando como resultado una eficiencia significativa

entre las unidades de Turbidez (NTU) en la entrada y la salida (ver Anexo C).

Comparación de resultados de parámetros de calidad de otros autores. Tabla 13.

AUTORES ZINC (%)

COBRE (%)

CADMIO (%).

PLOMO (%).

DQO (%l)

ST (%)

SST (%)

Ph (%) Turbidez

(%)

(Silva et al, 2009) 93,55 - - 63,83 - - 57-81

(Santa & Quintero, 2010) - 76 - - 52 - - 0.2-0.6 -

(Álvarez & Celedón, 2012) 15-31 100 41-39 76-100 14-47 22-53 18-48 0.09-0.52 6.33-35.67

Analizando los valores de la tabla 13 se puede observar que el modelo de trinchera, a

comparación con los otros autores tiene una diferencia significativa en retención de

contaminantes.

A continuación se muestra los resultados de la evolución de la durabilidad de la trinchera

de retención para dos casos: cuando se asume que los ST se alojarán en la primera capa de

20 cm de grava (figura 17) y para el caso en que se asume que todas las capas de grava

retendrán los ST, es decir hasta 50 cm (figura 19).

39

PROBABILIDAD DE FALLA

% AÑOS

25 1,19

30 46,05

40 56,69

50 69,59

60 87,4

70 116,65

75 285,59

95 475,13

100 1046,89

Valores de durabilidad (en años) y probabilidad de falla de la capa superior Figura 17.

de 20 cm de grava de la trinchera de retención ensayada para 1000

simulaciones de Montecarlo realizadas con base en las eficiencias de retención

de Sólidos Totales observadas en laboratorio (para nueve pruebas) y los

registros pluviométricos de la estación Mateo (Bogata D.C) entre 1974 y 2006.

En la figura 17 se observa que, la duración mediana del modelo está en los 70 años,

tiempo en el cual la trinchera deja de funcionar, pero hay un 25 % de posibilidades que la

trinchera se colmate al año y un 75 % que se colmate en un tiempo de 285 años. También

se puede observar que la probabilidad de falla del modelo es mayor a medida que el tiempo

pasa, como se observa en la figura 17.

A continuación se muestra los resultados de la evolución de la durabilidad de la trinchera

de retención para la capa de 50 cm, asumiendo que los ST se alojarán en esta capa.

40

PROBABILIDAD DE FALLA

% AÑOS

25 3,05

30 117,97

40 145,54

50 178,95

60 224,72

70 299,61

75 733

95 852,36

100 2388

Valores de durabilidad (en años) y probabilidad de falla de la capa superior Figura 18.

de 50 cm de grava de la trinchera de retención ensayada para 1000

simulaciones de Montecarlo realizadas con base en las eficiencias de retención

de Sólidos Totales observadas en laboratorio (para las nueve pruebas) y los

registros pluviométricos de la estación Mateo (Bogotá D.C.) entre 1974 y 2006.

En la figura 18 se nota que al observar las figuras de la durabilidad del modelo de trinchera

de retención, la duración mediana de duración del modelo está en los 178 años, tiempo en

el cual la trinchera deja de funcionar, pero hay un 25 % de posibilidades que la trinchera se

colmate a los 3.0 años o un 75 % que se colmate a un tiempo de 733 años. También se

puede observar que la probabilidad de falla del modelo es mayor a medida que el tiempo

pase, como se observa en la figura 18 (ver fila numero dos).

41

6. CONCLUSIONES

Las pruebas hidráulicas realizadas sobre el modelo de trinchera otorgan la valores de

atenuación hidrológico (tiempo de retraso o lag – time y coeficientes de escorrentía C) los

cuales podría usarse como parámetros en eventuales diseños hidrológicos de trincheras de

retención como la ensayada. En este sentido los resultados obtenidos (K entre 89 s y 144 s y

C entre 0.61 y 0.86) son muy interesantes ya que se alejan bastante de los valores que se

hubieran obtenido sin la trinchera, valores correspondientes a una lluvia transmitida

instantáneamente sobre una superficie completamente impermeable. Los resultados

mencionados arriba sugieren que las trincheras como la ensayada en este trabajo pueda

construirse con elementos mitigadores de inundaciones urbanas, además es de resaltar que

durante los ensayos no se presentó ningún volumen de escorrentía superficial, lo que

implica que las dimensiones de la trinchera ensayada son suficientes para absorber

completamente la lluvia de diseño utilizada y por lo tanto no habría que contemplar

estructuras de diseño complementarias. La anterior observación implica además que se

podría proponer un diseño de trinchera más racional que ofrezca como resultado menores

dimensiones lo que representa una disminución en costos, al momento de implementar esta

técnica, toda vez que la lluvia de diseño usada es bastante importante en magnitud, ya que

corresponde a una lluvia de corta duración (15 minutos de tiempo de concentración) con

alto periodo de retorno (25 años).

Como se mencionó antes, la trinchera de retención experimentada mostró un retraso

temporal K entre el caudal de entrada y de salida, éstas diferencias temporales representan

el retraso del pico de caudal por cada dos metros de trinchera que se implemente. Si se

quisiera realizar el diseño de este dispositivo para ser implementado como componente del

drenaje urbano en un proyecto, debería utilizarse el tiempo K promedio de la trinchera

equivalente a 123 s por cada dos metros de trinchera a diseñar.

En las concentraciones de metales se puede observar que se presentan diferencias

significativas para cobre y plomo con una eficiencia hasta del 100 %, queriendo decir que

el modelo de trinchera analizado mejora las condiciones de calidad de agua contaminada

con productos donde existe presencia de cobre y plomo. Lo anterior puede constituirse en

un elemento interesante para considerar las trincheras de retención no solamente como

elementos de mitigación de la inundaciones en zonas urbanas, sino también como

elementos de ayuda de control de la contaminación en la fuente, disminuyendo las

concentraciones en materiales particulados, la contaminación orgánica y en metales

pesados presentes en las aguas de escorrentía urbana y que pueden alcanzar cuerpos

hídricos receptores como las quebradas y ríos urbanos, los humedales , los acuíferos etc.

Se observa que las eficiencias de retención de contaminantes de ST y SST pueden alcanzar

el 53 % y 48 % respectivamente. Además para éstos dos contaminantes las eficiencias de

retención obtenidas son de proporciones similares por prueba, siempre que la diferencia

entre las concentraciones de entrada y salida demuestren que hubo eficiencia. En cuanto a

la DQO se observaron eficiencias hasta del 47 % .

42

La trinchera tiene la capacidad de retener ST: este tipo de contaminantes es determinante en

la vida útil del sistema. Sin embargo por el material granular utilizado se puede afirmar que

el tiempo de saturación del material que conforma este dispositivo no representaría el

principal problema, ya que según el análisis de durabilidad observado en las tablas 17 y 18,

se estimó que el periodo de vida está alrededor de los 70 años, y 178 años valor que supera

los periodos habituales de proyección los cuales son de 50 años.

Los valores de reducción de caudal pico en el presente trabajo, muestra que el modelo de

trinchera de retención propuesto tiene menor eficiencia hidráulica que el de Silva (2009) en

donde se encontraron valores de eficiencia de reducción de este caudal pico entre el 7 % y

el 59 %, mientras en este trabajo se observó valores entre el 39 % y 24 % sin embargo por

la técnica utilizada de trinchera de retención en Silva 2009, al área donde se construye la

trinchera no queda apta para el tráfico ni peatonal ni vehicular mientras la propuesta en el

presente trabajo si puede permitir estos tráficos.

