mecánica de fluidos

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MANEJO DEL ESCURRIMIENTO URBANO SUPERFICIAL DE LAS DEMASÍAS EN
ALCANTARILLADOS COMBINADOS
EchávezAldapeGabriel1 y Raúl Arrioja Juárez1
1
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Escolar s/n, Edificio U, Ciudad
Universitaria, (55) 56223899, ext. #44164, C.P.04510, México, echavez@unam.mx
Introducción
La urbanización de una cuenca hidrológica virgen trae como
primera consecuencia el aumento del volumen del
escurrimiento superficial, ya que las superficies permeables
naturales son reemplazadas paulatinamente por superficies
impermeables, tales como techos, calles, caminos y banquetas,
así como lotes de estacionamiento, que son estructuras que
comúnmente se diseñan para retirar la lluvia tan pronto como
sea posible (Shammas, 2010). El incremento proporcional de
las áreas pavimentadas reduce las posibles trayectorias de
infiltración y evapotranspiración que pueda seguir la
precipitación al llegar al suelo, por lo que aumenta el volumen
de agua pluvial que finalmente se transforma en escurrimiento
urbano superficial. En general, pueden esperarse los siguientes
cambios hidrológicos a largo plazo en una cuenca virgen
sometida a un proceso de urbanización, lo que a su vez puede
conducir a eventos hidrológicos de gran fuerza destructora:
Incremento del gasto pico en relación con el gasto pico
original (se estima que por un factor de 2 a 5
generalmente)
Incremento del volumen del escurrimiento superficial
Disminución del tiempo de tránsito del escurrimiento
superficial hasta los cauces naturales o artificiales
ejemplo, la pérdida de la vegetación ribereña por la erosión
contribuye al aumento de la temperatura media de la corriente
con el aumento de la incidencia de luz solar directa, lo que
contribuye a modificar la estructura de la comunidad biológica
en la corriente. Se produce entonces una proliferación de algas
ricas en nutrientes que hacen cambiar a las especies
dominantes, lo que afecta a la composición de los organismos
superiores. Cuando el escurrimiento del agua pluvial y el flujo
de aguas residuales municipales se conducen en el mismo
sistema colector (alcantarillado combinado), los derrames de
las descargas sin tratamiento se denominan demasías del
alcantarillado combinado (DAC). Por ende, para minimizar la
contaminación del escurrimiento urbano superficial, así como
su acción destructora cuando su volumen es muy grande,
deberán anularse o mitigarse los efectos de los cambios
hidrológicos debidos a la urbanización. Desde un punto de
vista general, estos objetivos pueden lograrse adhiriéndose a
los siguientes lineamientos de construcción en una cuenca
hidrológica sujeta a un proceso de desarrollo urbano:
Construcción y utilización de senderos verdes y
estanques de detención
Construcción y utilización de zonas permeables de
recarga de aguas subterráneas
Incremento en la frecuencia y la severidad de las
avenidas
Prohibición de construir en pendientes pronunciadas (>
30 % → 16.7° para construcción convencional, > 50 %
→ 26.6° límite técnicamente recomendable para
habitación) (IPT, 1991)
Reducción del caudal durante periodos de estiaje
prolongado (pérdida de gasto base)
Conservar la mayor área posible de terreno en un estado
natural sin perturbación
Incrementos en la velocidad tanto del escurrimiento
superficial como en las corrientes durante los eventos de
tormentas.
Prohibición de construir en llanuras de inundación
Los cambios hidrológicos en la cuenca inducidos por la
urbanización resultan en un mayor transporte de los
contaminantes acumulados que finalmente se descargan en las
aguas receptoras. Los canales de las corrientes receptoras se
ensanchan por el mayor volumen de agua recibido,
erosionándose los bancos de canal en mayor grado con la
consiguiente deposición del material erosionado. La
disminución de la capacidad de infiltración del suelo en la
cuenca y la pérdida de la capa vegetal, que normalmente actúa
como un colchón atenuante de la impetuosidad del
escurrimiento superficial generado en las tormentas, debilitan
el mecanismo natural de la cuenca de remoción de
contaminantes, por lo que aumenta la carga de contaminantes
que entra a las aguas receptoras. La mayor impermeabilidad
de la cuenca así como el decremento de la recarga del agua
subterránea, pueden incrementar la frecuencia de los flujos
bajos en las corrientes perennes. Finalmente, se presentan
otros impactos más sutiles pero igualmente importantes. Por
Utilización de pavimentos porosos cuando sea factible
Aprovechar en lo posible el patrón de drenaje natural de
la cuenca para el desalojo del escurrimiento superficial
pluvial
En la tabla 1 se presenta un resumen de las categorías más
importantes de los contaminantes del escurrimiento urbano, de
los parámetros que los representan, de las posibles fuentes de
origen, y de sus efectos potenciales sobre la cuenca y sobre la
comunidad (U. S. EPA, 1977).
Tabla 1. Resumen de los contaminantes más importantes del
escurrimiento urbano.
