Análisis de la escorrentía, la percolación y la evaporación en techos verdes usando áridos reciclados como sustrato.

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1 IV Jornadas de Ingeniería del Agua La precipitación y los procesos erosivos Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015 Análisis de la escorrentía, la percolación y la evaporación en techos verdes usando áridos reciclados como sustrato. T. Vanwalleghem 1, A. Hayas 1, A. Peña 2, D. Jiménez-Quiñones 1, D. Sánchez. 1, J.V. Giráldez 1,3 1 Universidad de Córdoba, Departamento de Agronomía, Córdoba, España (ag2vavat@uco.es). 2 Depto. de Proyectos, Universidad de Córdoba, Córdoba, España 3 Instituto de Agricultura Sostenible. CSIC, Alameda del Obispo s / n, CP Córdoba, España 1. Introducción Los techos verdes constituyen una técnica pasiva de regulación térmica al ser un aislante natural que evita que la radiación solar incida directamente sobre el tejado subyacente. Los techos verdes restauran el ambiente urbano a un sistema natural y asumen las funciones de un suelo. Estas funciones ofrecen numerosos beneficios, entre los cuales se pueden destacar: el aislamiento térmico, el aislamiento acústico, la captación y retención de agua pluvial moderando eventuales avenidas y mejorando la calidad de agua de escorrentía, la reducción de la contaminación atmosférica, el valor estético, la protección de la capa impermeabilizante, el incremento de la biodiversidad, la captación de CO2. Para conseguir una mayor implantación de los techos verdes, es importante cuantificar su potencial de ahorro energético y establecer unas recomendaciones precisas para su inclusión en los protocolos de construcción de edificios. En la actualidad, estas recomendaciones generalmente están basadas en la experiencia práctica de contratistas y técnicos, o en unas normas establecidas para otros países y climas. Por lo tanto, carece de una justificación científica rigurosa válida para las condiciones andaluzas. Por otra parte, el ahorro energético de techos verdes es muy variable y depende de dos factores: el grosor de la capa de sustrato y su contenido de humedad. No se conoce la importancia relativa en el balance de agua de los techos verdes del enfriamiento por evapotranspiración pero se podría evaluar si se dispusiese de datos del balance de agua.

2 Además de reducir el impacto ambiental y energético de los edificios mediante el aumento del aislamiento de la envolvente y de su eficiencia energética, en el uso de techos verdes es crítico aumentar el reciclaje de productos y áridos provenientes de sectores como el de la construcción, fomentando su uso local. Los sustratos de los techos verdes ofrecen un potencial importante para incorporar áridos reciclados de la construcción, como algunos estudios previos han demostrado (Bates et al. (2015) ; Molineux et al. (2009) ; Mickovski et al. (2013)). Sin embargo, no se conocen estudios sobre el comportamiento hídrico de estos sustratos en climas como el nuestro en Córdoba. El objetivo general de este estudio es la caracterización de las propiedades físicas e hidrológicas de distintos sustratos con distintas proporciones de áridos reciclados de la construcción. Los objetivos específicos son: La elaboración, la caracterización y la selección de distintos sustratos con áridos reciclados para la construcción de techos verdes, conteniendo distintas proporciones de estos áridos. La caracterización de las propiedades hídricas de estos sustratos. El desarrollo de un modelo de balance de agua para los techos verdes con esta tipología de sustratos. 2. Materiales y métodos Los sustratos se colocaron en cajas de PEAD (Polietileno de alta densidad) (0,6 0,4 0,252 m; Plastipol, ES). En total se diseñaron 10 sustratos diferentes. Se instalaron en 10 contenedores sin vegetación, para efectuar un experimento de evaporación, y en otros 10 contenedores con vegetación, a los que se aplicó una dosis de riego no limitante del crecimiento de las plantas seleccionadas en ellos. Los contenedores se instalaron siguiendo el protocolo usado en techos verdes comerciales: la primera capa compuesta por un geotextil antiraíces (0,300 kg m -2 ), la segunda capa es drenante y a su vez retiene el agua (Platon DE25, con un espesor de 23 mm y una capacidad de almacenamiento de 6,1 l m -2 ). La tercera capa instalada es un geotextil filtrante para evitar la intrusión de raíces y la pérdida de sustrato. La cuarta capa es el sustrato. La quinta y última capa de la instalación es una manta protectora orgánica de coco y yute (Bonterra Ky). La composición de los 10 sustratos que se usaron se encuentra en la Tabla 1. Se usaron dos tipos de áridos reciclados: áridos reciclados gruesos y hormigón reciclado. Todas las mezclas incluyen entre un 15 y un 90% de árido grueso.