Los resultados obtenidos en este trabajo y mencionados arriba, ayudan a reafirmar que los

SUDS en general pueden constituirse en elementos claves del drenaje urbano al presentar

altos desempeños hidrológicos (reducción del coeficiente de escorrentía e incremento de los

tiempos de concentración), hidráulicos (mayor capacidad para manejo de volúmenes

elevados de agua en eventos de lluvia) y ambientales (mejora en las concentraciones de

contaminantes presentes en las aguas de escorrentía urbana). Estos elementos combinados

con aspectos de compatibilidad con el espacio y desarrollo urbano, podrían hacer de los

SUDS objetos multipropósito con muy baja demanda de mantenimiento a considerar en las

ciudades colombianas en respuesta a eventos y períodos de lluvia intensos, así como a la

degradación crónica de los hidrosistemas directamente afectados por la contaminación

contribuyendo al desarrollo urbano sostenible.

43

7. RECOMENDACIONES

Para realizar modelación de dispositivos como trincheras de retención en el Laboratorio de Pruebas

y Ensayos de la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana, se recomienda antes

de comenzar el diseño del sistema, verificar la disponibilidad de espacio que haya en él, ya que al

tratar de instalar el dispositivo podría no haber espacio suficiente para la el montaje de éste lo que

obliga a hacer rediseños que se pueden evitar.

En el Laboratorio de Pruebas y Ensayos de la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad

Javeriana, en el área laboratorio de hidráulica las aguas servidas de los lavamanos y lavados de

pisos son recicladas en el tanque subterráneo y reutilizadas para pruebas hidráulicas. Por lo que no

se permite que aguas contaminadas se descarguen en el tanque subterráneo que hay en este lugar.

Todas las rejillas en el piso de este laboratorio descargan en el tanque mencionado, Luego hay que

ubicar los dispositivos de modelación cerca de un sumidero que descargue al sistema de

alcantarillado para no mezclarla con las aguas en el tanque. Es necesario tener esto en cuenta ya que

hay que evacuar el agua de escorrentía usada y esta actividad después de cada práctica significa un

tiempo importante que podría limitar el número de prácticas por sesión.

En el Laboratorio de Pruebas y Ensayos de la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad

Javeriana existen motobombas y estructuras de soporte que podrían facilitar el trabajo de

modelación, por lo que es importante realizar un recorrido por el laboratorio y hacer un listado de

los materiales disponibles y realizar las respectivas solicitudes de préstamo con anticipación ante la

dirección del Laboratorio.

La colmatación de las trincheras de retención es el aspecto más importante de estos dispositivos.

Por lo que para futuros trabajos de investigación, se debe realizar una modelación con trincheras de

retención donde se consiga la saturación de éstas, luego se debe rehabilitar y ensayar nuevamente

para verificar la eficiencia del sistema de rehabilitación para luego hacer el presupuesto de

implementación y rehabilitación de estos sistemas y constatar las ventajas operativas y económicas

que pueden ofrecer las trincheras de retención.

Se recomienda hacer estudios con trincheras de retención donde se estudie el desempeño de éstas en

función de ciclo húmedo / seco: porque que tal vez la variabilidad de los resultados podría depender

de esto.

Se recomienda estudiar el desempeño hidráulico y ambiental y los aspectos de durabilidad en una

trinchera piloto real: porque si bien se intentó extrapolar los resultados y se tomó agua de

escorrentía real durante eventos de lluvia, es posible que los desempeños y los tiempos de

colmatación hallados no sean representativos del desempeño real.

Se recomienda estudiar desempeños y durabilidades para diferentes tipos de zonas urbanas (porque

acá se muestreó en única zona) y para diferentes ciudades de Colombia (porque acá fue sólo

Bogotá).

Se recomienda realizar replicas para otros SUDS: porque en el presente trabajo solo se experimentó

con trincheras de retención y es interesante producir resultados comparativos de otros sistemas de

SUDS ya que como se mencionó en capítulo 2 2., cada sistema tiene sus limitaciones.

44

Se recomienda realizar estudios desde el ´punto de vista físico – químico y bacteriológico (por

ejemplo creación de biopelículas) y no solo desde el punto de vista físico (llenado de vacíos) como

se realizó en el presenta estudio.

Se recomienda estudiar la atenuación hidráulica mirando el desbordamiento sobre la trinchera

(haciendo variar caudales de entrada) y no como se realizó en el presente trabajo donde se orientó a

la salida de la trinchera como respuesta a un único caudal.

Se recomienda realizar estudios del desempeño ambiental teniendo en cuenta la interacción entre

contaminantes y los procesos químicos (por ejemplo: ¿cómo influye un determinado valor de pH en

la saturación del dispositivo?) en el presente estudio solo se contempló contaminantes por aparte.

Se recomienda estudiar las diferentes configuraciones de trincheras en cuanto a la entrada

(distribuida / localizada), almacenamiento (no solo Aquacell) y salida (distribuida / localizada).

La capacidad hidráulica de la trinchera de retención es determinada por el material granular que la

conforma. Ésta, capacidad se ve limitada por la ocupación con ST de los poros que presenta el

material granular. Sin embargo éste fenómeno de saturación es también un indicador de eficiencia

de retención de ST, lo que indica que lo ideal es buscar que el período de saturación tenga un

tiempo similar al periodo de diseño de los proyectos de infraestructura para optimizar el proceso de

rehabilitación y mantenimiento se realice en conjunto con las vías y/o acueductos y alcantarillados.

Cuando se trate de implementar dispositivos de trincheras de retención, se debe tener en cuenta que

el material granular entre mejor gradado esté, tendrá mejor distribución y por tanto menos relación

de vacíos, por lo que se puede decir que el periodo de vida de la trinchera tendrá relación directa

con la carga de ST, luego si se estima la porosidad del material granular y la carga aproximada de

ST determinada zona, se puede estimar tiempo de vida útil de una trinchera de retención, asumiendo

que esta porosidad será ocupada por los ST que transporta el agua de escorrentía .

El modelo de trinchera estudiado sólo pudo analizarse en conjunto: no se puedo analizar el modelo

por capas como se esperaba, ya que al tratar de analizar por separado, se encontró que el geotextil

presentaba una cantidad de sedimentos que superaba el peso de los ST que se detectó en el agua de

escorrentía por medio de los ensayos de calidad del agua: por lo anterior se concluyó que el

geotextil fue sometido a material fino proveniente de la propia gravilla con la que se fabricó el

modelo.

En este trabajo de investigación se evidencio que las trincheras de retención logran reducciones de

contaminantes en las aguas de escorrentía con eficiencias hasta de 100 % en metales como Pb y Cu.

También se observan eficiencias elevadas de reducción de ST, SST y DQO, esto sumado a la

capacidad que tienen estos dispositivos de reducir el caudal pico de escorrentía ofrece beneficios

hidráulicos y ambientales. En este sentido se debe realizar un estudio económico y estimar la

reducción en costos de tratamiento de aguas residuales combinadas con agua de escorrentía para

incluir las trincheras de retención en los diseños de vías urbanas y alcantarillados.

El programa de ingeniería Maestría en Ingeniería Civil, requiere un espacio exclusivo para realizar

modelaciones con dispositivos Urbanos de Drenaje Sostenible, que permita experiencias con varios

años de duración paran generar registros de información que ofrezcan la posibilidad de generar

tendencias del comportamiento de dispositivos de Drenaje Urbano Sostenible en cuanto a su

desempeño hidráulico y ambiental, así como su durabilidad.

