Recibido: 10 de julio de 2024
Aceptado: 5 de noviembre de 2024
Disponible: 23 de diciembre de 2024
Las inundaciones pluviales causan emergencias y desastres en las ciudades a nivel mundial. Dichas inundaciones se producen principalmente por la impermeabilización de las cuencas. El problema se agrava en ciudades como Manizales, con altas y medias pendientes, ya que se presentan altas velocidades de flujo y por tanto incrementos de los volúmenes de escorrentía, lo que a su vez está asociado con altos caudales punta. Para mitigar dichos efectos negativos han surgido los pavimentos permeables (PP) como infraestructura alternativa. Teniendo en cuenta lo anterior, el objetivo de esta investigación fue evaluar la capacidad de los PP para mitigar las intensidades de escorrentía superficial en cuencas con medias y altas pendientes. La metodología empleada consistió en realizar una modelación hidrodinámica con SWMM en la cuenca experimental Palogrande San Luis, cuenca que presenta las características mencionadas y está ubicada en la ciudad de Manizales, Colombia. Se utilizaron PP para vías vehiculares de tráfico liviano en asfalto permeable, parqueaderos en concreto permeable y áreas comunes en adoquines de concreto permeable. Los PP propuestos para parqueaderos y áreas comunes presentaron reducciones de escorrentía solo entre el 0 % y el 20 %. Se concluye que los PP propuestos en vías vehiculares reducen más la escorrentía superficial que aquellos propuestos en áreas comunes y en parqueaderos debido al área impermeable aportante que le corresponde a cada uno.
Palabras clave: Altas pendientes, ciudades empinadas, inundaciones pluviales, pavimentos permeables, sistemas urbanos de drenaje sostenible.
Stormwater flooding causes emergencies and disasters in cities worldwide. These floods are mainly caused by the impermeabilization of the watersheds. The problem worsens in cities like Manizales, with medium to high slopes, as high flow velocities occur, leading to increased runoff volumes, which in turn are associated with high peak flows. To mitigate these negative effects, Permeable Pavements (PP) have emerged as an alternative infrastructure solution. Considering this, the objective of this research was to assess the impact of PP in mitigating surface runoff peaks in watersheds with medium to high slopes. The methodology used involved hydrodynamic modeling with SWMM in the Palogrande San Luis experimental watershed, which exhibits the mentioned characteristics and is located in the city of Manizales, Colombia. PP was used for light-traffic vehicle roads in permeable asphalt, parking lots in permeable concrete, and common areas with permeable concrete pavers. The proposed PP for parking lots and common areas showed runoff reductions of only between 0 % and 20 %. Finally, it was concluded that the proposed PP for vehicular roads reduces surface runoff more than those proposed for common areas and parking lots, due to the impermeable contributing area associated with each one.
Keywords: High slopes, steep cities, stormwater floods, permeable pavements, sustainable urban drainage systems.
Las inundaciones pluviales son un problema derivado de los procesos de urbanización,
constituyéndose como uno de los fenómenos más problemáticos de las ciudades
Para atender los problemas anteriores se han propuesto diversas soluciones entre las que
se destacan los Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS), los que tienen como objetivo mitigar los
efectos adversos de la escorrentía superficial de aguas lluvias integrando diversas soluciones basadas
en el ciclo hidrológico, de manera que dichas soluciones imiten un proceso específico del ciclo
hidrológico
Los PP pueden ser diseñados para permitir infiltración total hacia el subsuelo, parcial o
sin infiltración teniendo en cuenta las características de cada zona
Los PP se han utilizado en numerosos programas experimentales como en áreas peatonales y
vías de bajo tráfico
A pesar de las muchas implementaciones existentes, la mayoría se ha concentrado en evaluar la técnica en sí, con poca información cuantitativa sobre sus impactos a nivel de cuenca. Actualmente en Colombia la información y el procedimiento de diseño de PP es ambiguo y escaso. Por tanto, se hace necesario continuar con investigaciones que conduzcan a la implementación de guías de diseño de PP específicas para el país, incluyendo todo tipo de topografías en las que permitan considerar los PP como una medida fácil de diseñar e implementar.
Este artículo tuvo como objetivo evaluar la capacidad de los PP para mitigar los caudales pico generados por las precipitaciones intensas y cortas propias de las cuencas de montaña.
