hidrologia urbana

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUHA

FACULTAD DE INGENIERÍA

Puntualizar los conceptos básicos involucrados con los sistemas de drenaje en las zonas urbanas, destacando estructuras hidráulicas, modificaciones en el proceso lluvia-escurrimiento y métodos que permiten controlar las inundaciones.

GUADALUPE ESTRADA GUTIÉRREZ

Interrelación entre los componentes hídricos principales del ciclo hidrológico urbano.

En el ciclo hidrológico urbano existen dos fuentes principales de agua que interactúan: el abastecimiento de agua potable municipal y la precipitación. En la mayoria de las poblaciones es frecuente que el agua municipal sea importada de fuentes externas a la zona urbana e incluso de otra cuenca hidrológicas; esta agua es llevada directamente a la zona urbana para su consumo, ocurriendo pérdidas en el proceso desde la conducción hasta el abastecimiento. Las pérdidas alimentan las aguas subterráneas, el resto es utilizado por la población y convertido en aguas residuales municipales, las cuales finalmente retornarán a las aguas superficiales

Interrelación entre los componentes hídricos principales del ciclo hidrológico urbano

Fuente: Introducción a la hidrología urbana, Campos Aranda, D.F. GUADALUPE ESTRADA GUTIÉRREZ

Exponer características de los tres elementos básicos que integran un sistema de drenaje en zonas urbanas, donde: Un sistema de drenaje urbano se considera como la integración de los tres elementos básicos siguientes:

Zona natural de captación

Zona de captación adyacente a los

colectores

Red de colectores


1.  Área hidráulica constituida por el río principal y una serie de afluentes que descargan al mismo.


Continuación 1.1.1 Zona natural de captación 2. El drenaje de la precipitación se realiza a través de la topografía natural del terreno y puede presentar cualesquiera de las siguientes características:

* Son áreas que no han experimentado desarrollo alguno.

* Pueden ser regiones boscosas de vegetación abundante, que no permiten altas velocidades en el escurrimiento, originando infiltraciones fuertes y aumentando los tiempos de retraso en el escurrimiento.

* O bien pueden ser zonas altas de las cuencas donde el terreno no está protegido con vegetación alguna, ocasionando que los tiempos de concentración sean cortos y los coeficientes de escurrimientos altos.

3. En esta zona, se presentan variaciones en los escurrimientos y en sus respectivos coeficientes, debido fundamentalmente al tipo de vegetación, al uso del suelo que predomina en la cuenca de estudio, a su pendiente y en general a las características fisiográficas de la misma.


1. Zona más o menos urbanizada en la que el agua precipitada escurre sobre tramos relativamente cortos, llevándola hacia colectores construidos exprofeso para drenarla. 2. Al analizarla puede tratarse como las zonas naturales, teniendo en cuenta que la presencia de una mayor urbanización reduce la infiltración y el tiempo de concentración, aumentando por otra parte el coeficiente de escurrimiento. 3. Son áreas modificadas por la acción del hombre, pudiéndose citar los casos generales siguientes: • Áreas dedicadas a la agricultura, expuestas al flujo rápido y por lo tanto a erosiones considerables • Zonas pequeñas, semi-urbanizadas, sin drenaje pluvial y cuya urbanización tiene diferentes grados. • Áreas totalmente urbanizadas con grandes extensiones pavimentadas, predominando las zonas residenciales, comerciales, de jardines, estacionamientos y un elevado número de vías de comunicación.


1.  Consiste de una serie de elementos cuya geometría esta bien definida y en el caso de los drenajes urbanos puede constituir una parte muy importante del drenaje general.

2. Este elemento está integrado por un conjunto de

canales y tuberías, conectados entre sí formando una red, cuyo objetivo es conducir el agua a zonas en las que no cause problemas.

3. En las grandes urbes, esta red se construye tanto

superficial como subterráneamente. En general, en las grandes ciudades el drenaje urbano es muy complejo.


Señalar las tendencias y problemas que han surgido en el drenaje de zonas urbanas, principalmente cuando no se sigue un plan director urbano que incluya el drenaje pluvial a la par o independiente del drenaje sanitario.


Fuente: IMPLAN, 2008 GUADALUPE ESTRADA GUTIÉRREZ

Tipos de información. Existen cuatro tipos de información: la física, la de desarrrollo, la política y la financiera requerida para el diseño de un sistema de drenaje pluvial urbano.

a) Información Física. Incluye: • Topografía, condiciones de la superficie, detalles de pavimentos que serán removidos durante la construcción del sistema menor, planos de redes subterráneas existentes de luz, gas, teléfonos, agua corriente, etc. Condiciones del subsuelo y presencia del nivel freático.

• Detalle del sistema de drenaje existente (si existe), al cual el sistema nuevo se conectará.

• Información relativa a una posible extensión futura y posibilidad de acuerdos con localidades vecinas.

• Localización de avenidas, calles, callejones, paseos, parques donde se debe obtener permisos de paso.

b) Desarrollo. Dentro de esta se encuentran: • Tendencias de crecimiento de la población y densidad en el área a ser servida. • Tipo de desarrollo. Uso del suelo: residencial, características de las áreas residenciales (ej. colonias de casas contiguas unifamiliares, barrios de condominios multifamiliares, parques) áreas comerciales e industriales. • Posible presencia de aguas provenientes de industrias (calidad y cantidad). • Datos meteorológicos de precipitaciones, información disponible y estudios realizados (tormentas de proyecto). • Datos históricos del comportamiento del sistema existente (si existe) ante eventos de diferente magnitud. • Dependencias locales de planeamiento y zonificación urbana. • Localización futuros proyectos: caminos, autopistas, aeropuertos, estadios deportivos, clubes, etc. que puedan interferir y afectar el sistema. • Capacidad y condición de mantenimiento del sistema existente. • Cualquier otra información que se considere pertinente.

c) Política: • División política del área a ser servida.

• Posibles acuerdos municipales.

• Existencia de regulaciones y ordenanzas.

• Posible creación de un organismo interjuridiccional si fuera necesario

d) Financiera: • Información relativa a posibles fuentes de financiación (disponibilidad de financiamiento, federal, estatal o municipal).