45

Se recomienda al grupo de Investigación Ciencia e Ingeniería del Agua y el Ambiente, crear grupos

que se dediquen a recolectar información bibliográfica y realizar experimentos con los sistemas

urbanos de drenaje sostenible que se puedan implementar en la ciudad de Bogotá para reducir los

problemas de inundación. Los resultados obtenidos deberían presentarse a las empresas e

instituciones que tengan la posibilidad de implementar estos dispositivos, dichas empresas o

instituciones podrían ser la EAAB, la Alcaldía Mayor de Bogotá, el IDU, entre otras.

Agradecimientos.

Los autores de este trabajo agradecen la colaboración del ingeniero Andrés Torres

director del trabajo, quien despertó el interés por el tema de investigación abordado, por

su orientación, aportes conceptuales y técnicas de investigación que llevaron a un

desarrollo sistemáticamente bien orientado. Agradecen al Laboratorio de Pruebas y

Ensayos de la Facultad de Ingeniería Civil de la Pontificia Universidad Javeriana bajo la

dirección del ingeniero Daniel Ruiz Valencia por el préstamo de espacios, equipos,

insumos, personal y disponibilidad de tiempos en laboratorio, requeridos para realización

del proyecto. Los autores agradecen a PAVCO. S. A., por la facilitar los materiales

totalmente indispensables para el desarrollo del experimento. Al ingeniero Santiago

Sandoval Arenas por su orientación en el desarrollo de herramientas computacionales y a

los laboratoristas del Laboratorio de Pruebas y Ensayos de la Facultad de Ingeniería de la

Pontificia Universidad Javeriana.

46

8. REFERENCIAS

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49

9. ANEXOS

ANEXO A. RESULTADOS HIDRÁULICOS

Datos de campo de prácticas 1 y 2 con agua potable

Tiempo

(s)

Qentrada

(L/s)

QSALIDA

(L/s)

Tiempo

(s)

Qentrada

(L/s)

QSALIDA

(L/s)

10 0 0 10 0 0

20 1.8 0 20 1.8 0

30 1.8 0.09 30 1.8 0.09

40 1.8 0.018 40 1.8 0.45

50 1.8 0.252 50 1.8 0.54

60 1.8 0.144 60 1.8 0.9

70 1.8 0.216 70 1.8 1.62

80 1.8 0.27 80 1.8 1.62

90 0 0.63 90 0 0.63

100 0.18 100 0.72

110 0.9 110 0.675

120 0.882 120 0.225

130 0.738 130 0.45

140 0.9 140 0.09

150 0.09 150 0.225

160 0.675 160 0.225

170 0.63 170 0.135

180 0.315 180 0.18

190 0.27 190 0.135

200 0.27 200 0.135

210 0.18 210 0.108

220 0.18 220 0.117

230 0.135 230 0.126

240 0.045 240 0.081

250 0.162 250 0.09

260 0.135 260 0.063

270 0.135 270 0.09

280 0.108 280 0.081

290 0.117 290 0.072

300 0.063 300 0.054

310 0.09 310 0.09

320 0.09 320 0.063

330 0.09 330 0.063

340 0.072 340 0.027

350 0.063 350 0.063

360 0.081 360 0.045

370 0.054 370 0.072

380 0.045 380 0.027

390 0.063 390 0.063

400 0.054 400 0.054

410 0.063 410 0.036

420 0.063 420 0.036

430 0.045 430 0.036

440 0.054 440 0.018

450 0.036 450 0.027

460 0.045 460 0.027

470 0.036 470 0.036

PRACTICA 1 PRACTICA 2

PRACTICAS CON AGUA POTABLE

50

Datos de campo de prácticas 1 a 4 con agua de escorrentía

Tiempo

(s)

Qentrada

(L/s)

QSALIDA

(L/s)

Tiempo

(s)

Qentrada

(L/s)

QSALIDA

(L/s)

Tiempo

(s)

Qentrada

(L/s)

QSALIDA

(L/s)

Tiempo

(s)

Qentrada

(L/s)

QSALIDA

(L/s)

