SECCIÓN 2: HIDROLOGÍA URBANA
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- Julio Chávez Ramírez
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1 SECCIÓN 2: HIDROLOGÍA URBANA INTRODUCCIÓN Es evidente que el tratamiento de la hidrología en áreas urbanas presenta características específicas con respecto a la hidrología rural. La diferenciación es motivada por la influencia del hombre que ha modificado la superficie, pavimentos, edificios con tejados o azoteas, imbornales o sumideros, ha cambiado el drenaje natural por otro superficial. Las áreas urbanas, por otra parte, pueden estar incluidas o afectadas por cuencas o áreas en el entorno del núcleo urbano. Las cuencas urbanas son en general de tamaño pequeño con superficie de infiltración muy reducida, tiempos de concentración cortos, y caudales importantes. El cálculo de las redes de saneamiento es en cierto modo complejo, como consecuencia de que el régimen permanente se ve alterado con frecuencia. Es necesario considerar el régimen variable si se quiere alcanzar un cierto rigor en los cálculos, amén de que se considera normalmente régimen libre cuando a veces la red parte de ella o algunos tramos, pueden ponerse en carga. La aplicación de un sistema de información geográfica SIG permite complementar la metodología del cálculo en régimen variable. La tendencia actual en el cálculo de las redes de saneamiento es la modelización hidrológica, cálculo hidráulico, tratamiento del agua residual sin olvidar la explotación de la red. COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA Entendemos por coeficiente de escorrentía a la relación entre el caudal que discurre por la superficie y el caudal precipitado. Es el caudal evacuado superficialmente después de una precipitación. ϕ = Q/Q P De una forma muy genérica, del caudal precipitado, parte se evapora, otra cantidad se infiltra y el resto Q discurre por la superficie. En núcleos urbanos la escorrentía dependerá de los pavimentos, cubiertas, zonas ajardinadas, es necesario determinar el coeficiente de escorrentía ponderado. Dos métodos pueden emplearse en la determinación del coeficiente de escorrentía ϕ, bien teniendo en cuenta la naturaleza de los materiales empleados en los pavimentos o atendiendo a la densidad de población (tabla 18 y 19). Página 1 de 1
2 Tabla 18 Coeficiente de escorrentía, teniendo en cuenta la densidad de población Densidad de población (hab./ha.) Edificación Coef. escorrentía j Muy densa Densa Cerrada Separada Muy diseminada 0,8-0,9 0,6-0,7 0,2-0,5 0,15-0,40 0,10-0,35 Ningún hab. No urbanizada Suelo con pendiente horizontal o casi horizontal no superior al 10% 0-0,1 Suelo con pendientes superiores al 0,15-0,20 10% Tabla 19 Coeficiente de escorrentía, teniendo en cuenta el tipo de pavimento y cubierta Tipo de pavimento Coef. escorrentía j Adoquinados ordinarios 0,50 0,70 Adoquinados rejuntados 0,70-0,80 Asfálticos 0,80-0,90 Grava 0,15-0,30 Jardines 0,00-0,10 Macadams 0,40-0,60 Terrenos no compactados 0,10-0,20 Tipo de techumbre Azoteas o techos planos 0,50 0,70 Cerámica o cartón 0,85 0,90 Pizarra o metálicas 0,90 0,95 Ejemplo Sea una superficie contributiva delimitada para realizar el proyecto de una red de saneamiento, la medición realizada con planímetro es de 2 ha. en total, la superficie pavimentada con adoquinado ordinario es del 20 %, un 15% asfaltada, las viviendas en su conjunto suponen un 45% con techumbre de pizarra y de zona ajardinada el resto. Cuál será el coeficiente de escorrentía a tener en cuenta? Página 2 de 2
3 El coeficiente de escorrentía será: ϕ = 0,20.0,20 + 0,15.0,85 + 0,45.0,90 + 0,20.0,10 = 0,59 Si la valoración de la naturaleza de las superficies se puede realizar en conjunto para todo el núcleo urbano el coeficiente ϕ es muy acorde con la realidad. Es evidente que el cálculo sería más exacto si la diferenciación se puede hacer para cada ramal de alcantarilla. CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS DE LLUVIA. METODO RACIONAL El método racional para el cálculo de los caudales se utiliza en cuencas pequeñas y por tanto es válido en áreas urbanas. Está basado en que la duración de la lluvia sea igual al tiempo de concentración de la cuenca considerada para un tiempo de retorno dado en función del fallo, su expresión es: Q = j I S Q = caudal; j = coeficiente de escorrentía; I = intensidad de lluvia en lit./seg. ha correspondiente a la máxima precipitación media para un período de retorno dado y duración correspondiente al tiempo de concentración. S = superficie o área de la cuenca El método es aplicable para cuencas o áreas de drenaje cuya superficie sea inferior a 3 Km 2 y un tiempo de concentración de una hora aproximadamente. Para el cálculo, lo que se suele hacer es dividir toda el área en subáreas que correspondan a cada ramal trazado para la evacuación de las aguas de lluvia a través de sus imbornales. Se trata realmente de una modificación del método racional. Para la aplicación de la expresión anterior del cálculo del caudal, ha sido necesario calcular por cualquiera de los métodos descritos anteriormente la máxima intensidad media para un intervalo de tiempo que corresponde, como se ha indicado reiteradamente, como mínimo al tiempo de concentración y para un período de retorno atendiendo al riesgo de fallos que pretenda el diseñador exista en función de la inversión a realizar en el proyecto de ejecución de la obra. La superficie se determina con un planímetro o en el supuesto de utilizar cartografía digitalizada, cualquier programa como CAD o Microstation. El coeficiente de escorrentía es necesario calcularlo. Página 3 de 3