• Todos los datos necesarios para lograr un sistema de posible realización y sustentable en el tiempo. GUADALUPE ESTRADA GUTIÉRREZ

Los sistemas de drenaje han cambiado de zanjas primitivas a complejas redes de alcantarillas y conductos superficiales y subterráneos. v La consecuencia más importante de la urbanización es la

modificación drástica de las condiciones naturales, que gobiernan el movimiento, la distribución y la calidad del agua. En general la urbanización intensifica y acelera el proceso lluvia-escurrimiento.

v La urbanización convierte en impermeables áreas que eran permeables y hace que se incremente la porción de lluvia que se convierte en escurrimiento superficial, es decir incrementa el coeficiente de escurrimiento.


v  Además, la aceleración producida en el proceso lluvia-escurrimiento, debida a la sustitución del suelo natural por superficies menos rugosas y mejor alineadas, hace que se produzca una disminución del tiempo de ocurrencia de las avenidas y por lo tanto, un incremento en el gasto máximo de las mismas.

v  Otros efectos de la urbanización, que siendo indirectas son muy

importantes, son las invasiones de los cauces naturales y sus planicies de inundación y la deforestación de las cuencas aportadoras.


Fuente: http://aquafluxus.com.br GUADALUPE ESTRADA GUTIÉRREZ

Hidrograma de área urbanizada

Hidrograma de área no urbanizada

Volumen escurrido

Caudal


Pronóstico del crecimiento urbano de la ciudad de Chihuahua para el año 2020

Mancha urbana de la ciudad de Chihuahua en el año 1975

1975. Superficie cubierta 5,054Ha

Fuente: IMPLAN, 2008

2020. Superficie cubierta pronosticada 29,784Ha


El control de inundaciones, es un elemento de importancia en el análisis de los sistemas de drenaje y puede realizarse por alguno o combinando cualesquiera de los métodos descritos a continuación. •  Métodos para regular avenidas. Consisten en construir,

presas en los cauces más importantes que aportan grandes volúmenes hacia las zonas urbanizadas, o bordos perimetrales cuyo fin es formar vasos en las zonas planas hacia las cuales puedan derivarse las avenidas. Otras alternativas podrían ser la construcción de presones escalonados los cuales además retardar el flujo funcionan como desarenadores, o bien, controlar el uso del suelo mediante la reforestaci6n de la cuenca, creación de áreas verdes, etc.


Presas de Control de avenidas (Rompe picos)


PRESAS ROMPE-PICOS El objetivo de este tipo de estructura es regular las avenidas que se generen a lo largo del cauce sobre el que están construidas. Normalmente, se emplean en corrientes pequeñas y su principal característica es la poca altura de su cortina y, c o n s e c u e n t e m e n t e , s u r e d u c i d a c a p a c i d a d d e almacenamiento. De acuerdo con las características antes mencionadas, la ventaja mas clara estriba en los costos relativamente bajos, haciendo factible la proyección de sistemas en cascada (cuando la capacidad de regulación necesaria sea relativamente grande y se advierta la necesidad de construir dos o mas presas, o bien, cuando la topografía de la zona en cuestión sea demasiado plana y sea inevitable utilizar varias estructuras); sin embargo, el control de la crecida se lleva a cabo reteniendo por corto tiempo los volúmenes embalsados sin posibilitar el aprovechamiento de los mismos, siendo éste quizá su mayor inconveniente


PRESAS ROMPE-PICOS

GUADALUPE ESTRADA GUTIÉRREZ HUMBERTO SILVA HIDALGO

Bordos. La tendencia natural es crear asentamiento cerca de corrientes naturales, por lo que la soluci6n mas común para proteger dichos centros de población consiste en rodearlos parcial o totalmente con bordos, dependiendo de la topografía local, la ventaja consiste en que es la solución mas económica además de no alterar el nivel de los escurrimientos.

Arreglo general de Bordos perimetrales

(Maza, 1997)


Alternativa para drenar áreas protegidas con bordos (Maza, 1997)


Consideraciones de diseño para bordos

* La altura del bordo se define con base en los niveles máximos registrados, a esa cota máxima se agrega un bordo libre de 1.00 a 2.00 m, esto dependerá fundamentalmente de la confianza que se tenga en los datos, en caso de existir alguna estación de aforo, se trabajara con la información que de ella se tenga.


En la selección de su altura está en función de un análisis económico. Una vez definido el trazo inicial deberá obtenerse la elevación del agua antes y después de construir las obras, de acuerdo con las variantes siguientes: a) En condiciones naturales (sin bordos) b) Con bordo en una sola margen c) Con bordos en ambas márgenes Una vez definida la elevación máxima alcanzada por el agua, para obtener la altura de diseño de los bordos, se utiliza la siguiente expresión:



* El ancho de la corona deberá permitir el transito de un vehículo, lo que implica proporcionar un ancho mínimo de corona de 3.00 m.

* Debido a que el bordo es una frontera entre el poblado y el rio, el agua de lluvia que caiga dentro de la zona confinada deberá ser drenada



Principales fallas de bordos

Fuente: Maza y Franco, 1993

Periodos de retorno (Tr) para avenidas de diseño en diferentes obras de protección (SEMARNAT, 2011)


• Métodos que permiten conducir y desalojar las avenidas de manera eficiente. Con esto se pretende disminuir el tirante necesario para conducir un gasto dado y confinar el escurrimiento en un cauce definido. La limpieza, desazolve y alineamiento de los cauces, el dragado para aumentar su pendiente, la construcción de bordes y, en general, la construcción de la red de drenaje, son medidas utilizadas en estos métodos.

• Métodos cuyo fin es disminuir el monto de los daños

provocados por las avenidas. Debido a que los métodos anteriores implican grandes inversiones, se han de desarrollado medidas cuyo objetivo es provocar que las inundaciones ocurran en sitios en los que los daños causados sean mínimos.