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

10 2.137666 0 10 1.356975 0 10 1.386834 0 10 1.50951 0

20 2.137666 0.018 20 1.356975 0 20 1.386834 0 20 1.50951 0

30 2.137666 0.072648 30 1.356975 0.09 30 1.386834 0.126756 30 1.50951 0.09

40 2.137666 0.5454 40 1.356975 0.18 40 1.386834 0.199386 40 1.50951 0.18

50 2.137666 0.51408 50 1.356975 0.1818 50 1.386834 0.18162 50 1.50951 0.27162

60 2.137666 0.96408 60 1.356975 0.3636 60 1.386834 0.52722 60 1.50951 0.45315

70 2.137666 1.3905 70 1.356975 0.58752 70 1.386834 0.655128 70 1.50951 0.63504

80 0 1.2978 80 1.356975 0.70452 80 1.386834 0.673992 80 1.50951 0.926262

90 0.927 90 1.356975 0.8343 90 1.386834 0.84042 90 1.50951 0.345352

100 0.585 100 1.356975 1.1124 100 1.386834 1.18656 100 1.50951 0.272646

110 0.486 110 1.356975 1.0197 110 1.386834 0.927 110 0 0.45585

120 0.32076 120 0 0.54 120 0 0.83835 120 0.36468

130 0.3087 130 0.4851 130 0.7497 130 0.5508

140 0.225 140 0.6237 140 0.585 140 0.5562

150 0.2277 150 0.53055 150 0.54 150 0.3708

160 0.216 160 0.4752 160 0.351 160 0.27

170 0.1404 170 0.32319 170 0.3105 170 0.18

180 0.1755 180 0.275 180 0.27 180 0.18

190 0.1755 190 0.225 190 0.198 190 0.18

200 0.117 200 0.18 200 0.207 200 0.18

210 0.09 210 0.135 210 0.144 210 0.18

220 0.09 220 0.18 220 0.16587 220 0.09

230 0.09 230 0.09 230 0.13095 230 0.099

240 0.081 240 0.144 240 0.11349 240 0.16038

250 0.09 250 0.126 250 0.10584 250 0.07128

260 0.07128 260 0.16758 260 0.09702 260 0.11466

270 0.04455 270 0.03528 270 0.11466 270 0.0441

280 0.08019 280 0.07056 280 0.06237 280 0.0882

290 0.07128 290 0.07938 290 0.07128 290 0.07056

300 0.03528 300 0.07128 300 0.09801 300 0.06174

310 0.07056 310 0.01782 310 0.04455 310 0.0891

320 0.0441 320 0.0891 320 0.09 320 0.0648

330 0.06174 330 0.11583 330 0.036 330 0.054

340 0.06174 340 0.03564 340 0.054 340 0.0495

350 0.0441 350 0.063 350 0.099 350 0.11286

360 0.054 360 0.063 360 0.0297 360 0.07434

370 0.045 370 0.081 370 0.0693 370 0.0324

380 0.036 380 0.027 380 0.0693 380 0.05445

390 0.045 390 0.054 390 0.0396 390 0.0549

400 0.0594 400 0.036 400 0.0594 400 0.04428

410 0.0495 410 0.0729 410 0.0693 410 0.06804

420 0.0495 420 0.0531 420 0.0594 420 0.02304

430 0.0198 430 0.027 430 0.0297 430 0.08568

440 0.0099 440 0.036 440 0.0396 440 0.0702

450 0.0198 450 0.0396 450 0.0297 450 0.03537

460 0.0594 460 0.0198 460 0.0396 460 0.01188

470 0.0495 470 0.0594 470 0.0594 470 0.07182

480 0.0693 480 0.0396 480 0.0396 480 0.045

490 0.0099 490 0.0396 490 0.03726 490 0.063

500 0.0198 500 0.0396 500 0.03492 500 0.081

510 0.0297 510 0.0198 510 0.02646 510 0.027

520 0.0396 520 0.0297 520 0.01764 520 0.01782

530 0.0297 530 0.0297 530 0.00882 530 0.01782

540 0.0396 540 0.0396 540 0.02646 540 0.01764

550 0.0198 550 0.0297 550 0.02646 550 0.05292

560 0.0198 560 0.0198 560 0.02673 560 0.02619

570 0.0099 570 0.0198 570 0.018 570 0.01746

580 0.01287 580 0.0198 580 0.045 580 0.01746

590 0.00693 590 0.0099 590 0.027 590 0.01746

600 0.0297 600 0.018 600 0.036 600 0.01764

610 0.0396 610 0.027 610 0.0495 610 0.01764

620 0.0792 620 0.009 620 0.0198 620 0.01782

630 0.0297 630 0.027 630 0.0099 630 0.03564

640 0.0099 640 0.018 640 0.0495 640 0.018

650 0.0198 650 0.009 650 0.0198 650 0.01854

660 0.0198 660 0.018 660 0.0099 660 0.01872

670 0.0297 670 0.0018 670 0.0198 670 0.01926

680 0 680 0.0072 680 0.0396 680 0.02916

690 0.0198 690 0.0027 690 0.0297 690 0.01962

700 0 700 0.0063 700 0.0099 700 0.01962

710 0.0198 710 0.0045 710 0.0099 710 0.01962

720 0.0396 720 0.0045 720 0.0198 720 0.00981

730 0.0099 730 0.009 730 0.0099 730 0.0198

740 0.0198 740 0.0045 740 0.0198 740 0.0198

750 0.0099 750 0.0045 750 0.0297 750 0.0198

760 0.0198 760 0.009 760 0.0099 760 0.0099

770 0.0198 770 0.009 770 0.0099 770 0.0099

780 0.0198 780 0.018 780 0.0297 780 0.0198

790 0.0198 790 0.054

800 0.0099 800 0.036

810 0.0099 810 0.081

820 0.0099 820 0.063

830 0.0198 830 0.027

840 0.0297 840 0.027

850 0.0198 850 0.027

860 0.0099 860 0.027

870 0.0198 870 0.009

880 0.0099 880 0.009

890 0.0099 890 0.009

900 0.0099

PRACTICA 1 PRACTICA 2 PRACTICA 3 PRACTICA 4

PRIMERA TOMA DE AGUA DE ESCORRENTÍA

51

Datos de campo de prácticas 5 a 8 con agua de escorrentía

Tiempo

(s)

Qentrada

(L/s)

QSALIDA

(L/s)

Tiempo

(s)

Qentrada

(L/s)

QSALIDA

(L/s)

Tiempo

(s)

Qentrada

(L/s)

QSALIDA

(L/s)

Tiempo

(s)

Qentrada

(L/s)

QSALIDA

(L/s)

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

10 1.2 0 10 2 0 10 1.948052 0 10 1.5625 0

20 1.2 0 20 2 0 20 1.948052 0 20 1.5625 0.36

30 1.2 0 30 2 0.18 30 1.948052 0.09 30 1.5625 0.18

40 1.2 0.036 40 2 0.27 40 1.948052 0.27 40 1.5625 0.3636

50 1.2 0.144 50 2 0.63 50 1.948052 0.3636 50 1.5625 0.47736

60 1.2 0.14544 60 2 0.72 60 1.948052 0.93636 60 1.5625 0.80784

70 1.2 0.22032 70 2 1.44 70 1.948052 1.46466 70 1.5625 1.1016

80 1.2 0.3672 80 0 1.62 80 0 1.4832 80 1.5625 1.0098

90 1.2 0.5562 90 1.26 90 1.1871 90 1.5625 1.1934

100 1.2 0.7416 100 0.9 100 0.891 100 0 1.1313

110 1.2 0.927 110 0.405 110 1.08 110 1.0692

120 0 0.76014 120 0.405 120 0.585 120 0.9576

130 0.72306 130 0.18 130 0.369 130 0.6

140 0.927 140 0.27 140 0.288 140 0.459

150 0.9 150 0.18 150 0.342 150 0.261

160 0.54 160 0.15 160 0.3546 160 0.40095

170 0.1782 170 0.135 170 0.1782 170 0.24948

180 0.2646 180 0.135 180 0.135 180 0.189

190 0.3564 190 0.09 190 0.126 190 0.14976

200 0.1512 200 0.09 200 0.15264 200 0.20223

210 0.1287 210 0.09 210 0.0963 210 0.1485

220 0.234 220 0.09 220 0.14445 220 0.0594

230 0.1638 230 0.054 230 0.0963 230 0.1782

240 0.09 240 0.054 240 0.13734 240 0.099

250 0.09 250 0.072 250 0.099 250 0.0297

260 0.09 260 0.09 260 0.0981 260 0.0396

270 0.09 270 0.135 270 0.099 270 0.04

280 0.09 280 0.135 280 0.0495 280 0.045

290 0.0891 290 0.045 290 0.0495 290 0.099

300 0.07128 300 0.045 300 0.0792 300 0.05346

310 0.05346 310 0.045 310 0.0495 310 0.09801

320 0.07056 320 0.045 320 0.0693 320 0.028512

330 0.07056 330 0.045 330 0.0297 330 0.060588

340 0.07056 340 0.045 340 0.0693 340 0.0891

350 0.01782 350 0.045 350 0.0396 350 0.04455

360 0.0891 360 0.045 360 0.0594 360 0.05346

370 0.04455 370 0.0495 370 0.0297 370 0.01782

380 0.045 380 0.0135 380 0.0396 380 0.05346

390 0.045 390 0.0225 390 0.0693 390 0.06237

400 0.045 400 0.0225 400 0.0594 400 0.03564

410 0.0495 410 0.036 410 0.04 410 0.01782

420 0.0495 420 0.036 420 0.036 420 0.01782

430 0.0396 430 0.045 430 0.018 430 0.02673

440 0.0396 440 0.045 440 0.009 440 0.02673

450 0.0198 450 0.018 450 0.02673 450 0.05346

460 0.0792 460 0.027 460 0.02673 460 0.03564

470 0.0396 470 0.0225 470 0.02673 470 0.01782

480 0.0297 480 0.0225 480 0.009 480 0.000891

490 0.0297 490 0.0495 490 0.036 490 0.006237

500 0.0198 500 0.0135 500 0.027 500 0.007

510 0.0198 510 0.0297 510 0.02727 510 0.00891

520 0.0198 520 0.0297 520 0.02727 520 0.03564

530 0.0396 530 0.0297 530 0.03636 530 0.02673

540 0.0297 540 0.0198 540 0.02727 540 0.03564

550 0.0297 550 0.0198 550 0.01818 550 0.01782

560 0.0396 560 0.0396 560 0.01818 560 0.02673

570 0.0297 570 0.0396 570 0.01818 570 0.01782

580 0.0396 580 0.0198 580 0.006363 580 0.02673

590 0.0297 590 0.0198 590 0.013635 590 0.013365

600 0.0297 600 0.03465 600 0.016362 600 0.013365

610 0.0099 610 0.03465 610 0.02727 610 0.01782

620 0.0198 620 0.0099 620 0.04545 620 0.02673

630 0.0396 630 0.0099 630 0.02727 630 0.02673

640 0.0099 640 0.0297 640 0.03636 640 0.03564

650 0.0099 650 0.01485 650 0.02727 650 0.00891

660 0.0099 660 0.02475 660 0.01818 660 0.01782

670 0.0495 670 0.0297 670 0.014544

680 0.0198 680 0.1782 680 0.016362

690 0.0198 690 0.0693 690 0.010908

700 0.0198 700 0.0792 700 0.01818

710 0.0198 710 0.0594 710 0.014544

720 0.0099 720 0.0616 720 0.016362

730 0.07425 730 0.014544

740 0.016362

750 0.010908

760 0.01818

770 0.014544

780 0.016362

PRACTICA 1 PRACTICA 2 PRACTICA 3 PRACTICA 4

SEGUNDA TOMA DE AGUA DE ESCORRENTÍA

52

Coeficiente sugerido de escorrentía para diseños hidráulicos RAS 2000

COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA O IMPERMEABILIDAD.

