introducción a la hidrología urbana
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Introducción a la Hidrología Urbana.
Daniel Francisco Campos Aranda
Marzo de 2010
Introducción a la Hidrología Urbana.
Daniel Francisco Campos Aranda
Marzo de 2010
En la portada:
Gracias a la televisión, la población urbana y rural está bien informada de los desastres naturales asociados a las crecientes o avenidas máximas, los cuales ocurren en nuestro país casi periódicamente en cada temporada de lluvias, sean éstas invernales o de verano—otoño asociadas a los huracanes. Entre las acciones que hay que realizar para evitar tales desastres, está la estimación de las crecientes que los originan, para poder establecer los cauces y planicies de inundación que debenser despejados, o bien para redimensionar los puentes y otras obras de control y protección. Actualmente, a través de los sistemas ERIC y BANDAS se dispone de la información pluviométrica e hidrométrica del país, permitiendo esto la estimación de las curvas IDF y la definición regional de gastos de diseño en cuencas sin aforos. Por otra parte y quizás la más importante, la cartografía de escala 1:50,000 disponible permite definir con toda precisión las áreas de drenaje y sus características físicas hasta cualquier punto de un cauce. Esta información es fundamental para poder dar dimensión al problema, ya que las crecientes que puede generar una cuenca de varias hectáreas son muy diferentes en magnitud a las que se desarrollan en cuencas de decenas o centenas de kilómetros cuadrados. La cartografía citada, ahora en forma digital (carta del INEGI F14 A84), permite definir el entorno geográfico de una zona urbana, como la mostrada para el sur de la ciudad de San Luis Potosí.
La presentación y arreglo en conjunto de INTRODUCCIÓN A LA HIDROLOGÍA URBANA son propiedad del autor. Ninguna parte de este libro puede ser reproducida o trasmitida, mediante ningún sistema o método, electrónico o mecánico, incluyendo el fotocopiado, la grabación o cualquier sistema de almacenamiento y recuperación de la información, sin el permiso por escrito del autor.
Derechos reservados por Daniel Francisco Campos Aranda
Genaro Codina # 240 Col. Jardines del Estadio 78280 San Luis Potosí, S.L.P.
No. de registro: 03-2010-030811094000-01
Primera edición, marzo de 2010
ISBN-970-95118-1-5
PROLOGO
La vida nos enseña que antes de poder correr hay que aprender a caminar. Considero que en Hidrología Urbana "correr" equivale al uso del software comercial para resolver los problemas de diseño o revisión de los sistemas de drenaje urbano y "caminar" corresponde al conocimiento de los aspectos conceptuales asociados a tales sistemas hidrológicos, así como al dominio manual de los cálculos necesarios para plantear soluciones a los problemas citados. Bajo tal marco de referencia, este texto intenta enseñar a dar los primeros pasos en este campo de la ingeniería, que no sólo resulta apasionante sino que tiene un futuro verdaderamente prometedor, en relación con las demandas que establece y los retos que plantea, ya que al parecer las ciudades nunca dejarán de crecer!
Esta última aseveración está fundamentada en el hecho de que nuestra sociedad únicamente habla de desarrollo sustentable y de búsqueda de mejores niveles de vida para la población, pero no respeta tal planteamiento y se está dando en las ciudades un crecimiento anárquico que origina problemas que pudieron haberse evitado. Como ejemplos de lo anterior, baste citar que cuando el agua se acaba no se suspende o frena el llamado desarrollo económico, sino que se importa o trasvasa agua, trayéndola generalmente desde lugares remotos y teniendo que vencer grandes desniveles topográficos; además de causar daños ecológicos y generar problemas sociales en la cuenca de procedencia. Por otra parte, en las ciudades primero ocurren las inundaciones causadas por el agua de tormentas y después de plantean las soluciones a tal problema, como son los encauzamientos, los estanques de detención y retención, los colectores pluviales y finalmente los emisores. En general, no se pasó por una etapa de planeación y de desarrollo de soluciones no basadas en la infraestructura hidráulica.