El estudio se desarrolló en la cuenca Palogrande San Luis Ruta 30, la cual está ubicada
en la ciudad de Manizales (ver Figura 1) sobre la cordillera central de los Andes,
siendo afluente del río Chinchiná con un área total de aproximadamente 2.5 km2
La cuenca fue modelada mediante SWMM, siendo este un modelo de concepción simple, en
donde la cuenca es dividida en diferentes subcuencas con sus respectivos parámetros y la escorrentía de
cada subcuenca es transitada por la red de alcantarillado; siendo este, el mayor exponente del tipo de
modelos por subcuencas. Esta cuenca ha sido ampliamente estudiada por medio de diferentes trabajos, es
así como el mapa de coberturas y usos del suelo fue obtenida de manera expresa mediante la realización
de un sobrevuelo por medio del cual se obtuvo una fotografía aérea de alta resolución en el 2014
El proceso de calibración se realizó con 5 eventos de un solo pico, con magnitudes entre
12 mm y 30 mm e intensidades medias entre 9.58 mm/h y 20.12 mm/h. Se obtuvieron índices de Nash
Sutcliffe (NSE) entre 0.72-0.94, errores volumétricos entre -10.04 %y 18.57 %, errores en el caudal pico
entre -26.16 % y 28.57 %, y diferencias en tiempos al pico de 0 minutos para casi todos los eventos lo
que se considera aceptable según Molnar
Para el diseño de los PP se revisaron de manera exhaustiva diferentes manuales de diseño
a nivel internacional. Estos fueron: 1) Manual de criterios de drenaje pluvial urbano y mejores
prácticas de gestión de aguas pluviales del distrito de drenaje urbano y control de inundaciones, en
Denver
Se seleccionaron PP sin infiltración directa al suelo (es decir con conducción de sus aguas) ya que la cuenca presenta altas pendientes y se pueden presentar deslizamientos debido al agua infiltrada. De manera que, los PP propuestos se diseñan sin infiltración a la subrasante, es decir como estructuras de almacenamiento, los cuales tendrán como objetivo atenuar la escorrentía superficial en la zona de estudio. Se seleccionaron PP para vías vehiculares de tráfico liviano en asfalto permeable, parqueaderos en concreto permeable y áreas comunes en adoquines de concreto permeables (Figura 2).
La selección de los espacios se realizó utilizando Google Maps y la cartografía base de la Alcaldía de Manizales. Los PP en parqueaderos se propusieron teniendo en cuenta aquellos con áreas superiores a 100 m2 debido a la relación directamente proporcional del área permeable del pavimento con la capacidad de atenuación de escorrentía superficial. Los PP de áreas comunes se propusieron en canchas de microfútbol o baloncesto, parques deportivos, bulevares, plazas universitarias, entre otros. Se consideraron zonas comunes con áreas superiores a 100 m2. De manera que, teniendo en cuenta lo anterior se obtuvieron 50 PP en vías vehiculares (V), 20 PP en parqueaderos (P) y 20 PP en áreas comunes (C) como se indica en la Figura 3. En total los 90 PP cubren 328321.84 m2 (0.032 km2) es decir el 2.25 % del área impermeable de la cuenca (1.42 km2), los PP en vías vehiculares representan el 70.50 % del área total de los PP propuestos, en parqueaderos el 11.50 % y en áreas comunes el 18.00 %.
La lluvia de diseño se determinó a partir de la IDF de la estación Agronomía de Cenicafé
(ver ecuación 1), utilizando el tiempo de concentración (tc) de la cuenca Palogrande,
el cual se estimó en 22 minutos
\[ I = \frac{3896 \cdot T^{0.154}}{(tc + 25)^{1.02}}\tag{1} \]
A partir de esta se obtuvo una precipitación de intensidad media 90.9 mm/h y lámina de
agua de 33.33 m. El volumen de agua a almacenar se puede obtener bien sea mediante el método racional o
el Número de Curva, siendo el primero el más utilizado. En este caso se utilizó el Método Racional
utilizando la tabla de coeficientes de escorrentía C del Ministerio de Vivienda. Luego se obtiene la
relación de impermeabilidad total como una proporción entre el área de PP considerada y el área
tributaria total. Posteriormente, se obtiene la profundidad requerida para almacenar el agua dividiendo
el volumen a almacenar entre el área multiplicada por una relación de vacíos considerada para dicha
capa, la que se suele considerar superior al 30 %
Las metodologías de diseño estructural convergen en la importancia de la resistencia al
corte de los materiales o CBR (por sus siglas en inglés) de acuerdo con cada tipo de suelo. El manual de
CIRIA
En la Tabla 1 se presenta el diseño de los PP propuestos, los espesores son valores promedio de todos los PP ya que de acuerdo con cada diseño para cada pavimento estos pueden variar.