Objetivo: Describir las variables y características relevantes que intervienen para determinar tormentas pluviales de diseño, a partir de los tres criterios de uso más común en la Hidrología Urbana

2.1.1 Tipos de tormentas Las tormentas pluviales se clasifican a partir del tipo de información que se utiliza y del área que abarca y en general existen tres tipos diferentes: Puntual, Tormenta asociada a áreas de diferente tamaño y tormenta regional


* Puntual. Es la que se presenta en un punto y para definirla se utiliza la información que se registra en una estación de medición, determinando las curvas intensidad-duración-periodo de retorno.(i-d-Tr).


* Se utilizan los datos puntuales de altura de precipitación o intensidades máximas de lluvia registradas en una estación

* Son válidas para áreas cuya extensión este definida por la zona de influencia de la estación de aforo o bien para superficies que no excedan los 25 km2.

* Métodos más comunes para definir su magnitud: análisis independiente a partir de funciones de distribución de probabilidad (intensidad, periodo de retorno); o análisis simultáneo de las tres variables a través de una regresión múltiple (intensidad, duración y periodo de retorno).

Tormentas puntuales


Análisis simultáneo para tormentas puntuales * Se realiza un ajuste simultáneo de las tres variables (i-

d-Tr) por medio de una regresión múltiple. * El objetivo es calcular el valor de la intensidad

máxima de lluvia (i) en función de su duración (d) y del periodo de retorno (Tr) * El método más común esta representado por la función

matemática del tipo siguiente: i = (kTr

m)/dn

* donde i es el valor de la intensidad máxima de lluvia, en mm/h; Tr es el periodo de retorno, en años; d es la duración de la lluvia, en minutos; y k, m y n son los parámetros que se determinan al ajustar la ecuación a los datos registrados.


* Para evaluar los parámetros k, m y n, se transforma la ecuación a una forma lineal tomando logaritmos. Se obtiene la expresión siguiente:

Logi =Logk + mLogTr –nLogd O bien

Y = a0 + a1X1 + a2X2

Donde Y = Logi

A0 = Logk X1 = Log Tr

A1 = m X2 = Log d

A2 = -n


Para calcular los parámetros A0, A1 y A2

se utiliza el sistema de ecuaciones siguiente:


* Tormenta asociada a áreas de diferente tamaño Este tipo de tormenta se determina con el análisis de las precipitaciones que se registran en forma simultánea en varias estaciones, definiendo las curvas altura de precipitación- área-duración (hp-A-d).


* Tormenta regional

Para estimarla se debe recopilar la información general disponible en la cuenca de estudio y se aplica un proceso de regionalización, el cual equivale a obtener fórmulas o procedimientos factibles de aplicarse a toda una región hidrológica.


• Magnitud. Se analiza con los valores de las alturas de precipitación máxima (hp, mm) o de las intensidades máximas de lluvia (i, mm/h). • Duración. Es función del intervalo de tiempo utilizado para registrar la precipitación. Lluvias de corta duración oscilan (d ≤ 2 h), lluvias de larga duración (4 h ≤ d ≤ 24 h). • Frecuencia o probabilidad de ocurrencia. Permite estimar la magnitud de la tormenta de diseño correspondiente a una probabilidad dada. En la Hidrología se utiliza el periodo de retorno (Tr, años). • Factor de reducción por área (FRA). Se reducen los valores de precipitación puntual máxima, datos que se utilizan para regionalizar las lluvias máximas, a valores medios asociados con áreas de diferentes porciones. • Distribución temporal. Se transforma el valor de la tormenta pluvial asociada a la duración total, en un hietograma el cual se define como un histograma cuyas barras indican la variación de la altura de precipitación asociada a la duración de la tormenta analizada.


Estudios hidrológicos

1. Acopio de información. Paro el diseño de cualquier estructura hidráulica de protección se requiere de información fisiográfica e hidrológica.

*  Datos hidrológicos. Lluvia, escurrimiento, Temperatura, etc. La serie de máximos anuales (lluvia o caudal), se utiliza cuando el diseño debe estar regido por las condiciones mas desfavorables.

*  Datos fisiográficos. Área, tipo de terreno, cobertura vegetal, pendiente, topografía, geología, pendiente y longitud del cauce principal.


Selección del criterio a seguir 2.Periodo de retorno. El periodo de retorno con el cual debe

calcularse la avenida de diseño para una estructura se selecciona en función al tipo de zona a proteger.

3. Pasos a seguir para definir una avenida de diseño: *  Se calcula la duración de la tormenta de diseño que,

generalmente, se hace igual al tiempo de concentración

*  Al considerar las características de la zona por proteger y con el tipo de obra se selecciona un periodo de retorno.

*  Se calcula la lluvia de diseño en función de la duración y periodo de retorno (curvas I-D-Tr).

*  Se calcula la lluvia en exceso

*  Se selecciona un hidrograma unitario sintético

*  Se obtiene el hidrograma de escurrimiento directo


Métodos empíricos Fórmula racional Casi todos los métodos empíricos se derivan del método racional, el cual aparece citado en la literatura americana en 1889 por Kuichling, pero otros autores dicen que los principios básicos de este método están explícitos en el trabajo desarrollado por Mulvaney en Irlanda en 1851. Se expresa con la ecuación:

Q = 0.278 Ci A donde: • Q = gasto pico, en m3/s (depende del tipo y uso de suelo) • C = coeficiente de escurrimiento, adimensional • i = intensidad de diseño, para una duración generalmente igual al tiempo de concentración, mm/h (curvas I-D-Tr) • A = área de la cuenca, en km2


donde:

tc = tiempo de concentración.

tcs = tiempo de concentración sobre la superficie (fórmula de Kirpich)

tt = tiempo de traslado a través de los colectores

tcsc ttt +=

21321 SRn

V =

Vltt =

Donde: R = Radio hidráulico, m S = Pendiente, adimensional n = coeficiente de rugosidad, s/m1/3

l = longitud del cauce, m V = Velocidad media del flujo, m/s (Manning)


Coeficiente de escurrimiento C


•  Hidrograma Unitario Triangular (HUT) En este procedimiento se requiere conocer las características fisiográficas de la cuenca. Se ha desarrollado para cuencas pequeñas y su forma es triangular


Hidrograma Unitario Triangular (HUT)