3 El hormigón reciclado fue usado como sustituto para la fracción fina del suelo en 2 sustratos. La fracción fina está compuesta por material arenoso de obra, arcillas de la finca del Campus de Rabanales o suelo natural limoso, extraído en el Campus de Rabanales de la Universidad de Córdoba (37 55'14.60"N, 4 42'45.38"W). Este suelo fue tamizado para extraer todos los elementos gruesos > 2 mm. A todas las mezclas se les añadió turba negra comercial, en una proporción entre el 5 y el 30% (Ver tabla 1). Los distintos sustratos se elaboraron manualmente. Fueron introducidos en los distintos contenedores hasta alcanzar un espesor de 100mm en los mismos, aplicando durante la instalación presión suficiente para obtener una compactación ligera. Finalmente, se cubrieron los sustratos la quinta capa con el propósito de evitar la erosión superficial y de reducir la pérdida de agua por evaporación. Tabla 1. Composición de los sustratos (porcentaje de la masa). Código ARG a ARH b Suelo limoso arena arcilla turba a árido reciclado grueso (ARG) b árido reciclado de hormigón (ARH) Se perforaron el fondo y el lateral de cada contenedor al nivel de la superficie del sustrato para medir la percolación y la escorrentía superficial respectivamente (Figura 1). El peso de cada contenedor se midió de manera regular (en intervalos de 2 a 3 días) y el volumen de percolación y escorrentía se registró tras cada evento de lluvia durante el año hidrológico Figura 1. Diseño experimental con los contenedores con vegetación, plantación de Sedum spp.

4 3. Resultados La distribución de tamaño de partículas de los distintos sustratos varía de manera significativa (Tabla 2), desde un tamaño de arcilla (sustrato 6) hasta un material grueso, con un d50 > 3 mm (sustrato 1). Esta variación se refleja en un amplio rango de densidades aparentes en seco, entre 1089 y 1605 kg m -3. Hay pocos estudios que mencionen la densidad aparente del sustrato estudiado y existe una variabilidad importante en la práctica, pero en la literatura encontramos que los sustratos comerciales descritos para techos verdes generalmente tienen una densidad aparente en seco de 1000 kg m -3 (Olszewski and Young, 2011), ya que tienen un contenido alto de materia orgánica (Ampim et al., 2010). En todos los casos estudiados en las instalaciones del estudio, se ha observado un aumento de la compactación considerable entre el momento de la instalación y el final del experimento (Tabla 2). Los ratios de compactación (volumen inicial/volumen final) que se observaron varían entre 1,04 y 1,38. El ratio de compactación está relacionado negativamente y de manera significativa con la densidad aparente inicial en seco (R 2 =0,46; p=0,03). Esto demuestra que los sustratos con una densidad inicial mayor, se compactaron menos que los de densidad inicial menor, como era de esperar por su contenido de elementos gruesos incompresibles proporcional a la densidad aparente. Estos resultados demuestran la importancia de tener en cuenta esta compresión natural durante el diseño de los techos verdes. La capacidad total de retención de agua de los sustratos de los techos verdes (Tabla 2) varía entre un 28,3 y un 45,2 % del volumen de dichos sustratos. Los efectos del sustrato, de la capa de drenaje y de los geotextiles, están integrados en estos valores totales. El agua retenida exclusivamente por los sustratos, varía entre un 10,4 y un 23,9 % del volumen de los sustratos.

5 Esto significa que el sustrato por sí solo tiene entre un 37 y un 53% de la capacidad total de retención de agua del techo verde. Los sustratos con la mayor capacidad de retención de agua son los número 2 y 5. El número 2 tiene un alto porcentaje de turba, del 30%, y el número 5 tiene una fracción importante, 57,5%, de suelo limoso. Los sustratos 7 y 8, con niveles de limo comparables, tienen una capacidad de retención de agua ligeramente inferior a los anteriores. El sustrato 1 tiene la capacidad de retención de agua más baja de todos los sustratos, ya que está compuesto en un 90% por material grueso reciclado. Table 2. Principales características físicas e hidrológicas de los distintos sustratos. Código D50 (mm) BDF a (kg POR c m -3 ) CR b (%) WUSL (kg m -2 ) d TWHC (vol%) e 1 3, ,04 36, ,3 2 1, ,40 35, ,2 3 1, ,14 34, ,4 4 1, ,28 30, ,3 5 1, ,31 24, ,9 6 0, ,34 45, ,4 7 1, ,38 29, ,7 8 1, ,35 32, ,8 9 1, ,35 25, ,2 10 1, ,30 36, ,5 a densidad aparente final, después del experimento de secado b ratio de compactación, definido como la densidad aparente final dividida entre la densidad aparente inicial c porosidad final d carga unitaria en húmedo, incluye la masa de agua retenida por el sustrato, la capa de drenaje y los geotextiles e capacidad de retención de agua total (Nota d) La evolución de la saturación relativa, expresada como el contenido de agua actual dividida entre el contenido de agua en saturación, de los distintos sustratos durante el experimento