En relación con el uso del software comercial, es una realidad que en el ámbito profesional la mayoría de las estimaciones y diseños relativos al manejo de las aguas pluviales y en general de la Hidrología Urbana, se realizan utilizando tales herramientas computacionales. Sin embargo, debe reconocerse que tanto los ingenieros civiles y municipales, así como los arquitectos, urbanistas e hidrólogos primero deben conocer y comprender los métodos y procedimientos que aplica el software comercial. Por lo anterior, el objetivo fundamental de este texto consiste en explicar los planteamientos de soporte de la Hidrología Urbana, además de describir y aplicar sus procedimientos básicos de diseño.
Bajo este planteamiento, la palabra Introducción del título es altamente significativa, pues implica que no se describe ni usa alguno de los diversos paquetes computacionales disponibles de manera comercial o gratuita, relativos al diseño o revisión de los sistemas de drenaje urbano. También asociado al título, está el enfoque básicamente hidrológico del texto, no abordando en general las estimaciones hidráulicas necesarias y mucho menos los diseños de este tipo. Por ejemplo, no se describe cómo diseñar canales de conducción, tampoco se explica el diseño de las estructuras de descarga o entrega de los sistemas de alcantarillado, ni se aborda el diseño de alcantarillas o puentes de un solo claro. Sin embargo, si se exponen los diferentes diseños hidráulicos asociados a las estructuras de descarga de los estanques de detención; además se citan algunas referencias bibliográficas donde se puede profundizar en tales diseños.
Además, el texto no cubre algunos tópicos que son parte del manejo integral de las aguas pluviales y del abastecimiento de agua potable, como son los aspectos de calidad del agua, la recarga del agua subterránea y la erosión y depósito en cauces. En cambio, otros aspectos
iv Introducción a la Hidrología Urbana
novedosos asociados al futuro del diseño de los sistemas de alcantarillado son expuestos en el final del capítulo 9, así como buena parte de las llamadas mejores prácticas de manejo (BMP) de las aguas de tormenta, como son todas las técnicas de inducción de la infiltración, hasta llegar a los estanques de infiltración los cuales son abordados en el capítulo 11.
De manera general el texto está orientado a obtener y procesar la información necesaria para planear y diseñar hidrológicamente las obras de drenaje urbano que son requeridas para evitar o corregir los problemas de inundaciones por aguas de tormenta o por corrientes fluviales. En el primer caso, existe una planeación del desarrollo y los urbanistas auxiliados por el hidrólogo urbano, establecen las acciones y las obras necesarias, comúnmente estanques de detención y colectores pluviales; en el segundo caso, a partir de las zonas de inundación y sus consecuencias sociales y económicas, se proyectan, generalmente, medidas estructurales de remediación, las cuales consisten principalmente de presas rompe—picos y de control, así como rectificaciones, encauzamientos y bordos y muros de protección.
Para cumplir con su objetivo fundamental y con su planteamiento, el texto está integrado por 11 capítulos, los dos primeros descriptivos de los aspectos generales del drenaje urbano, los tres siguientes exponen los procedimientos básicos de procesamiento de la información y los seis restantes tratan los diseños urbanos propiamente dichos. En detalle, los contenidos de cada capítulo del texto son: el capítulo 1 sobre ciudades, urbanización y drenaje, describe los efectos de las ciudades en el ciclo hidrológico para intentar entender racionalmente al drenaje urbano. El capítulo 2 relativo al plan global de drenaje expone su necesidad, elementos que lo integran y aspectos asociados a su implementación. En el capítulo 3 son expuestas las técnicas estadísticas y probabilísticas que son necesarias para procesar la información de lluvias máximas y de crecientes. En el capítulo 4 son desarrollados los procedimientos que permiten obtener o estimar las curvas Intensidad—Duración—Frecuencia. El capítulo 5 está dedicado a describir de manera somera los métodos de estimación de crecientes en cuencas rurales, exponiendo con detalle únicamente aquellos que son aplicables a cuencas pequeñas y medianas; se incluyen además, de manera breve, temas relacionados con la estimación y control de crecientes y con la seguridad hidrológica de los embalses.