Para cuencas grandes

Para cuencas donde A ≤ 250 Km², entonces n = 2

p

pep nT

AhQ 566.0=

cc

p TTT 6.02+=

ccp TTT 6.0+=

3.15832502 −

+=An

Para cuencas pequeñas


Donde

hpe = lámina de lluvia efectiva (US Soil Conservation Service 1957), mm

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

=

32.20203210

08.550810

102

Nh

Nh

hp

p

pe

N = número de escurrimiento hp = altura de precipitación para una duración igual al Tc, mm

A = área de la cuenca, Km² Tc = tiempo de concentración, h Tp = tiempo pico, h Tr = tiempo de retraso, h Tb = tiempo base, h n = factor de corrección por área

Hidrograma Unitario Triangular (HUT)


Clasificación de suelos

Factor de corrección del numero de escurrimiento N, según la precipitación antecedente


Número de escurrimiento N


Método de Chow

Este método esta basado en la teoría del hidrograma unitario y de la curva S, es aplicable para cuencas menores a 24 Km2

y donde A = área de la cuenca, Km2

X = factor de escurrimiento, mm/h, siendo Pe precipitación en exceso (Pe = C * P para cuencas urbanas), mm y d duración, horas Z = factor de reducción de pico, adimensional para 0 < d/tp ≤ 0.5 para 0.5 < d/tp ≤ 1.0 para 1.0 < d/tp ≤ 2.0 Z = 1.0 para d/tp > 2.0

AXZQ 278.0=dPX e=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+=

p

p

p

tdZ

tdZ

tdZ

3233.03534.0

58929.008741.0

75922.000245.0


Siendo

Válida para tp < 5 horas

Donde

Lc = longitud del cauce principal, m

Sc = Pendiente media del cauce principal, adimensional

64.0

00505.0 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

c

cp S

Lt

Método de Chow


Método de Chow Procedimiento:

1.  Se determinan las propiedades físicas de la cuenca: A, Lc y Sc, así como el número de escurrimiento N y se estima el tiempo pico en hpras

2.  Como la duración d en que se produce el gasto pico se desconoce se procede proponiendo duraciones con incremento de tiempo constante.

3.  Para cada una de las duraciones propuestas se define a partir de las curvas IDTr la lluvia asociada al periodo de retorno de diseño, en milímetros, mismas que se corrigen por magnitud de cuenca al multiplicarlas por el FRA de la siguiente ecuación:

donde

di = duración para un tiempo i y el periodo de retorno de diseño, horas

A = área de la cuenca, Km2

FRA =1.0− 0.3549di−0.42723(1.0− e−0.005794*A )


4. Se calcula la precipitación en exceso Pei correspondiente a la lluvia Pi cuando éstas exceden la precipitación mínima Pmin

5. Se obtiene el factor de escurrimiento Xi para cada di

6. Se obtiene el caudal Qi para cada di hasta obtener el hidrograma completo o el caudal pico

8.505080min −=

NP

dPX e=


Método del TR-55 El Natural Resources Conservation Service (NRCS), antes Soil

Conservation Service (SCS) propuso en 1986 el siguiente método para calcular el gasto pico en cuencas pequeñas y medianas ya sean urbanas o rurales con tiempos de concentración entre 6 minutos y 10 horas

Donde qu = gasto pico unitario, m3/s, por cm de lluvia en exceso y Km2

de área de cuenca (m3/s/cm/Km2). Pe = precipitación en exceso, cm, correspondiente a lluvia de 24h de duración y periodo de retorno de diseño, corregida por tamaño de cuenca A = área de la cuenca, Km2

Fp = Factor de ajuste por estanques y pantanos en la cuenca. Según el porcentaje

AFpqQ peup =


Método del TR-55


El gasto pico unitario (qu) se estima con la siguiente expresión:

donde

Tc = tiempo de concentración de la cuenca, h

Co, C1 y C2 = coeficientes que se obtienen de la tabla siguiente, en función del tipo de tormenta NRCS y del cociente

donde

Ia = pérdidas iniciales durante la tormenta, función del número N, mm

Pc = lluvia de 24 horas de duración y Tr de diseño, corregida por tamaño de la cuenca, mm

Método del TR-55

[ ] 366.2)log()log()log( 2210 −++= ccu TCTCCq

ca PI /


Si: < 0.1 se utilizan los valores de Co, C1 y C2 correspondientes a 0.1

> 0.5 se emplea los correspondientes a 0.5

Para valores intermedios se interpola o se adopta el cociente mas cercano.

Tabla de parámetros para el cálculo del gasto pico unitario, función del tipo de tormenta y del cociente para la república mexicana, excepto la península de Baja California, la

costa del Golfo de México y el sureste mexicano.

Método del TR-55

ca PI /

ca PI /

ca PI /

Fuente: Campos, 2010


El valor de Ia se calcula con las siguientes ecuaciones:

Donde

S = retención máxima potencial, mm

N = número de la curva de escurrimiento del SCS

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −=

=

254400,252.0

NS

SIa

Método del TR-55


La precipitación en 24 horas y el periodo de retorno Tr, se estima a partir de las curvas IDTr. Este valor se corrige por magnitud de cuenca, mediante la ecuación del factor dereducción de área (FRA), según el U.S.Army Corps of Enginners, 1981:

El valor de Pc (mm), calculado con la ecuación anterior se compara con el calculado a partir de la ecuación:

Si Pc > Pmin se obtiene la precipitación en exceso y por último se obtiene el gasto pico Qp

)0.1(*091293.00.1 005794.0 AeFRA −−−=

Método del TR-55

PFRAPc *=

8.505080min −=

NP


3. EL SISTEMA DE ALCANTARILLADO PLUVIAL

3.1 Los componentes principales de un sistema de alcantarillado se agrupan según la función para la cual son empleados. Así, un sistema de alcantarillado sanitario, pluvial o combinado, se integra de las partes siguientes:

a)  Estructuras de captación. En los sistemas de alcantarillado pluvial se utilizan sumideros o bocas de tormenta como estructuras de captación. En los sumideros (ubicados convenientemente en puntos bajos del terreno y a cierta distancia en las calles) se coloca una rejilla o coladera para evitar el ingreso de objetos que obstruyan los conductos, por lo que son conocidas como coladeras pluviales (ver figura).