| Pavimentos permeables | Cantidad (Un) | Volumen agua almacenar (m3) | Espesor (m) Subbase (dcr) | Espesor promedio (m) base (db) | Espesor promedio (m) pavimento (dc) |
| Vías vehiculares | 50 | 2744.37 | 0.39 | 0.10 | 0.25 |
| Parqueaderos | 20 | 357.65 | 0.31 | 0.10 | 0.08 |
| Áreas comunes | 20 | 550.98 | 0.31 | NA | 0.06 |
En la Figura 4 se observa que, a los 10 minuto comienza la respuesta de la cuenca (es decir, muy rápidamente) en las subcuencas minutos la escorrentía superficial se ha incrementado en todas las subcuencas es urbanizada en la parte alta de la misma, donde se presentan valores entre 100-50 incluso la subcuenca 22 presenta valores entre 500-100 l/s (subcuenca en amarill Figura 4 para el minuto 15). Para ese minuto, las Subcuencas 19 y 22 pre más altos (> 1000 l/s), seguidas muy de cerca por subcuencas cercanas (observ subcuencas en la Figura 4). Para el minuto 25, las subcuencas rojo) presentan valores máximos; aquí es importante mencionar que en la parte ba presentan valores altos de escorrentía desde el minuto 20. El anterior comportam a las altas pendientes de dichas subcuencas (> 48 %) y de los conductos, lo q velocidades. De manera que el minuto 25, la mayor parte de la cuenca está con va superiores a los 250 l/s. En el minuto 30, gran parte de la escorrentía es evacu una disminución considerablemente de estos flujos y a partir de allí en 15 minut totalmente estos. De manera que, los volúmenes más altos de escorrentía se prese entre los 15-25 minutos de iniciada la lluvia, siendo el minuto 25 el más crític la cantidad de subcuencas con altos volúmenes de escorrentía superficial.
Las subcuencas donde tempranamente se producen volúmenes altos de escorrentía, coinciden casi totalmente con aquellas donde se presentan los picos de escorrentía. Estos valores máximos de volumen y picos de escorrentía se producen en una zona o cordón donde se presentan cambios bruscos de pendiente (en muchas de 24 % al 12 %), es decir de zonas de alta pendiente a zonas de media pendiente. En otras cuencas (al noroccidente) no se presenta el cambio de pendientes mencionado, pero sí un cambio brusco de usos del suelo, de zonas urbanizadas de media intensidad (en la parte alta) a zonas con cobertura vegetal y zonas impermeabilizadas, o zonas abiertas caracterizadas por altos niveles de impermeabilización. En algunos casos se presentan ambas condiciones. Casi totalmente estos cambios, están demarcados por dos vías, aguas arriba la avenida Paralela que es una vía principal de Manizales y aguas abajo la vía Ruta 30. Es decir, que estas vías representan cambios drásticos en el tipo de cobertura y pendiente (de muy impermeabilizado a poco impermeabilizado, o de muy impermeabilizado y alta pendiente a media pendiente), los que se proyectan en la cobertura de alcantarillado, que resulta poca para las áreas más aguas abajo, y, por tanto, generan cambios bruscos en la escorrentía superficial, en el sentido de que la zona aguas arriba evacúa hacia la zona aguas abajo, pero esta no tiene suficiente red drenante causando los mayores volúmenes de escorrentía superficial.
En la parte baja de la cuenca, también se producen altos volúmenes de escorrentía superficial pero menos intensa, siendo, el minuto 25 también el más crítico. Dichos volúmenes se presentan aquí por las altas pendientes, a pesar de que son zonas con mucha cobertura vegetal. En el sur de la cuenca, se encuentra otra zona urbanizada pero poco drenada y por tanto los volúmenes de escorrentía también son importantes en el minuto 25.
A diferencia de lo que sucede con la escorrentía, las velocidades son especialmente altas (superiores a 6 m/s) solo en unos pocos conductos (Figura 5). Dichas velocidades se comienzan a visualizar desde el minuto 10, siendo persistente la situación hasta casi una hora después de iniciada la lluvia. Al comparar con las pendientes de las subcuencas se observa (Figura 5) que las mayores pendientes se encuentran en la zona baja de la cuenca, donde las velocidades no son especialmente altas, excepto por un par de conductos al sur. Sin embargo, en la parte media las pendientes, aunque no son las más altas, siguen siendo considerables (superiores al 36 %), lo que aunado a las altas pendientes de los conductos que entregan al río, hacen que en esta zona se presenten las mayores velocidades en los conductos (superiores a la 10 m/s).