Con el capítulo 6 comienza propiamente la hidrología urbana, describiendo con detalle la estimación del tiempo de concentración, la aplicación del método Racional y la técnica de los hidrogramas unitarios sintéticos de Espey—Altman. En el capítulo 7 se abordan ciertos tópicos relativos al manejo de las planicies de inundación, como son su delimitación, políticas de uso y beneficios del control de crecientes. En el capítulo 8 se analizan varios temas asociados al flujo de las aguas pluviales en calles y al diseño hidrológico de las entradas de agua o sumideros. En cambio, el capítulo 9 está dedicado al diseño hidrológico de los colectores pluviales, por ello se exponen temas como: información necesaria, trazo o configuración, normas de seguridad, consideraciones y restricciones de diseño, así como un resumen sobre el futuro del diseño de los sistemas de alcantarillado. El capítulo 10 está dedicado al diseño hidrológico de los estanques de detención, describiendo cuatro métodos de planeación o diseño en cuencas pequeñas y un procedimiento adecuado a cuencas medianas y grandes. Además se describe con detalle el diseño hidráulico de sus estructuras de descarga. En el capítulo 11 se describen las diferentes prácticas de manejo de las aguas pluviales y se diseñan las tres instalaciones fundamentales de infiltración: canales, trincheras y estanques. Finalmente en los anexos se exponen cuatro temas relacionados con los diseños de hidrología urbana, éstos son: los periodos de retomo de las crecientes de diseño, la técnica de estimación de la relación nivel—volumen almacenado en un estanque
Prólogo y
excavado, las ideas básicas asociadas al diseño de plantas de bombeo y una propuesta para la presentación sistemática de las estimaciones hidrológicas.
En relación con las características relevantes del texto se deben mencionar las dos siguientes: (1) la bibliografía no es ni remotamente exhaustiva, sino mas bien básica de cada tema tratado y por ello se expone al final de cada capítulo, desglosada en consultada y recomendada; (2) el texto incluye un total de 60 ejemplos numéricos y 66 problemas propuestos, 57 de los cuales tienen respuesta. El final de cada ejemplo se indica con el símbolo o.
Otro aspecto que desafortunadamente distingue a este texto, es el relacionado con los errores numéricos y de texto, pues aunque se ha intentado evitar totalmente, es muy probable que persistan, ya que el documento original no fue utilizado en un curso formal y por lo tanto no pasó por la revisión o escrutinio que hacen los alumnos. Por lo anterior, se solicita encarecidamente que los errores que se detecten sean comunicados al autor ([email protected] ), para su corrección en reimpresiones futuras.
Agradecimientos
A la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP) le agradezco en especial los últimos 10 años de mi trabajo en tal institución (1993-2002), los cuales transcurrieron en el Centro de Investigación y Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería y por ello tuve la oportunidad de dedicarme al estudio especializado de la hidrología superficial en varias de sus área de interés, una de ellas, que ya comenzaba a mostrar su importancia, fue la hidrología urbana.
Al Instituto Mexicano de Tecnología del Agua le agradezco que recientemente, hacia finales del 2008, me encargara el dictamen de una propuesta de un Manual de Hidrología Urbana, lo cual me llevó a profundizar en el tema, actualizarme y formularme una idea sobre un texto básico y práctico que abarcara los temas y procedimientos relevantes a esta disciplina de la ingeniería.
Finalmente, a la Dirección Local San Luis Potosí de la Comisión Nacional del Agua le agradezco el haberme invitado como asesor de un proyecto del manejo integral de las aguas de tormenta en la ciudad capital, mismo que se desarrolló en la primera mitad del año 2009 y que me permitió el contacto con el mundo real y los problemas asociados a la búsqueda de información, su análisis, procesamiento y aplicación al diseño de las obras que integran un plan global de drenaje.
Daniel Francisco Campos Aranda
Profesor Jubilado de la UASLP San Luis Potosí, S.L.P., México
Marzo de 2010
El diseño hidrológico urbano ofrece retos únicos para el hidrólogo. Frecuentemente los principios de la hidrología de cuencas no pueden ser aplicados a la hidrología urbana. Ahora uno debe pensar en cuencas muy pequeñas que tienen superficies altamente variables en relación con la lluvia. Además, donde el agua normalmente corría sobre el terreno como flujo en lámina, en un escenario urbano está concentrado en zanjas empastadas, canales y alcantarillado, todo lo cual acelera el flujo. Como resultado, el hidrólogo debe considerar que una inundación local puede ocurrir en cuestión de minutos en lugar de horas o días.