Ejemplo. Estimar el gasto de TR = 100 años para una cuenca urbana por medio del método TR-55, si la superficie de la cuenca es de 13.5 Km, N = 76, Lc = 4.5 Km, Sc = 0.040. Utilizar las curvas I-D-Tr para la ciudad de Chihuahua.

Tipos de sumideros o coladeras pluviales ASCE, 1992

Capacidad de la coladera. Para analizar la capacidad hidráulica de la coladera, se considera como un orificio y se puede calcular con la fórmula

Donde Q = capacidad de la coladera (l/s) Cd = coeficiente de descarga, se recomienda Cd = 0.6 A = área neta de entrada a la coladera, es decir el área total menos el área ocupada por las rejillas (m2) g = aceleración de la gravedad (m/s2) h = tirante del agua sobre la coladera (m) Se recomienda aplicar un factor de reducción, por obstrucción de basura igual a 0.5, quedando la ecuación igual a:

Q =1000CdA 2gh

Q = 0.5(1000CdA 2gh )

El tipo de coladeras mostradas en la siguiente figura es usualmente estándar, es decir, tienen dimensiones prefijadas. Dado que es poco práctico dimensionar cada coladera según su gasto de diseño, se dispone de coladeras tipo que tienen cierta capacidad estándar.

Su uso implica la colocación de tantas coladeras como sea necesario para captar el gasto de diseño, o la partición del área de aportación (definiendo subcuencas), colocando otras coladeras hasta que ellas sean suficientes para captar el gasto de diseño.

Coladeras de piso y banqueta

FUENTE: CONAGUA, 2007 GUADALUPE ESTRADA GUTIÉRREZ

Fuente: CONAGUA, 2007

Coladeras de banqueta

Ubicación de sumideros o coladeras pluviales De acuerdo a su diseño y ubicación en las calles, se clasifican en coladeras de: piso, banqueta, piso y banqueta, longitudinales de banqueta y transversales de piso.

La instalación de un tipo de coladera o de una combinación de ellas, depende de la pendiente longitudinal de las calles y del caudal por colectar. Las coladeras de banqueta se instalan cuando la pendiente de la acera es menor del 2%; cuando se tienen pendientes entre 2 y 5% se instalan coladeras de piso y banqueta, y para pendientes mayores del 5% se instalan únicamente coladeras de piso.

Las coladeras de tipo longitudinal de banqueta y transversales se instalan cuando las pendientes son mayores del 5% y los caudales por captar son grandes.


Si las pendientes de las calles son mayores del 3%, entonces es necesario que en las coladeras de piso y de banqueta o de piso solamente, se haga una depresión en la cuneta para obligar al agua a entrar en la coladera. Como estas depresiones son molestas al tránsito se debe procurar hacerlas lo más ligeras posible.

De piso y banqueta deprimida De piso deprimida


* Para ubicar las coladeras se procura que su separación no exceda de 100 m, dependiendo de la zona de la población de que se trate. En cualquier circunstancia se debe tratar de ponerlas cercanas a las esquinas o en los cruces de las calles.

* En zonas comerciales y para pavimentos de concreto, se especifica que no deben quedar a una distancia mayor de 25 m, con objeto de no hacer muy pronunciadas las ondulaciones en el pavimento para dar las pendientes hacia la coladera.

* Cuando se tienen pavimentos de adoquín o empedrados, donde se tengan velocidades bajas de tránsito, y que, además, permitan dar las pendientes de las cunetas con mayor facilidad, se recomienda una separación máxima de 50 m.

Fuente: CONAGUA, 2007 GUADALUPE ESTRADA GUTIÉRREZ

En calles con pendiente menor al 2%, se instalan coladeras de banqueta

En calles con pendiente mayor al 5% se instalan coladeras de piso

En calles con pendiente entre 2 y 5% se instalan coladeras de piso y banqueta

El tipo de coladera longitudinal de banqueta se instala cuando el caudal por colectar es demasiado grande y se tiene una pendiente mayor al 5%

El tipo de coladera transversal de piso se instala en calles con anchos de 6 m y menores

b) Estructuras de conexión y mantenimiento. Facilitan la conexión y mantenimiento de los conductos que forman la red de alcantarillado, pues además de permitir la conexión de varias tuberías, incluso de diferente diámetro o material, también disponen del espacio suficiente para que un hombre baje hasta el nivel de las tuberías y maniobre para llevar a cabo la limpieza e inspección de los conductos. Tales estructuras son conocidas como pozos de visita.

c) Estructuras de conducción. Transportan las aguas recolectadas por las estructuras de captación hacia el sitio de tratamiento o vertido. Representan la parte medular de un sistema de alcantarillado y se forman con conductos cerrados y abiertos conocidos como tuber ías y canales, respectivamente.

Los componentes principales de un sistema de alcantarillado pluvial

Secciones transversales de conductos cerrados y abiertos trabajando a superficie libre

El objetivo es desalojar rápidamente los volúmenes que escurren en un cauce confinándolos en secciones menores a las naturales mediante muros (canal) o tubos, tratando de reducir las inundaciones o para aprovechar los terrenos aledaños. La canalización de un cauce consiste en revestir tanto el fondo como las márgenes, construyendo puentes y alcantarillas en los cruces de la corriente con vías de comunicación o tuberías

CANALIZACIÓN O ENTUBAMIENTO DE UN CAUCE


Entubamiento de un cauce Normalmente, al entubar un cauce los ductos quedan debajo del terreno natural por lo que al poner en práctica esta alternativa la superficie que queda por encima de la obra se puede destinar para otros usos


Consideraciones Generales para la canalización o entubamiento de un cauce

Se recomienda que el periodo de retorno con el que se diseñe este tipo de obras sea mayor de 50 años. Con el propósito de evitar sobre - elevaciones del nivel de agua al inicio o al final de la canalización, se deben considerar transiciones tanto a la entrada como a la salida de la obra. Desde el punto de vista económico, para amortizar el costo de las obras, se puede considerar que la canalización o el entubamiento de alguna corriente, dentro de una zona habitada, incrementa el valor comercial de los terrenos aledaños debido a que con la venta de esos terrenos es posible absorber parte del costo de las obras mencionadas


c) Estructuras de vertido. Son estructuras terminales que protegen y mantienen libre de obstáculos la descarga final del sistema de alcantarillado, pues evitan posibles daños al último tramo de tubería que pueden ser causados por la corriente a donde descarga el sistema o por el propio flujo de salida de la tubería.