Descripción Min Max C

Cubiertas 0.75 0.95 0.85

Pavimento asfáltico y superficie de concreto 0.70 0.95 0.82

Vías adoquinadas 0.70 0.85 0.78

Zona Comercial o Industrial 0.60 0.95 0.78

Residencial con casas contiguas, predominio de zonas duras 0.75 0.75 0.75

Residencial multifamiliar con bloques contiguos y zonas duras entre estos 0.6 0.75 0.67

Residencial unifamiliar con casas contiguas, predominio de jardines 0.40 0.60 0.50

Residencial con casas rodeadas de jardines o multifamiliar apreciablemente separados 0.45 0.45 0.45

Residencial con predominio de zonas verdes y parques-cementerios 0.3 0.3 0.3

Laderas desprotegidas de vegetación 0.6 0.6 0.6

Laderas protegidas de vegetación 0.3 0.3 0.3

Parques recreacionales 0.2 0.35 0.28

53

ANEXO B. ALGORITMOS DE CÁLCULO

Este anexo muestra el algoritmo utilizado para determinar la eficiencia ambiental y de

durabilidad modelo de trinchera de retención, este mismo algoritmo se utiliza para cada uno

de los parámetros de calidad, con la diferencia de que en ef1=c( Datos de eficiencia sacados

en Excel para cada parámetro de calidad).

EFICIENCIA PARA (Cu, Cd, Pb, Zn, ST, SST, ph, Turbidez, DQO)

Ce=read.table("Ce.txt",header=FALSE)

Cs=read.table("Cs.txt",header=FALSE)

E=Ce<-as.numeric(Ce)

S=Cs<-as.numeric(Cs)

boxplot(E,S)

t.test(E,S)

# eficiencia

ef1=c(-0.506578947368421,-0.46875,-0.322274881516588,-0.46875,-0.44,-

0.312765957446808,-0.322274881516588,-0.312765957446808,-0.218518518518518)

ef1=ef1*100

summary(ef1)

hist(ef1)

DURABILIDAD 20 cm

vol=read.table("vol.txt",header=FALSE)

for (i in 1:dim(vol)[1]) {

vol_acum=cumsum(vol[i:dim(vol)[1],1])

num_dias=min(which(vol_acum>=1.35))

if (i==1)

{mnum_dias=c(i,num_dias)}else{mnum_dias=rbind(mnum_dias,c(i,num_dias))}

}

mnum_dias=mnum_dias[-which(mnum_dias[,2]==Inf),]

write.csv(mnum_dias,"num_dias.csv",row.names=FALSE)

sh=shapiro.test(mnum_dias[1:5000,2])

Mef=mnum_dias[,2]

if (sh$p.value<0.05) {

ef_prom=median(Mef)

54

RIC=quantile(Mef,0.75)-quantile(Mef,0.25)

ef_inf=quantile(Mef,0.25)-1.5*RIC

ef_sup=quantile(Mef,0.75)+1.5*RIC

resultado=c("no_normal",ef_inf, ef_prom, ef_sup)}else{

ef_prom=mean(Mef)

de_ef=sd(Mef)

ef_inf=ef_prom-2*de_ef

ef_sup=ef_prom+2*de_ef

resultado=c("normal",ef_inf, ef_prom, ef_sup)

}

write.csv(resultado,"resultado.csv",row.names=FALSE)

wth=3*580

hth=wth

hth1=wth/2^(.5)

tiff(filename="histograma.tif", width = hth1, height = hth1, compression = "none",

pointsize = 10, bg = "transparent", res = 300)

par(mar=c(4.5,4.5,4.5,1))

hist(Mef,xlim=c(min(Mef),max(Mef)),xlab="no. días")

dev.off()

tiff(filename="dias.tif", width = wth, height = hth1, compression = "none", pointsize = 10,

bg = "transparent", res = 300)

par(mar=c(4.5,4,1,1))

plot(Mef,type="p",ylim=c(min(Mef),max(Mef)),ylab="días",xlab="día

inicial",cex=0.3,pch=20,col="blue")

dev.off()

Ce=read.table("Ce.txt",header=FALSE)

Cs=read.table("Cs.txt",header=FALSE)

x=c(1,2,3)

m=matrix(x,3,9)

m=t(m)

filas=c(1:9)

nsim=100 # num de simulaciones de MC

for (i in 1:nsim) {

jCe=sample(m,9)

jCs=sample(m,9)

fc=cbind(filas,jCe)

Cea=Ce[fc]

55

Csa=Cs[fc]

if (i==1) {

Mea=Cea*150/1000

Msa=Csa*150/1000}else{

Mea=rbind(Mea,Cea*150/1000)

Msa=rbind(Msa,Csa*150/1000)

}

}

sumMe=rowSums(Mea)

sumMs=rowSums(Msa)

Mret=sumMe-sumMs

densidad=runif(nsim,2200,2800) #modificar para vias

Vret=(Mret/1000)/densidad

porosidad=runif(nsim,0.15,0.45)

Vtotal=0.5*0.2*2

Vporos=Vtotal*porosidad

n_ensayos=Vporos/Vret # no. paquetes de 9 ensayos

for(i in 1:nsim) {

if (i==1) {Mdur=n_ensayos[i]*Mef}else{Mdur=c(Mdur,n_ensayos[i]*Mef)}

}

Mdur=Mdur/365

sh=shapiro.test(Mdur[1:5000])

if (sh$p.value<0.05) {

dur_prom=median(Mdur)

RIC=quantile(Mdur,0.75)-quantile(Mdur,0.25)

dur_inf=quantile(Mdur,0.25)-1.5*RIC

if (dur_inf<0) {dur_inf=min(Mdur)}

dur_sup=quantile(Mdur,0.75)+1.5*RIC

resultado=c("no_normal",dur_inf, dur_prom, dur_sup)}else{

dur_prom=mean(Mdur)

de_dur=sd(Mdur)

dur_inf=dur_prom-2*de_dur

if (dur_inf<0) {dur_inf=min(Mdur)}

dur_sup=dur_prom+2*de_dur

resultado=c("normal",dur_inf, dur_prom, dur_sup)

}

56

write.csv(resultado,"durabilidad.csv",row.names=FALSE)

tiff(filename="histograma_durabilidad.tif", width = hth1, height = hth1, compression =

"none", pointsize = 10, bg = "transparent", res = 300)

par(mar=c(4.5,4.5,4.5,1))

hist(Mdur,xlim=c(min(Mdur),max(Mdur)),xlab="durabilidad (años)")

dev.off()

tiff(filename="durabilidad (años).tif", width = wth, height = hth1, compression = "none",

pointsize = 10, bg = "transparent", res = 300)

par(mar=c(4.5,4,1,1))

plot(Mdur,type="p",ylim=c(min(Mdur),max(Mdur)),ylab="durabilidad

(años)",xlab="no.sim.",cex=0.1,pch=20,col="blue")

dev.off()

for (i in 1:max(Mdur)) {

proba=length(which(Mdur<i))/length(Mdur)

if (i==1) {matriz_proba=c(i,proba)}else{matriz_proba=rbind(matriz_proba,c(i,proba))}