Ben R. Urbonas y Larry A. Roesner (1993).
Este trabajo está dedicado a mi segundo nieto:
Carlos David Campos Liñan
nacido el 12 de abril de 2007 una alegría en la familia, una bendición más en mi vida
Daniel Francisco Campos Aranda
INDICE GENERAL
1. CIUDADES, URBANIZACION Y DRENAJE.
Descripción general. 1.1 URBANIZACION Y CIUDADES.
1.1.2 Generalidades. 1.1.2 Manejo ideal del agua en ciudades.
1.2 CONCEPTO DEL CICLO HIDROLOGICO URBANO. 1.2.1 Descripción cualitativa. 1.2.2 Componentes hídricos principales. 1.2.3 Otros componentes. 1.2.4 Manejo integral del agua en ciudades.
1.3 DISEÑOS HIDROLOGICOS E HIDRAULICOS URBANOS. 1.3.1 Ingeniería Civil y Obras Hidráulicas. 1.3.2 Hidrología e Hidráulica en general. 1.3.3 Estimaciones y diseños que realizan los hidrólogos urbanos. 1.3.4 Areas de estudio y diseños del hidráulico urbano.
1.4 ASPECTOS HIDROLOGICOS DE LA URBANIZACION. 1.4.1 Escurrimiento en cuencas rurales. 1.4.2 Efectos generales de la urbanización. 1.4.3 Efectos cuantitativos de la urbanización.
1.5 DRENAJE URBANO, COMPONENTES Y PERIODOS DE RETORNO DE DISEÑO. 1.5.1 Generalidades. 1.5.2 Componentes básicos. 1.5.3 Periodos de retorno de diseño.
PROBLEMAS PROPUESTOS. Bibliografía Consultada. Bibliografía Recomendada.
2. PLAN GLOBAL DE DRENAJE. Descripción general. 2.1 CONCEPTOS Y DEFINICIONES.
2.1.1 Urbanización y sistemas de drenaje. 2.1.2 ¿Qué es un Plan Global de Drenaje? 2.1.3 ¿Qué no es el PGD? 2.1.4 Interés real en el PGD. 2.1.5 Principio rector en el PGD.
2.2 PASOS PARA ELABORAR UN PGB. 2.2.1 Planteamiento general. 2.2.2 Paso 1: Establecimiento de objetivos y estándares (ejemplos). 2.2.3 Paso 2: Recopilación de información existente. 2.2.4 Paso 3: Análisis de los datos para elaboración de pronósticos
(escenarios futuros). 2.2.5 Paso 4: Formulación de alternativas. 2.2.6 Paso 5: Comparación de alternativas y selección de las
recomendadas.
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2.2.7 Paso 6: Elaboración del plan de aplicación. 2.2.8 Paso 7: Aplicación del PDG.
PROBLEMAS PROPUESTOS. 23
Bibliografía Consultada. 24
Bibliografía Recomendada. 24
3. TECNICAS ESTADISTICAS Y PROBABILISTICAS. 25
Descripción general. 3.1 REGRESION Y CORRELACION LINEALES. 26
3.1.1 Generalidades y conceptos teóricos. 3.1.2 Recta de regresión de y sobre x. 3.1.3 Coeficiente de correlación lineal.
3.2 CONCEPTOS TEORICOS DEL ANALISIS PROBABILISTICO. 29 3 2 1 Importancia del análisis probabilístico. 3.2.2 Poblaciones y muestras. 3.2.3 Parámetros estadísticos. 3.2.4 Histograma, probabilidades y polígono de frecuencias. 3.2.5 Funciones de densidad y de distribución de probabilidades. 3.2.6 Concepto de Periodo de retomo. 3.2.7 Papeles de probabilidad y posiciones gráficas. 3.2.8 Concepto de error estándar de ajuste.