Las estructuras de vertido permiten una descarga continua a una corriente receptora. Estas estructuras pueden ser de dos tipos: en conducto cerrado o a cielo abierto, y pueden ser normales a la corriente o esviajadas (ver Figuras).

Los componentes principales de un sistema de alcantarillado pluvial


Estructuras de vertido


e)  Instalaciones complementarias. Se considera dentro de este grupo a todas aquellas instalaciones que no necesariamente forman parte de todos los sistemas de alcantarillado pluvial, pero que en ciertos casos resultan importantes para su correcto funcionamiento. Entre ellas se tiene a las estructuras de cruce, vasos de regulación y de detención, disipadores de energía, etc.

f)  Disposición final. La disposición final de las aguas captadas por un sistema de alcantarillado no es una estructura que forme parte del mismo; sin embargo, representa una parte fundamental del proyecto de drenaje. Su importancia radica en que si no se define con anterioridad a la construcción del proyecto el destino de las aguas pluviales, entonces se pueden provocar graves daños al medio ambiente e incluso a aquella que se encuentra cerca de la zona de vertido.


Agua en calles * Encharcamiento permitido en calles

Cuando la lluvia cae en una superficie pavimentada con una determinada pendiente, empieza a formar una capa de agua que se incrementa en la dirección del flujo.

Este encharcamiento dificulta el tráfico reduciendo la resistencia del vehículo a patinar e incrementando el potencial para deslizarse sobre el flujo de agua, además se reduce la velocidad por salpicadura de agua además de acelerar el deterioro del pavimento.

El objetivo del drenaje en calles consiste en minimizar los problemas anteriores, además de permitir que las personas transiten con cierta seguridad.


Encharcamiento permitido en calles

Las calles tienen una pendiente (bombeo), que dirige al flujo hacia los lados, éste se concentra junto a la guarnición y va generando un encharcamiento que se incrementa en la dirección del flujo hasta encontrar una entrada de agua. Debido a lo anterior, las entradas de agua se deben localizar a ciertos intervalos a lo largo del pavimento para reducir los encharcamientos a condiciones aceptables.


Factores que determinan la magnitud del encharcamiento.

1. Pendientes transversales y longitudinales

2.  Intensidad de lluvia

3. Características físicas de la calle (rugosidad)

4. Espaciamiento y dimensiones de entradas de agua; estas son función del periodo de retorno y del encharcamiento permitido)

Periodos de retorno de diseño (Tr) y encharcamiento permitido en calles (Nicklow, 2001)

Especificación Tr Encharcamiento permitido

Circulación reducida 5 Medio carril de circulación

Circulación abundante 10 Medio carril de circulación

Punto de hondonada 10 Medio carril de circulación

* Para pendientes transversales menores al 10% (bombeo), el gasto que circula por un encharcamiento entre la banqueta y la calle (sección triangular), se estima con:

donde Sx = Pendiente transversal

SL = Pendiente longitudinal

T = Ancho de encharcamiento permitido, m

3835376.0 TSSn

Q Lx=


El encharcamiento permitido debe ser menor de los tres siguientes:

1. Mitad del ancho de la calle menos amplitud no encharcada.

2. Encharcamiento permitido por la banqueta:

donde y es la altura de la banqueta (m)

3. Encharcamiento permitido por la ecuación:

xTSy =

60.0

752.0)*(1⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡≤

Lx SyVn

ST


Ejemplo.- Una avenida de 24.4 metros de ancho, revestida de concreto (n = 0.016), tiene una pendiente transversal del 2% y una longitudinal del 1%, con una altura de la banqueta de 20.3 cm. Se requiere que durante una tormenta severa se presente un ancho máximo de encharcamiento de 7.3 metros y que además el producto de la velocidad por el tirante en el extremo transversal, junto a la banqueta no exceda de 0.186 m2/s. Cual debe ser el gasto máximo permitido en la calle.


* Peligrosidad del flujo de agua en las calles El agua en movimiento ejerce sobre el cuerpo de las

personas y sobre los vehículos una fuerza dinámica cuando se intenta cruzar una calle o un vado, esta fuerza se estima mediante la ecuación de arrastre

Donde Fa = Fuerza de arrastre, Kg Ca =Coeficiente de arrastre (1.2), adimensional As = Área sumergida (m2), perpendicular al flujo e igual a la lámina de agua (y) por un ancho promedio (w) µa = Viscosidad dinámica del agua, (Kg-s²/m4) V = Velocidad media del flujo, en la vecindad del objeto, m/s

2

2VACF asAA µ=


Velocidad (m/s) Tirante y

(cm) Fuerza de

arrastre (Kg)

0.30 30.5 0.8

0.30 91.4 2.3

0.61 30.5 3.2

0.61 91.4 9.4

1.22 30.5 12.6

1.22 91.4 37.7

1.83 30.5 28.3

1.83 91.4 85.0

2.44 30.5 50.3

2.44 91.4 151.0

3.05 30.5 78.6

3.05 91.4 235.9

Fuerza de arrastre ejercida por el agua en movimiento sobre una persona (considerando a la persona como un cilindro Ca = 1.2 y un ancho aproximado de 0.46 m)

Fuente: Campos A., 2010


* Peligrosidad en áreas inundadas Cuando la estabilidad al vuelco o estabilidad al

deslizamiento: ; existen dificultades para que una persona permanezca de pie.