}

tiff(filename="probabilidad_falla.tif", width = wth, height = hth1, compression = "none",

pointsize = 10, bg = "transparent", res = 300)

par(mar=c(4.5,4,1,1))

plot(matriz_proba[,1],100*matriz_proba[,2],type="l",xlab="años",ylab="probabilidad de

falla (%)")

dev.off()

DURABILIDAD 50 cm

vol=read.table("vol.txt",header=FALSE)

for (i in 1:dim(vol)[1]) {

vol_acum=cumsum(vol[i:dim(vol)[1],1])

num_dias=min(which(vol_acum>=1.35))

if (i==1)

{mnum_dias=c(i,num_dias)}else{mnum_dias=rbind(mnum_dias,c(i,num_dias))}

}

mnum_dias=mnum_dias[-which(mnum_dias[,2]==Inf),]

write.csv(mnum_dias,"num_dias.csv",row.names=FALSE)

sh=shapiro.test(mnum_dias[1:5000,2])

Mef=mnum_dias[,2]

if (sh$p.value<0.05) {

ef_prom=median(Mef)

57

RIC=quantile(Mef,0.75)-quantile(Mef,0.25)

ef_inf=quantile(Mef,0.25)-1.5*RIC

ef_sup=quantile(Mef,0.75)+1.5*RIC

resultado=c("no_normal",ef_inf, ef_prom, ef_sup)}else{

ef_prom=mean(Mef)

de_ef=sd(Mef)

ef_inf=ef_prom-2*de_ef

ef_sup=ef_prom+2*de_ef

resultado=c("normal",ef_inf, ef_prom, ef_sup)

}

write.csv(resultado,"resultado.csv",row.names=FALSE)

wth=3*580

hth=wth

hth1=wth/2^(.5)

tiff(filename="histograma.tif", width = hth1, height = hth1, compression = "none",

pointsize = 10, bg = "transparent", res = 300)

par(mar=c(4.5,4.5,4.5,1))

hist(Mef,xlim=c(min(Mef),max(Mef)),xlab="no. días")

dev.off()

tiff(filename="dias.tif", width = wth, height = hth1, compression = "none", pointsize = 10,

bg = "transparent", res = 300)

par(mar=c(4.5,4,1,1))

plot(Mef,type="p",ylim=c(min(Mef),max(Mef)),ylab="días",xlab="día

inicial",cex=0.3,pch=20,col="blue")

dev.off()

Ce=read.table("Ce.txt",header=FALSE)

Cs=read.table("Cs.txt",header=FALSE)

x=c(1,2,3)

m=matrix(x,3,9)

m=t(m)

filas=c(1:9)

nsim=100 # num de simulaciones de MC

for (i in 1:nsim) {

jCe=sample(m,9)

58

jCs=sample(m,9)

fc=cbind(filas,jCe)

Cea=Ce[fc]

Csa=Cs[fc]

if (i==1) {

Mea=Cea*150/1000

Msa=Csa*150/1000}else{

Mea=rbind(Mea,Cea*150/1000)

Msa=rbind(Msa,Csa*150/1000)

}

}

sumMe=rowSums(Mea)

sumMs=rowSums(Msa)

Mret=sumMe-sumMs

densidad=runif(nsim,2200,2800) #modificar para vias

Vret=(Mret/1000)/densidad

porosidad=runif(nsim,0.15,0.45)

Vtotal=0.5*0.5*2

Vporos=Vtotal*porosidad

n_ensayos=Vporos/Vret # no. paquetes de 9 ensayos

for(i in 1:nsim) {

if (i==1) {Mdur=n_ensayos[i]*Mef}else{Mdur=c(Mdur,n_ensayos[i]*Mef)}

}

Mdur=Mdur/365

sh=shapiro.test(Mdur[1:5000])

if (sh$p.value<0.05) {

dur_prom=median(Mdur)

RIC=quantile(Mdur,0.75)-quantile(Mdur,0.25)

dur_inf=quantile(Mdur,0.25)-1.5*RIC

if (dur_inf<0) {dur_inf=min(Mdur)}

dur_sup=quantile(Mdur,0.75)+1.5*RIC

resultado=c("no_normal",dur_inf, dur_prom, dur_sup)}else{

dur_prom=mean(Mdur)

de_dur=sd(Mdur)

dur_inf=dur_prom-2*de_dur

if (dur_inf<0) {dur_inf=min(Mdur)}

59

dur_sup=dur_prom+2*de_dur

resultado=c("normal",dur_inf, dur_prom, dur_sup)

}

write.csv(resultado,"durabilidad.csv",row.names=FALSE)

tiff(filename="histograma_durabilidad.tif", width = hth1, height = hth1, compression =

"none", pointsize = 10, bg = "transparent", res = 300)

par(mar=c(4.5,4.5,4.5,1))

hist(Mdur,xlim=c(min(Mdur),max(Mdur)),xlab="durabilidad (años)")

dev.off()

tiff(filename="durabilidad (años).tif", width = wth, height = hth1, compression = "none",

pointsize = 10, bg = "transparent", res = 300)

par(mar=c(4.5,4,1,1))

plot(Mdur,type="p",ylim=c(min(Mdur),max(Mdur)),ylab="durabilidad

(años)",xlab="no.sim.",cex=0.1,pch=20,col="blue")

dev.off()

for (i in 1:max(Mdur)) {

proba=length(which(Mdur<i))/length(Mdur)

if (i==1) {matriz_proba=c(i,proba)}else{matriz_proba=rbind(matriz_proba,c(i,proba))}

}

tiff(filename="probabilidad_falla.tif", width = wth, height = hth1, compression = "none",

pointsize = 10, bg = "transparent", res = 300)

par(mar=c(4.5,4,1,1))

plot(matriz_proba[,1],100*matriz_proba[,2],type="l",xlab="años",ylab="probabilidad de

falla (%)")

dev.off()

60

ANEXO C. RESULTADOS AMBIENTALES

Resultados de los parámetros de calidad de los ensayos de laboratorio por triplicado en la

entrada y salida del modelo de trinchera de retención.