4 Una vez trazada la red en un plano 1/1000 o 1/2000, se sitúan los puntos de entrada a la red, los imbornales o sumideros, y se adjudica a cada ramal una superficie de drenaje que se supone el ramal de alcantarilla va a evacuar, conociendo la profundidad de la alcantarilla y manteniendo las recomendaciones constructivas dadas, se estará en condiciones de dimensionar la red. Los pasos a seguir para determinar el caudal de diseño en una red de saneamiento, son los siguientes: 1) Se define la red. 2) Se determina la cuenca total y la cuencas o áreas contributivas para cada ramal. 3) Se calcula la superficie total S T y las superficies parciales de cada cuenca o área contributiva S P, con los distintos coeficientes de escorrentía. 4) Se evalúa la máxima intensidad media por ID o IDF, por Gumbel o cualquiera de los métodos expuestos anteriormente, proceso en el que habrá que tener en cuenta el período de retorno, y tiempo de concentración. 5) En poblaciones grandes con largos colectores, debe corregirse la intensidad y por tanto afectará al caudal calculado con el coeficiente de retraso, en caso contrario, tomar K = 1 COEFICIENTE DE RETRASO En el caso de una alcantarilla larga puede ocurrir que un elemento líquido que haya de recorrer toda la longitud, esté aún en su camino al cesar el aguacero. En este caso la zona del extremo inferior de la alcantarilla cesa de enviar agua a la misma, antes de que el agua de la zona del extremo superior haya recorrido toda la alcantarilla. Esto es lo que se conoce como tiempo retraso en una sección, retraso que ha de tenerse en cuenta al calcular las grandes redes de alcantarillado con bastante longitud, puede influir considerablemente en las dimensiones de las secciones. Se entiende por coeficiente de retraso a la relación entre el caudal máximo efectivo y el máximo teórico. Qe K = Q t Por tanto es un valor inferior a 1, ello permite dimensionar las secciones de saneamiento con diámetros inferiores a lo que corresponderían teniendo en cuenta este coeficiente. Página 4 de 4
5 La expresiones más frecuentes que deben tomarse con precaución, porque están particularizadas para determinadas cuencas y pueden afectar considerablemente a la obtención de secciones excesivamente pequeñas, se indican a título de información a continuación, su uso queda indicado al buen criterio del proyectista, son: K = 1 n S se relaciona K y S en hectáreas, n es un coeficiente variable que puede valer 4 para pendientes suaves y forma alargada, 5 6 pendientes medias con forma corriente y 8 fuertes pendientes y cuencas del tipo radial. Relacionando longitud con coeficiente de retraso K K = 1 n L con la longitud L de la alcantarilla o colector en hectómetros, n depende de la pendiente y toma los valores siguientes: n = 2,5 en pendientes suaves; n = 3 pendientes medias; n = 3,5 para fuertes pendientes de n. En la figura fig. 6.17, se representa el coeficiente de retraso K para los valores usuales fig.6.17 Página 5 de 5
6 DISPOSICIÓN DEL CÁLCULO DE CAUDALES Realizado el trazado del alcantarillado, procede estudiar las subcuencas o áreas que alimentan a cada ramal de la red diseñada. La disposición de los cálculos en cuanto a caudales se puede recoger en hojas cuya cabecera es la de la tabla 20. Tramo Descripción del tramo Nombre de la calle Desde el pozo nº Al pozo nº Coeficiente escorrentía Tabla 20 Superficies Caudales a evacuar Pendientes de la calles Superficie neta Superficie reducida (Km ) intensidad Aguas blancas Aguas negras Entrantes Caudal Desde el pozo Salientes Caudal Hacia el pozo Cota extremo superior Cota extremo inferior Desnivel absoluto (m) Longitud (m) A continuación se explica el significado de cada columna: (1) Tramo: en la primera columna se numeran las alcantarillas, siguiendo el sentido del agua, hacia aguas abajo. (2) Nombre de la calle por la que discurre el tramo calculado (3) Pozo del que parte el tramo que se va a calcular. (4) Pozo al que llega el tramo que se va a calcular (5) Coeficiente de escorrentía adoptado en cada sector, que variará según la densidad de edificación y clase de pavimento según las tablas 18 y 19. (6) Superficie neta: superficie física medida directamente sobre el plano de vertido, por cualquier procedimiento válido. (7) Superficie reducida: es el resultado de aplicar el coeficiente de escorrentía a la superficie neta. El producto de la columna 5 por la 6. (8) Intensidad: calculada a partir de cualquiera de los métodos expuestos. (9) Caudal de aguas blancas que se incorpora al inicio de cada colector a través de los sumideros, calculado teniendo en cuenta la máxima intensidad media por el área, en unidades homogéneas. Página 6 de 6
7 (10) Caudal de agua negras: caudal de aguas negras que se incorporan a los tramos, según el criterio expuesto en el capítulo 2 de esta unidad. (11) Caudal entrante: suma de los caudales que se incorporan al comienzo de un tramo. (12) Pozo desde al que se incorpora el caudal entrante. (13) Caudal saliente: caudal que sale del tramo calculado y que se incorporará al siguiente tramo. (14) Pozo hacia el que se dirige el caudal saliente. (15), (16), (17) y (18) Pendientes de las calles. Página 7 de 7
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