Donde

Y = Tirante del agua, m

V = Velocidad del flujo, m/s

INSERTAR FIGURA PAGINA 168-CAMPOS

23.150.0 2 << yV


Alcantarillas pluviales Este tipo de alcantarillas sirve para dar paso a una corriente a través de un terraplén. Son poco empleadas en zonas urbanas, generalmente son mas utilizadas en carreteras y autopistas. Para estimar el área hidráulica necesaria en la alcantarilla, se emplea con mucha frecuencia la ecuación empírica de Talbot, propuesta a partir de observaciones en zonas de alta precipitación en Estados Unidos Donde a = área hidráulica de la alcantarilla (m2)

A = área de la cuenca (ha) C = coeficiente función de las características del terreno C = 1 para terreno montañoso con suelo de roca sana y pendiente pronunciada; C = 0.65 terreno accidentado con pendiente moderada; C = 0.50 para cuencas irregulares muy largas; C = 0.33 para terrenos agrícolas y C = 0.20 para terrenos llanos

a = 0.183CA3 4


Delimitación de planicies de inundación En las zonas urbanas se debe delimitar la planicie de inundación para las crecientes de 100 y 500 años y definir los perfiles para 10, 50, 100 y 500 años, indicando en éstos las obras o estructuras amenazadas, así como las llamadas escalas críticas (Campos, 2010).

La creciente de 500 años define la zona inundable y la de 100 años permitirá el establecimiento del área inundable factible de rescatar al hacer circular tal creciente por el cauce de crecientes,

también llamado “vía de desagüe intenso”


Según la Federal Emergency Management Agency, se definen tres zonas por crecientes en planicies de inundación:

1.  Áreas con importante peligro de crecientes, son terrenos que están por debajo del nivel alcanzado por la creciente de periodos de retorno de 100 años.

2.  Áreas con moderado peligro de crecientes, son terrenos que están entre los niveles alcanzados por las crecientes de 100 y 500 años.

3.  Áreas con mínimo peligro de crecientes, son terrenos que están mas allá del nivel alcanzado por las crecientes de 500 años

Zonas por crecientes en planicies de inundación


ANÁLISIS HIDRÁULICO DE UN SISTEMA DE DRENAJE PLUVIAL

Flujo con sección parcialmente llena Cuando en un conducto cerrado el flujo se realiza a superficie libre, se dice que funciona parcialmente lleno. Se recomienda este tipo de funcionamiento hidráulico en redes de alcantarillado, para evitar que los conductos trabajen a presión porque el agua podría brotar de las alcantarillas hacia las calles. Se acostumbra diseñar los conductos de una red de alcantarillado para que trabajen a superficie libre, por ejemplo, entre el 80 y 90 % de su diámetro al conducir el gasto de diseño. Por ello resulta importante el cálculo del flujo en tuberías con esta condición.


Fórmula de Manning

La fórmula de Manning es la más empleada por su sencillez y porque se dispone de gran cantidad de datos para estimar el coeficiente de rugosidad “n”. Además, es recomendada en el cálculo de flujos con superficie libre y en conductos cerrados con sección parcialmente llena donde V es la velocidad media del flujo (m/s); n el coeficiente de rugosidad (s/m1/3); R el radio hidráulico (m); Sf la pendiente de fricción (adimensional). Para estimar el valor del coeficiente de rugosidad n, se usan instrucciones, tablas e incluso fotografías con diferentes condiciones del cauce.


Valores del coeficientes de rugosidad “n” de Manning para diferentes materiales (ASCE,1992)


Pérdidas locales

Las pérdidas locales o menores son generadas por transiciones (cambios de sección), uniones de tuberías, curvas (cambios de dirección), entradas, salidas, obstrucciones, y dispositivos de control tales como orificios y compuertas. Tale pérdidas de carga ocurren en cortas distancias y son representadas como una caída en la línea de gradiente de energía. Cuando L/D >> 1,000 las pérdidas locales son generalmente muy reducidas en comparación con las de fricción por lo que suelen despreciarse.

Se acostumbra valuar las pérdidas locales con la ecuación:

donde K es el coeficiente de pérdida.

hc = KcV 2

2g


a)  Pérdidas por transición. Implican un cambio de sección transversal. Se calculan de acuerdo a la diferencia de velocidades entre los extremos de la transición de acuerdo a las expresiones:

Contracción Expansion Donde htc y hte son las pérdidas de carga (m) por contracción y expansión, respectivamente; Ktc y Kte los coeficientes de pérdida por contracción y expansión (adimensionales), y los demás términos representan la diferencia de cargas de velocidad (m) entre las secciones 1 y 2 correspondientes a la entrada y a la salida dela transición. Los valores de los coeficientes Ktc y Kte se anotan en la tabla siguiente.

htc = KtcV22

2g−V12

2g"

#$

%

&' paraV2 >V1

hte = KteV12

2g−V22

2g"

#$

%

&' paraV1 >V2


Coeficientes de pérdida por contracción Ktc y por expansión Kte


b) Pérdidas por entrada.

Las pérdidas por entrada se calculan mediante un coeficiente de pérdida, según la ecuación 3.26. En la tabla siguiente se indican algunos de sus valores cuando se trata de almacenamientos.

Coeficientes de pérdidas de entrada desde un almacenamiento


c) Pérdidas por conexiones y pozos de visita. Las conexiones son puntos donde dos o más tuberías se unen hacia otra generalmente de mayor diámetro. Se diseñan en el sistema de drenaje como un punto crítico donde el flujo cambia de dirección. En una unión, el flujo de las tuberías que llegan a la misma debe incorporarse a la tubería de salida de forma suave, evitando turbulencias, que generen altas pérdidas de carga. Entre los factores que generan esto último se encuentran: ángulos mayores de 60º entre las tuberías de llegada y de salida, grandes diferencias de cotas de plantilla entre ambas (mayores a 15 cm), y la ausencia de un canal de encauzamiento en el fondo de la estructura de unión en el caso de tuberías. Las pérdidas de carga en pozos de visita en redes de alcantarillado varían típicamente del 20 al 30% de las pérdidas totales de carga.


En una unión recta en un pozo de visita, donde no existe cambio de diámetro, pueden estimarse las pérdidas de carga de acuerdo a la expresión:

Donde hp es la pérdida de carga ocasionada por el pozo de visita (m).

En las figura siguientes se muestra la forma de calcular las pérdidas de carga por turbulencia en ciertos casos encontrados usualmente en tuberías de redes de alcantarillado, entre los que se encuentran: uniones en cajas, pozos de visita y curvas hechas con tramos de tubería o con piezas especiales.

hp = 0.05V 2

2g

c) Pérdidas por conexiones y pozos de visita.