CONCENTRACIÓN 1 2 3 1 2 3

0,0196 0,0096 0,0059 0,0070 0,0102 ND

0,0195 0,0358 0,0208 0,0026 0,2360 0,0028

0,0083 0,0229 0,0282 0,0021 0,0063 0,0071

0,0160 0,0102 0,0067 0,0032 0,0043 0,0059

0,0097 0,0094 0,0095 0,0000 0,0000 0,0000

0,0077 0,0225 0,0279 0,0000 0,0000 0,0000

0,0085 0,0058 0,0080 0,0000 0,0000 0,0000

0,0028 0,0060 0,0040 0,0000 0,0000 0,0000

0,0158 0,0112 0,0025 0,0000 0,0000 0,0000

0,1683 0,1753 0,1879 0,1427 0,1489 0,1566

0,2412 0,2470 0,2506 0,1880 0,1983 0,1947

0,2601 0,2111 0,2209 0,1523 0,1593 0,1365

0,1906 0,1858 0,1851 0,1687 0,1646 0,1689

0,0944 0,1279 0,1503 0,2147 0,2072 0,1958

0,2099 0,2096 0,2067 0,2104 0,1996 0,1986

0,1418 0,1241 0,1242 0,1870 0,1973 0,2091

0,1872 0,2007 0,2173 0,2550 0,2692 0,2470

0,2737 0,2178 0,2596 0,1917 0,2314 0,2398

0,0152 0,0200 0,0270 0,0229 0,0288 0,0329

0,0367 0,0421 0,0459 0,0140 0,0103 0,0104

0,0090 0,0129 0,0111 0,0135 0,0125 0,0119

0,0127 0,0139 0,0135 0,0000 0,0000 0,0000

0,0201 0,0216 0,0260 0,0658 0,0672 0,0635

0,4550 0,0675 0,0674 0,0438 0,0318 0,0247

0,0568 0,0450 0,0229 0,0246 0,0234 0,0240

0,0209 0,0265 0,0251 0,0317 0,0401 0,0478

0,0212 0,0236 0,0288 0,0648 0,0607 0,0525

0,0432 0,0387 0,0137 0,0199 0,0176 0,0103

0,0258 0,0390 0,0387 0,0032 0,0097 0,0121

0,0418 0,0152 0,0091 0,0000 0,0000 0,0000

0,0417 0,0289 0,0237 0,0000 0,0000 0,0000

0,0228 0,0217 0,0274 0,0000 0,0000 0,0000

0,0287 0,0254 0,0256 0,0000 0,0000 0,0000

0,0236 0,0267 0,0249 0,0000 0,0000 0,0000

0,0128 0,0105 0,0071 0,0000 0,0000 0,0000

0,0022 0,0087 0,0048 0,0000 0,0000 0,0000

ENTRADA SALIDA

Cobre(mg/l)

Zinc(mg/l)

Cadmio(mg/l)

Plomo(mg/l)

61

Resultados de los parámetros de calidad de los ensayos de laboratorio por triplicado en la

entrada y salida del modelo de trinchera de retención.

2,333,333 2,500,000 1,433,333 2,333,333 2,500,000 1,433,333

4,300,000 3,800,000 3,833,333 2,133,333 1,933,333 2,133,333

2,766,667 2,633,333 2,500,000 1,300,000 1,766,667 1,566,667

3,033,333 3,000,000 3,133,333 1,633,333 1,500,000 1,666,667

4,466,667 4,800,000 4,266,667 3,533,333 3,400,000 3,300,000

4,433,333 5,266,667 4,800,000 4,100,000 3,733,333 4,033,333

3,466,667 3,566,667 4,233,333 3,000,000 3,800,000 3,166,667

4,066,667 4,033,333 3,300,000 3,600,000 3,000,000 3,833,333

4,366,667 5,400,000 4,895,000 3,266,667 3,200,000 3,245,000

2,840,000 3,320,000 3,220,000 2,040,000 2,620,000 2,660,000

4,640,000 5,200,000 5,020,000 2,180,000 2,360,000 2,580,000

312.400 3,820,000 3,400,000 1,940,000 2,720,000 2,580,000

3,420,000 3,660,000 3,640,000 1,680,000 2,620,000 2,460,000

6,820,000 6,400,000 6,400,000 4,880,000 5,320,000 5,080,000

6,320,000 6,400,000 6,000,000 5,800,000 6,100,000 6,560,000

4,780,000 4,860,000 4,940,000 5,140,000 5,260,000 5,300,000

5,040,000 5,060,000 5,200,000 5,640,000 5,160,000 5,400,000

7,960,000 8,980,000 7,840,000 5,720,000 5,020,000 5,080,000

1,033,333 1,000,000 1,033,333 666,667 666,667 600,000

1,033,333 1,133,333 1,033,333 566,667 500,000 433,333

766,667 733,333 800,000 500,000 466,667 500,000

533,333 400,000 566,667 400,000 366,667 733,333

2,066,667 2,166,667 2,066,667 1,333,333 1,300,000 1,233,333

1,800,000 1,900,000 1,800,000 1,666,667 1,533,333 1,466,667

1,933,333 1,666,667 1,766,667 1,800,000 2,100,000 1,566,667

2,066,667 1,766,667 2,533,333 1,366,667 1,633,333 1,333,333

1,766,667 1,833,333 1,800,000 1,400,000 1,333,333 1,200,000

1,610,000 1,650,000 1,660,000 1,570,000 1,570,000 1,590,000

1,670,000 1,670,000 1,680,000 1,420,000 1,450,000 1,430,000

1,380,000 1,420,000 1,430,000 1,250,000 1,240,000 1,260,000

1,690,000 1,700,000 1,680,000 1,460,000 1,430,000 1,440,000

4,050,000 4,020,000 4,050,000 3,680,000 3,690,000 3,680,000

3,940,000 3,900,000 3,930,000 3,850,000 4,010,000 3,660,000

3,480,000 3,530,000 3,550,000 3,680,000 3,450,000 3,510,000

3,640,000 3,670,000 3,630,000 3,710,000 3,680,000 3,700,000

3,820,000 3,810,000 3,820,000 3,460,000 3,530,000 3,410,000

72,900 73,000 72,900 67,900 67,700 67,600

72,600 72,300 72,500 67,300 67,100 67,500

70,100 70,400 70,400 65,600 65,400 65,700

61,500 61,300 61,800 66,600 66,400 66,600

65,100 65,400 66,200 67,400 67,100 67,700

66,200 66,300 66,700 64,400 63,300 63,600

64,400 64,400 63,200 62,500 62,500 62,400

63,600 63,600 64,600 56,300 56,500 56,500

66,400 62,100 62,100 63,600 62,100 62,100

SST(mg/l)

ST(mg/l)

DQO(mg/l)

TURBIDEZ (NTU)

Ph

62

Eficiencias de cadmio (Cd), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia

realizados sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de

noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

63

Eficiencias de cadmio (Cd), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia

realizados sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de

noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

64

Eficiencias de cadmio (Cd), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia

realizados sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de

noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

Eficiencias de Cobre (Cu), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia

realizados sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de

noviembre 2011 y 26 de enero de 2012. .

65

Eficiencias de Cobre (Cu), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia realizados

sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de noviembre

2011 y 26 de enero de 2012. .

66

Gráfica 16. Eficiencias de Cobre (Cu), (en masa) para los nueve (9) eventos de

lluvia realizados sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21

de noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

67

Eficiencias de Plomo (Pb), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia realizados sobre

el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de noviembre 2011 y 26 de enero

de 2012.

68

Eficiencias de Plomo (Pb), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia realizados sobre

el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de noviembre 2011 y 26 de enero

de 2012.

69

Eficiencias de Plomo (Pb), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia

realizados sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de

noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

Eficiencias de Zinc (Zn), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia realizados

sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de noviembre

2011 y 26 de enero de 2012.

70

Eficiencias de Zinc (Zn), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia realizados

sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de noviembre

2011 y 26 de enero de 2012.

71

Eficiencias de Zinc (Zn), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia realizados

sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de noviembre

2011 y 26 de enero de 2012.

72

Eficiencias de Demanda Química de Oxigeno (DQO), (en masa) para los nueve (9)

eventos de lluvia realizados sobre el modelo de trinchera de retención con

muestras de 21 de noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

73

Eficiencias de Demanda Química de Oxigeno (DQO), (en masa) para los nueve (9)

eventos de lluvia realizados sobre el modelo de trinchera de retención con

muestras de 21 de noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

74

Eficiencias de Demanda Química de Oxigeno (DQO), (en masa) para los nueve (9)

eventos de lluvia realizados sobre el modelo de trinchera de retención con

muestras de 21 de noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

Eficiencias de Turbidez, para los nueve (9) eventos de lluvia realizados sobre el

modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de noviembre 2011 y 26 de

enero de 2012.