Al implementar los PP los volúmenes de escorrentía disminuyen de manera diferenciada según el tipo de pavimento que se aplicó. Al minuto 15 los volúmenes que se presentan en el cordón que se resaltó anteriormente en la parte alta de la cuenca, ahora disminuyen sus valores, a excepción de la zona circundante al estadio donde en general los volúmenes se mantienen similares a la condición sin PP. De aquí, la subcuenca 22 presenta reducción de dichos volúmenes.
El impacto de los PP en áreas comunes se puede apreciar en la subcuenca 19 dónde sólo se implementaron estos. En dicha subcuenca el volumen de escorrentía disminuye, pero se mantiene el comportamiento de valores considerables hacia el minuto 25 (subcuenca en rojo en la Figura 6). El aporte en la reducción de este tipo de PP se observa cuando los caudales son bajos, a partir del minuto 30, es decir cuando se superan los valores punta. Este tipo de PP, debido a la manera en cómo se diseñan, no permiten incluir grandes áreas aportantes, razón por la cual no se logran los resultados que se esperan.
Los PP viales se observan en la parte alta, aplicados en tres zonas (identificadas como Z1, Z2 y Z3 en la Figura 6 para el minuto 15). En todas las zonas estos PP logran reducciones en los caudales, siendo mucho más eficientes en la Z2. En la zona que tributa hacia el estadio (Z3), el impacto de la implementación de estos PP no es relevante ya que, se logra una reducción del 4.35 % en los volúmenes y del 18.34 % en el pico de escorrentía, es decir muy baja. Por tanto, el comportamiento general de los volúmenes de escorrentía generados se mantiene casi igual (Figura 4 y Figura 6). En cambio, los PP viales implementados en la Z2, en las subcuencas con formas concéntricas, generan reducciones de hasta el 52.83 % en los caudales en el minuto 30 (ver Tabla 2). Esta zona se diferencia de las otras donde se implementaron PP viales en la pendiente, ya que aquí está alrededor del 12 % en promedio, mientras que en las otras se tiene un 24 % en promedio, lo que indica que la pendiente no permite a los PP realizar el trabajo de manera apropiada.
| Cámara | 20195C | 20073C | 21340C | 20593C | 20130C |
| PP implementado | |||||
| Minuto | Vías | Vías | Vías | Áreas comunes | todos |
| 10 | 12.47 | 22.73 | 14.16 | 1.40 | 20.60 |
| 15 | 6.82 | 21.59 | 3.76 | 5.35 | 19.94 |
| 20 | 9.64 | 21.11 | 4.60 | 19.77 | 19.58 |
| 25 | 4.35 | 19.39 | 3.83 | 28.05 | 10.62 |
| 30 | 12.72 | 52.83 | 10.41 | 80.20 | 11.15 |
| 35 | 8.85 | 0.84 | 24.53 | 88.99 | 2.61 |
| 40 | 4.04 | 11.11 | 4.63 | 88.22 | 19.90 |
| % área PP sobre el total | 3.00 | 5.46 | 5.27 | 6.07 | 3.25 |
| % área PP sobre el aferente | 26.06 | 21.29 | 29.23 | 34.40 | 18.17 |
| % reducción inundación cámara | 37.28 | No aplica | No aplica | 11.70 | No aplica |
Por último, en la subcuenca 22 se implementaron todos los PP a la vez, sin embargo, los resultados no son considerables en términos de reducción de la escorrentía superficial, ya que la máxima reducción se logra al principio del evento de escorrentía con un 20.60 % (ver Tabla 2). Esta zona se caracteriza por presentar altas pendientes (en promedio del 24 %), pero además por recibir los flujos de la zona superior, donde está ubicado el estadio. La zona circundante del estadio se encuentra altamente impermeabilizada y las redes de drenaje están conformadas de manera tal que se bordea al estadio evitando el ingreso de flujos en este, por lo que se realizan grandes descargas en la subcuenca 22, es decir, la que se menciona en este apartado.
Los resultados son consistentes con otros reportados en la literatura, ya que reducciones
en los volúmenes de escorrentía superiores al 30 % han sido reportadas solamente en PP que drenan a
suelos arenosos
La implementación de PP reduce la escorrentía superficial en las subcuencas de la parte alta del área de estudio lo que corresponde a la zona urbanizada de la cuenca; en el 58 % de las subcuencas (32) se presentan reducciones superiores al 20 %, mientras que el 38 % (21) entre el 0 % y el 20 %. Los PP asociados a las subcuencas donde se presentan mayores reducciones de escorrentía superficial, en su gran mayoría son PP en vías vehiculares. Los PP asociados a las subcuencas que presentan reducción de escorrentía entre el 0 % y el 20 % son en su mayoría, PP para parqueaderos y áreas comunes, lo que implica que los PP propuestos en vías vehiculares reducen más la escorrentía superficial que aquellos propuestos en áreas comunes y en parqueaderos debido al área impermeable aportante que le corresponde a cada uno.