Pérdidas menores por Turbulencia en estructuras

Caso I Alcantarilla en la línea principal (a) planta y (b) corte. Caso II Alcantarilla en la línea principal con ramal lateral (a) planta y (b) corte. Caso III Pozo de visita en la línea principal con ramal a 45º (a) planta y (b) corte. Caso IV Pozo de visita en la línea principal con ramal a 90º.




Fuente CONAGUA, 2007 GUADALUPE ESTRADA GUTIÉRREZ

d) Coeficiente de pérdidas en curvas. Las pérdidas en curvas en canales abiertos pueden ser estimadas utilizando los coeficientes anotados en la siguiente tabla, en conjunción con la ecuación: Si el cociente del radio de la curva sobre el ancho del canal (r/b) es mayor a 3, entonces la pérdida de carga por curva es despreciable. Coeficientes de pérdida por curvas (Kc) en canales abiertos. r/b Kc 2.5 0.02 2.0 0.07 1.5 0.12 1.0 0.25 Las pérdidas de carga en curvas en conductos cerrados pueden ser calculadas utilizando la figura 3.8 y la ecuación 3.26. Los valores obtenidos de la figura 3.8 corresponden a flujos con altos números de Reynolds, tales como los que se encuentran en la práctica

hc = KcV 2

2g

hc = KcV 2

2g



Coeficiente de pérdidas en curvas


MEDIDAS NO ESTRUCTURALES Este tipo de medidas no se basa en la construcción de estructuras físicas sino en la planeaci6n, organización, coordinación y ejecución de una serie de ejercicios de Protección Civil que busca evitar o disminuir los daños causados por las inundaciones y pueden ser de carácter permanente o aplicables solo durante la contingencia.

Las principales acciones por desarrollar dentro de este tipo de medidas se relacionan con la operación de la infraestructura hidráulica existente en la región bajo estudio, los planes de Protección Civil, la difusión de boletines de alerta y la evacuación de personas y bienes afectables.


Programa de Control de Inundaciones (PCI) Cuando se trata de inundaciones generadas por fenómenos como ciclones tropicales, frentes fríos, entrada de aire húmedo, los cuales pueden ocasionar lluvias torrenciales y desbordamiento de cauces, es necesario disponer de información oportuna y suficiente para analizar la vulnerabilidad de la región de que se trate ante inundaciones, así como las zonas potenciales de mayor riesgo como las poblaciones, con el fin de diseñar e instrumentar las acciones preventivas o correctivas pertinentes. Todo PCI deberá establecer los lineamientos para obtener, procesar, integrar, correlacionar y desplegar la información geográfica necesaria para apoyar la atención de contingencias de esa naturaleza, con la urgencia que éstos reclaman y con los enfoques requeridos para su análisis técnico especializado, para la toma de decisiones en los niveles ejecutivo y operativo, para dar seguimiento a las acciones y dar a conocer al público, en general, los riesgos y los daños ocasionados por los eventos referidos


Cuando una región se empieza a poblar y desarrollar se debe disponer de un plano de la llanura de inundación, en que se limite la zona inundada por una avenida que tenga un periodo de retorno de 100 años. Entre las acciones no estructurales se consideran las siguientes: a)  Diseño, construcción y operación de sistemas de alerta,

con base en estaciones hidrométricas y climatológicas, imágenes de satélite y pronósticos meteorológicos.

b) Elaboración o adquisición y manejo de modelos

matemáticos, tanto hidrológicos como hidráulicos, que deberán ser validados con observaciones previas.

Acciones no estructurales, relacionadas con las inundaciones


Acciones no estructurales se consideran las siguientes: c) Elaboración de mapas de riesgo por inundación

(zonificación de toda la cuenca) al delimitar áreas en función de la frecuencia y duración de las inundaciones, o del periodo de retorno de las avenidas.

d) Elaboración e implantación de sistemas de seguros en función del valor de los bienes.

e) Elaboración de normas para el uso de suelo, tomando en cuenta la zonificación de la cuenca.

f) Elaborar historiales con mapas, fotografías y otras pruebas existentes de las huellas que han dejado otros eventos, en la llanura de inundación, para reducir las pérdidas de tiempo al momento de la inundación.


Reforestación (o restitución de la cobertura vegetal del terreno). Dos de las razones por las cuales las cuencas empiezan a producir una mayor cantidad de sedimentos que en el pasado son: • Deforestación de la misma. • Cambio de uso del suelo. Así que una de las formas de reducir la cantidad de sedimentos que llegan a los cauces, saturando las trampas en caso de que las haya o reduciendo el área hidráulica y con ello la capacidad de conducción de los ríos aguas abajo, es precisamente la reforestación. Muchas de las otras medidas, como dragado de cauces o provocar la sedimentación sobre la parte alta de los cauces no tienen mucho sentido si no van acompañados de un esfuerzo de recuperación de la cobertura vegetal del terreno.

Acciones no estructurales, relacionadas con las inundaciones

Actividades indispensables Las actividades necesarias para vigilar y preservar la seguridad de la infraestructura de protección son las siguientes: • Un inventario y expediente completo de cada presa u obra de protección, existentes en una región. • Inspecciones sistemáticas de presas u obras de diferentes tipos:

ü  Inspecciones regulares. ü  Inspecciones especializadas. ü  Inspecciones de emergencia.

• Avisos de alerta. • Operación del embalse u obra. • Invasión de embalse. • Sobre-elevaciones temporales. • Envejecimiento de obras. • Insuficiencia de diseño y defectos de construcción. • Planes de acción ante emergencias. • Evaluación y administración de riesgos. Fuente: CONAGUA, 2011


*  Maza, J.A. y Franco, V., “Manual de Ingeniería de ríos”, Obras de protección para control de inundaciones, Cap. 16, Instituto de Ingeniería, UNAM, México 1993.

*  Campos Aranda, 2005. Introducción a la Hidrología Urbana,

*  CONAGUA, XXX. Manual de Alcantarillado Pluvial,

hidrologia urbana

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