6 de secado se muestra en la Figura 2. En general, se puede observar como el proceso de evapotranspiración sigue una tendencia exponencial negativa. En todos los casos, la evapotranspiración ha sido muy rápida en los períodos en que los sustratos se encontraban próximos a la saturación. Al principio del mes de Junio, cuando la saturación relativa cayó por debajo de 0,2 el proceso de evapotranspiración se ralentizó considerablemente. Figura 2. Saturación relativa (W(t)/W max ) de los 10 sustratos, precipitación diaria (columnas) y evapotranspiración diaria (puntos) durante el experimento de secado. Se aprecian los incrementos de humedad que corresponden con eventos de lluvia. El modelo de evapotranspiración propuesto en este estudio asume que hay una relación lineal entre la evapotranspiración medida o actual, e(t), y la evapotranspiración potencial, e 0 (t), multiplicada por la saturación relativa del sustrato, W(t)/Wmax, siendo W(t) la profundidad de agua en el sustrato en el tiempo t y W max su valor máximo. Este modelo se basa en el de Thornthwaite and Mather (1955, Alley, 1984), usado frecuentemente en aplicaciones hidrológicas como la de Rutter et al. (1971) para la predicción de la evaporación en copas de árboles o por Brocca et al. (2008) en suelos. La diferencia con el modelo propuesto en este estudio es la inclusión de un coeficiente m, que expresa la proporcionalidad entre la evapotranspiración normalizada [e(t)/e 0 (t)] y la saturación relativa (Ecuación 1).

7 e(t) = m e 0 (t)( w(t) W max ) (Ecuación 1) Con el objetivo de evaluar el comportamiento del modelo propuesto (Ecuación 1), se relaciona la evapotranspiración normalizada con la saturación relativa en todos los sustratos (Figura 3). Calculando el valor del parámetro m mediante una regresión lineal nos da un valor igual a 0,67. Esto demuestra objetivamente que la evapotranspiración en los techos verdes experimentales en todos los casos tiene un valor inferior a la evapotranspiración potencial, incluso en condiciones de saturación del sustrato. Con un coeficiente R 2 de 0,78, se concluye que el ajuste es bueno, incluso si la dispersión es importante. Dicha dispersión de los datos, se atribuye a las diferencias de las propiedades entre los distintos sustratos y a la posibilidad de errores experimentales. Por ello, para poder identificar posibles diferencias del parámetro m entre los sustratos, se ha evaluado esta relación para cada uno de los sustratos por separado en la que no se ha hallado una diferencia estadísticamente significativa por lo que el mismo parámetro m es válido para todos los sustratos del estudio. Figura 3. Relación entre la saturación relativa y evapotranspiración normalizada para todos los sustratos.

8 A continuación se ilustra como el modelo de evapotranspiración descrito en el estudio representa adecuadamente el comportamiento de secado de los sustratos (Figura 4). Figura 4. Agua retenida por el sustrato, medida (rombos) y valores del modelo (línea gris), expresada en unidades de carga unitaria durante el experimento para el sustrato número 5. En total se registraron 13 eventos de escorrentía o percolación durante el año hidrológico La presencia de vegetación y el tipo de sustrato no han producido un efecto significativo sobre la cantidad de percolación registrada (Figura 5). El sustrato número 8 ha generado una escorrentía significativamente más alta que los otros (Figura 6). La presencia de vegetación y el tipo de sustrato (exceptuando el número 8) no han producido un efecto significativo sobre la cantidad de escorrentía registrada. Figura 5. Percolación en los distintos sustratos en los contenedores con vegetación.