Esto es consistente con otros estudios donde se observa que los PP en asfalto permeable
son las técnicas más costo-eficientes, ya que logran las mayores reducciones de volúmenes de
escorrentía, así como de los valores punta
3.4 Análisis económico de pavimentos permeables
Realizar un análisis de costos de los PP resulta complejo, ya que estos dependen de la
disponibilidad de materiales en cada sector. Debido a la poca oferta de materiales de este tipo en los
países en vías de desarrollo el costo será más elevado. En varios artículos se menciona que este
sobrecosto corresponde a entre el 20-50 % del de un pavimento convencional
A pesar de lo anterior, se encuentran estudios que afirman lo contrario, ya que indican
que los PP resultan ser un 30 % más económico que los pavimentos convencionales, ya que además de
contemplar la construcción, mantenimiento, rehabilitación, también consideran dentro los costos el
ahorro en el tratamiento de aguas pluviales. También, se encuentra en la literatura que los PP tienen
costos de funcionamiento menores que otros pavimentos, debido a que en los que se permite infiltración
total no es necesario realizar obras de drenaje de escorrentía
Por otra parte, al comparar los costos de los PP contra otros SUDS, sí existe uniformidad
en las conclusiones. la operación y el mantenimiento anual de los PP es más económico frente a
alternativas SUDS cómo lo son los techos verdes y las celdas de bioretención
En la generación de escorrentía urbana las altas pendientes tienen gran incidencia en esta; y con modelación hidráulica se puede demostrar que los cambios bruscos de coberturas y pendientes, así como la existencia de límites muy marcados entre zonas, tienen un mayor impacto. Es así como cambios bruscos de pendientes y la concentración de usos en grandes zonas, hace que la escorrentía no se maneje donde se produce, sino que se trasladen dichos flujos a zonas donde se pueden realizar las descargas. En el caso de la cuenca Palogrande, la vía avenida Paralela ejerce un control muy notable, ya que es un límite que crea en el paisaje un cambio brusco de pendientes (de altas a medias) y del tipo de uso (de un uso urbano de media intensidad con muy pocas áreas verdes a zonas con cobertura vegetal elevada). De manera que, los flujos de escorrentía están altamente dominados por un uso no apropiado del territorio, el que desconoce e incluso va en contravía de la hidrología pre-urbanización. Las reducciones logradas con los PP implementados son similares a los encontrados en otros estudios, es decir, no se obtienen reducciones considerables a nivel de cuenca, pero sí a nivel de zona intervenida. Sin embargo, los PP viales tuvieron mejor respuesta ante la reducción de los volúmenes de escorrentía, los caudales punta y en retardar el tiempo en alcanzar el valor punta. En dicho sentido, la pendiente media de la cuenca ejerce un impacto significativo en el impacto que se puede obtener con los PP, ya que pendientes superiores al 24 % disminuyen considerablemente el efecto de estos. Por otra parte, se encontró que el uso del territorio ejerce un control fuerte en la generación de la escorrentía y el comportamiento de los PP, ya que la concentración de zonas impermeabilizadas y el uso de redes de drenaje en serie o en cascada, genera flujos de muy altas velocidades, con caudales punta considerables, que resultan muy complejos de manejar, aunque se cuente con grandes áreas aportantes.
Se propone crear manuales o guías de diseño de PP específicos para Colombia teniendo en cuenta todo tipo de topografías que permitan considerar los PP como una medida fácil de diseñar e implementar debido a su aporte hidrológico al restituir la permeabilidad al suelo urbanizado.
Una dificultad grande para el desarrollo de esta investigación consistió en contar con información confiable sobre las propiedades de los PP, por lo que, se encuentra que muchos diseñadores utilizan recomendaciones extranjeras. Por lo que se recomienda realizar investigaciones sobre estos según su producción específica.
Este proyecto de investigación se pudo realizar gracia a la beca de la Alcaldía de Manizales, en el marco del programa Manizales Campus Universitario y al equipo de Manizales +innovadora el que se realizó en coordinación con la Universidad Nacional de Colombia, sede Manizales.
Los autores declaran que no tienen ningún conflicto de interés con el contenido de esta investigación.
Jhoan Sebastián Pantoja: metodología, investigación, revisión y edición.
Jeannette Zambrano Nájera: conceptualización, metodología, investigación, revisión y edición. Todos los autores leyeron y están de acuerdo con la publicación de esta versión del manuscrito.