3.3 PERIODOS DE RETORNO EN DISEÑO URBANO. 37 3.3.1 Periodo de retomo de costo mínimo. 3.3.2 Periodo de retomo prescrito. 3.3.3 Conceptos de homogeneidad en el periodo de retomo.
3.4 ANALISIS ESTADISTICO PREVIO DE LOS DATOS HIDROLOGICOS. 39 3.4.1 Condiciones estadísticas de los datos. 3.4.2 Prueba de independencia.
3.5 PREDICCIONES CON LA TRANSFORMACION MIMEMA. 41 3.5.1 Justificación. 3.5 2 Enfoque conceptual y ecuaciones. 3.5.3 Error estándar de ajuste.
3.6 PREDICCIONES CON LA DISTRIBUCION LOG—PEARSON TIPO III. 44 3.6.1 Funciones de densidad y de distribución de probabilidades. 3.6.2 Método de momentos en el dominio logarítmico. 3.6.3 Predicciones y error estándar de ajuste.
3.7 PREDICCIONES CON LA DISTRIBUCION GVE. 46 3.7.1 Resumen de teoría. 3.7.2 Método de los momentos L. 3.7.3 Predicciones y error estándar de ajuste.
3.8 OTROS METODOS Y MODELOS PROBABILISTICOS. 48 PROBLEMAS PROPUESTOS. 49 Bibliografía Consultada. 50 Bibliografía Recomendada. 51
4. ESTIMACION DE CURVAS INTENSIDAD—DURACION—FRECUENCIA. 53
Descripción general. 4.1 NECESIDAD DE TAL ESTIMACION. 54
Indice General xi
4.1.1 Hidrosistema urbano y su estimación de crecientes. 4.1.2 Construcción y estimación de curvas IDF.
4.2 GENERALIDADES SOBRE LA PRECIPITACION. 55 4.2.1 Atmósfera y clima. 4.2.2 Nubes, frentes y tormentas. 4.2.3 ¿Porqué llueve? 4.2.4 Medición de la precipitación.
4.3 CONSTRUCCION DE CURVAS IDF. 57 4.3.1 Elaboración de los registros pluviográficos. 4.3.2 Análisis probabilístico de registros pluviográficos.
4.4 ESTIMACION DE CURVAS IDF. 59 4.4.1 Mapas estatales de isoyetas. 4.4.2 Procedimiento basado en la fórmula de Chen.
4.5 FORMULA SIMPLE PARA LAS CURVAS IDF. 63 4.5.1 Conveniencia de tal representación. 4.5.2 Ajuste por mínimos cuadrados.
4.6 TORMENTAS DE DISEÑO. 66 4.6.1 Importancia y tipos. 4.6.2 Tormentas de diseño en cuencas rurales. 4.6.3 Tormentas de diseño en cuencas urbanas.
PROBLEMAS PROPUESTOS. 69 Bibliografía Consultada. 74 Bibliografía Recomendada. 75
5. ESTIMACION DE CRECIENTES EN CUENCAS RURALES. 77
Descripción general. 5.1 INFORMACION HIDROLOGICA BASICA. 78
5.1.1 Recopilación de información disponible. 5.1.2 Estimaciones preliminares o empíricas. 5.1.3 Características físicas de las cuencas rurales. 5.1.4 Definiciones en relación con el retraso de la cuenca. 5.1.5 Estimación global del tiempo de concentración. 5.1.6 Estimación del tiempo de concentración por tramos de flujo. 5.1.7 Estimación del número N.
5.2 ESTIMACION PROBABILISTICA DE CRECIENTES. 91 5.2.1 Estimación probabilística local. 5.2.2 Necesidad del análisis regional. 5.2.3 Secuencia del análisis regional. 5.2.4 Revisión de los datos para análisis regional. 5.2.5 Verificación de la homogeneidad regional. 5.2.6 Procedimientos del análisis regional.
5.3 ESTIMACION HIDROLOGICA DE CRECIENTES. 94 5.3.1 Métodos que se presentan. 5.3.2 Método de Bell. 5.3.3 Método de Chow. 5.3.4 Método TR-55. 5.3.5 Método del HUT. 5.3.6 Otros métodos hidrológicos.