9 Figura 6. Escorrentía en los distintos sustratos en los contenedores con vegetación. 4. Conclusiones Los techos verdes son una herramienta eficaz para reducir las perdidas de energía de edificios mal aislados y para la gestión de aguas urbanas como se ha demostrado en la literatura existente sobre el tema. La incorporación de materiales como áridos reciclados de la construcción en el diseño de techos verdes, mejora la sostenibilidad del sector de la construcción y contribuye a alcanzar los objetivos de sostenibilidad urbana deseables para un mundo sostenible. Este estudio demuestra que estos sustratos con áridos reciclados son una opción viable en el diseño de techos verdes, tanto desde un punto de vista constructivo como hidrológico. La capacidad de retención de agua exclusivamente de los sustratos con áridos reciclados varía entre un 10,4 y un 23,9 % del volumen de los sustratos. La carga unitaria varía entre 10 y 16 y entre 14 y 19 kg m -2 por cm de profundidad de sustrato en condiciones secas y saturadas respectivamente. Finalmente, se ha propuesto un modelo de balance de agua sencillo y se ha demostrado que es adecuado para describir la evolución del contenido de humedad en los sustratos. Se ha demostrado que la evapotranspiración ha sido regulada principalmente por el contenido relativo de agua en el sustrato y que las características de los sustratos han jugado un papel no significativo en dicha regulación. Los resultados de este estudio contribuirán al diseño de sustratos para techos verdes compuestos por materiales de construcción como los áridos reciclados en condiciones mediterráneas. Las investigaciones futuras se centrarán en el efecto de la transmisión de calor, el uso de otras especies de plantas mediterráneas endémicas, en la evapotranspiración y en el efecto de distintas estrategias de riego y su balance de calor. Agradecimientos

10 Este trabajo es parte del proyecto Optimizando el potencial de techos verdes para la rehabilitación energética de edificios: interacción entre sustratos reciclados, propiedades hídricas y eficiencia energética, GGI3003IDIB, financiado por la Agencia de la obre pública de la Junta de Andalucía. Se agradece la ayuda del Programa Operativo FEDER de Andalucía Los autores agradecen al Dr. Ing. D. Jesús Ayuso su inestimable ayuda en distintos aspectos de la elaboración de los materiales del estudio. Los autores agradecen la colaboración de Paisajes del Sur SA y Bonterra Ibérica SA, y a su director D. Valentín Contreras. Referencias Alley, W.M., On the Treatment of Evapotranspiration, Soil Moisture Accounting, and Aquifer Recharge in Monthly Water Balance Models. Water Resour. Res. 20, doi: /wr020i008p01137 Ampim, P.A., Sloan, J.J., Cabrera, R.I., Harp, D.A., Jaber, F.H., Green roof growing substrates: Types, ingredients, composition and properties. J. Environ. Hortic. 28, 244. Bates, A.J., Sadler, J.P., Greswell, R.B., Mackay, R., Effects of recycled aggregate growth substrate on green roof vegetation development: A six year experiment. Landsc. Urban Plan. 135, doi: /j.landurbplan Brocca, L., Melone, F., Moramarco, T., On the estimation of antecedent wetness conditions in rainfall runoff modelling. Hydrol. Process. 22, doi: /hyp.6629 Castleton, H.F., Stovin, V., Beck, S.B.M., Davison, J.B., Green roofs; building energy savings and the potential for retrofit. Energy Build. 42, doi: /j.enbuild Czemiel Berndtsson, J., Green roof performance towards management of runoff water quantity and quality: A review. Ecol. Eng. 36, doi: /j.ecoleng Mickovski, S.B., Buss, K., McKenzie, B.M., Sökmener, B., Laboratory study on the potential use of recycled inert construction waste material in the substrate mix for extensive green roofs. Ecol. Eng. 61, doi: /j.ecoleng Molineux, C.J., Fentiman, C.H., Gange, A.C., Characterising alternative recycled waste materials for use as green roof growing media in the U.K. Ecol. Eng. 35, doi: /j.ecoleng Rutter, A.J., Kershaw, K.A., Robins, P.C., Morton, A.J., A predictive model of rainfall interception in forests, 1. Derivation of the model from observations in a plantation of Corsican pine. Agric. Meteorol. 9, doi: / (71) Tabares-Velasco, P.C., Zhao, M., Peterson, N., Srebric, J., Berghage, R., Validation of predictive heat and mass transfer green roof model with extensive green roof field data. Ecol. Eng. 47, doi: /j.ecoleng Thornthwaite, C.W., Mather, J.R., The Water Balance, Publications in Climatology VIII(1). Drexel Institute of Climatology, Centerton, New Jersey.