75

Eficiencias de Turbidez, para los nueve (9) eventos de lluvia realizados sobre el

modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de noviembre 2011 y 26 de

enero de 2012

76

Eficiencias de Turbidez, para los nueve (9) eventos de lluvia realizados sobre el

modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de noviembre 2011 y 26 de

enero de 2012

77

Eficiencias de Turbidez, para los nueve (9) eventos de lluvia realizados sobre el

modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de noviembre 2011 y 26 de

enero de 2012

Eficiencias de Solidos totales (St), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia

realizados sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de

noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

78

Eficiencias de Solidos totales (St), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia

realizados sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de

noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

79

Eficiencias de Solidos totales (St), (en masa) para los nueve (9) eventos de lluvia

realizados sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de

noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

80

Eficiencias de solidos suspendidos totales (sst), (en masa) para los nueve (9)

eventos de lluvia realizados sobre el modelo de trinchera de retención con

muestras de 21 de noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

81

Eficiencias de solidos suspendidos totales (sst), (en masa) para los nueve (9)

eventos de lluvia realizados sobre el modelo de trinchera de retención con

muestras de 21 de noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

82

Eficiencias de solidos suspendidos totales (sst), (en masa) para los nueve (9)

eventos de lluvia realizados sobre el modelo de trinchera de retención con

muestras de 21 de noviembre 2011 y 26 de enero de 2012.

Eficiencias de potencial de hidrogeno (pH), para los nueve (9) eventos de lluvia

realizados sobre el modelo de trinchera de retención con muestras de 21 de

noviembre 2011 y 26 de enero de 2012

83

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Esquema de los sistemas de trincheras de retención e infiltración en paralelo utilizados en

Proton y Chocat 2007, para modelación de años de lluvia al paso por estos dispositivos. ________________ 3

Figura 2. Trincheras de retención e infiltración de izquierda y derecha respectivamente, usadas para ser

modeladas con agua de escorrentía (Silva et al., 2009). __________________________________________ 4

Figura 3. Modelo de trinchera de retención (Santa y Quintero, 2010). _____________________________ 6

Figura 4. Hidrogramas de entrada y salida resultado de modelación realizada en el Laboratorio de Pruebas

y Ensayos de Ingeniería Civil de la Pontifica Universidad Javeriana (Santa y Quintero, 2010). ____________ 7

Figura 5. Implementación de canastilla tipo AQUACELL como estanques para agua de escorrentía. Tomado

de Manejo inteligente del agua lluvia – AQUACELL. Manual pavco. S.A 2011. _________________________ 9

Figura 6. Construcción de estanque de almacenamiento subterráneo con canastillas de polipropileno tipo

Aquacell. Tomado de MANEJO INTELIGENTE DEL AGUA LLUVIA – AQUACELL. Manual pavco. S.A. 2011. ___ 9

Figura 7. Hidrograma de escorrentía (Chow, 1994) ___________________________________________ 18

Figura 8. Ilustración de la distancia que representa el parámetro K (lag time) (Torres Abello 2006). ___ 18

Figura 9. Recipiente en acrílico con subdivisiones para recibir el agua a la salida de la trinchera y realizar

mediciones para estimar caudales por el método de aforo volumétrico. ____________________________ 23

Figura 10. Estructura definitiva de la trinchera de retención para el presente trabajo, en esta grafica se

observa las capas de grava separadas por el geotextil los vigas en madrea para soporte el tanque de

recepción de agua a la salida de la trinchera de retención. _______________________________________ 23

Figura 11. Curvas IDF de la zona de la donde se tomó la muestra de agua de escorrentía en la cuidad de

Bogotá, carrera 7 con calle 45. _____________________________________________________________ 26

Figura 12. Sitio de recolección de muestra. Recuperado de Google Earth el 20/2/2010 15:35 ________ 26

Figura 13. Sistema final de suministro de agua de escorrentía a la trinchera de retención __________ 28

Figura 14. Hidrogramas de entrada y salida de la trinchera de retención, la figura de la izquierda

muestra los hidrogramas de entrada y salida para la prueba que se realizó el 19/10/2011 a las 15:00 y la

figura de la derecha muestra los hidrogramas de entrada y salida de la prueba realizada 45 min después,

ensayada con agua potable. _______________________________________________________________ 32

Figura 15. Hidrogramas de entrada y salida de la trinchera de retención, la primera prueba se encuentra

en la parte superior izquierda la segunda prueba en la parte superior derecha, la tercera prueba en la parte

inferior izquierda y la cuarta en la parte inferior derecha, resultados de las cuatro pruebas realizadas con el

agua de escorrentía recolectada el 9 de octubre de 2011 y ensayadas el 11 de octubre de 2011. ________ 33

Figura 16. Hidrogramas de entrada y salida de la trinchera de retención con agua de escorrentía

recogida el día 25 de enero de 2012 y ensayada el día 27 de enero de 2012.El lapso de tiempo entre ensayos

fue de 45 minutos. La primera prueba se encuentra en la parte superior izquierda, la segunda prueba en la

parte superior derecha, la tercera prueba en la parte inferior izquierda y la cuarta en la parte inferior

derecha. 35

Figura 17. Valores de durabilidad (en años) y probabilidad de falla de la capa superior de 20 cm de grava

de la trinchera de retención ensayada para 1000 simulaciones de Montecarlo realizadas con base en las

eficiencias de retención de Sólidos Totales observadas en laboratorio (para nueve pruebas) y los registros

pluviométricos de la estación Mateo (Bogata D.C) entre 1974 y 2006. _____________________________ 39

Figura 18. Valores de durabilidad (en años) y probabilidad de falla de la capa superior de 50 cm de grava

de la trinchera de retención ensayada para 1000 simulaciones de Montecarlo realizadas con base en las

84

eficiencias de retención de Sólidos Totales observadas en laboratorio (para las nueve pruebas) y los registros

pluviométricos de la estación Mateo (Bogotá D.C.) entre 1974 y 2006. _____________________________ 40

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Reducción de SST en una trinchera de retención (Silva et al., 2009). _______________________ 4

Tabla 2. Porcentajes de reducción de metales Silva et al., 200). (CONAMA: Órgano consultor y deliberador

del Sistema Nacional del Medio Ambiente). ____________________________________________________ 5

Tabla 3. Resultados hidráulicos de la trinchera de retención, comparando las diferencias de caudales pico

en la entrada y a la salida del dispositivo (Silva et al., 2009). ______________________________________ 5

Tabla 4. Resumen de parámetros n, K y C, obtenidos por medio de regresión y/o iteraciones para cada

uno de los tres tipos de material utilizados en el la trinchera de retención modelada (Santa y Quintero, 2010).

8

Tabla 5. Descripción de los tipos de SUDS más implementados. ________________________________ 14

Tabla 6. Parámetros de Intensidad- Duración – Frecuencia (Estudio para el Análisis y Caracterización de

Tormentas en la Sabana de Bogotá 1995). ____________________________________________________ 25

Tabla 7. Resultados intensidades lluvias por periodo de retorno (mm/h) característico del sitio de

muestreo. En la tabla 7 se resumen los resultados de caudales y volúmenes calculados para 1 min y 15 min

(Q10, V10, Q15 V15) _____________________________________________________________________ 25

Tabla 8. Caracterización de la grava utilizada en el modelo de trinchera. _________________________ 25

Tabla 9. Resumen de parámetros hidrológicos e hidráulicos de cada práctica el 9 de noviembre de 2011.

34

Tabla 10. Resumen de parámetros hidrológicos e hidráulicos de cada práctica el 25 de enero 2012. _ 36

Tabla 11. Resultados del análisis de eficiencia de la trinchera de retención de masa de contaminantes.37

Tabla 12. Resultados del análisis de eficiencia de la trinchera de retención en la disminución o aumento

de las unidades de Turbidez y Ph ___________________________________________________________ 37

Tabla 13. Comparación de resultados de parámetros de calidad de otros autores. ________________ 38