Categoría
Sedimentos
Parámetros
Orgánicos e
inorgánicos
Sólidos
suspendidos
Posible fuente de origen
Obras en construcción
Escurrimiento
urbano/agrícola Demasías
del alcantarillado
Efectos
Turbiedad Alteración del
hábitat Pérdidas
recreativa/estética
Transporte de

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totales (SST)
Turbiedad Sólidos
disueltos
Nutrientes
Patógenos
Proliferación
orgánica
Contaminantes
tóxicos
Sales
combinado (DAC)
Rellenos sanitarios,
campos sépticos
contaminantes
Navegación/hidrología
Erosión de bancos
Nitrato Nitrito
Amoniaco
Nitrógeno
orgánico Fosfato
Fósforo total
Coliformes totales
Coliformes fecales
Estreptococos
fecales Virus E.
coliEnterococos
Escurrimiento
urbano/agrícola Rellenos
sanitarios, campos sépticos
Deposición atmosférica
Erosión
Escurrimiento
urbano/agrícola Sistemas
sépticos Conexiones
sanitarias ilícitas DAC
Descargas de
embarcaciones Animales
domésticos/silvestres
Escurrimiento
urbano/agrícola DAC
Rellenos sanitarios,
sistemas sépticos
Aguas superficiales proliferación de algas toxicidad del amoniaco
Agua subterránea toxicidad del nitrato
Infecciones del
oído/intestinales
Clausura de lechos de
moluscos Pérdida
recreativa/estética
Escurrimiento
urbano/agrícola
Plaguicidas/herbicidas
Tanques subterráneos de
almacenamiento Sitios con
residuos peligrosos
Rellenos sanitarios
Disposición ilegal de
petróleo Descargas
industriales
Escurrimiento urbano
Derretimiento de nieve
Bioacumulación en los
organismos de la cadena
alimenticia y toxicidad
potencial para los
humanos y otros
organismos
Demanda
bioquímica de
oxígeno (DBO)
Demanda química
de oxígeno (DQO)
Carbono orgánico
total Oxígeno
disuelto
Trazas de metales
tóxicos Orgánicos
tóxicos
Cloruro sódico
Agotamiento del oxígeno
disuelto Olores
Mortandad de peces
Corrosión de vehículos
Contaminación del agua
potable Dañino para
plantas que no toleran la
sal
Objetivos
El objetivo de esta ponencia es presentar un modelo de
planeación sistemático e iterativo de un programa de manejo
integral del escurrimiento urbano superficial y de las demasías
en alcantarillados combinados de una cuenca hidrológica
altamente urbanizada con objeto de anular o mitigar los
efectos de los cambios hidrológicos adversos debidos a la
urbanización, mediante el control del volumen, el gasto y las
categorías de contaminantes que caracterizan a los eventos
hidrológicos extremos que se generan en la cuenca estudiada.
Se pretende alcanzar este objetivo tratando de preservar en lo
posible el equilibrio ecológico inicial de la cuenca de modo
que se construyan solamente las instalaciones de tratamiento
de aguas residuales indispensables al menorcosto posible
aguas abajo. Como la capacidad hidráulica total de una red de
alcantarillado combinado y de las plantas de tratamiento aguas
abajo es muy sensible a los gastos generados y especialmente
al gasto pico, deberá buscarse una reducción del volumen total
o un alisado de los picos para que los costos de construcción
de la infraestructura hidráulica requerida sean más bajos.
Metodología
El modelo de planeación propuesto consta de las siguientes
cuatro etapas:
Diagnóstico de las condiciones existentes en la cuenca. Se
analizan los datos y las condiciones existentes de la cuenca y
de sus recursos hidráulicos y se recopila la información
adicional que sea necesaria. Se identifican las posibles fuentes
de demasías.
Cuantificación de las fuentes de contaminación y de sus
efectos. Las fuentes de contaminación pueden ser puntuales o
difusas (Al Bakri, 2008). Se emplean herramientas y modelos
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de evaluación para determinar las fuentes de contaminación y
sus cargas generadas, el alcance de los impactos causados en
la cuenca y el nivel de control que se requiere.
Evaluación de las alternativas de control y mitigación
posibles. Se determina la combinación óptima de medidas de
prevención y tratamiento para anular o mitigar los efectos
adversos de los eventos hidrológicos extremos generados por
la urbanización. A estas medidas se les denomina
genéricamente medidas de manejo óptimo (MMO).
Desarrollo e implementación del plan de acción más
adecuado. Se selecciona un conjunto de medidas de
prevención y tratamiento para resolver los problemas de
contaminación y de demasías suscitados y se desarrolla un
plan de acción para implementar estas medidas.
Medidas de Manejo Óptimo (MMO)
Las medidas de manejo óptimo se clasifican en medidas
estructurales y no estructurales (ASCE, 2001).
Las medidas de manejo óptimo estructurales (MMOE)
consisten en obras de infraestructura que se diseñan para
alcanzar objetivos específicos de diseño, tales como la captura
de contaminantes haciendo uso de la vegetación, la
sedimentación o el filtrado. Como ejemplos de obras de
infraestructura pueden citarse las lagunas de detención, los
diques protectores para limitar el escurrimiento pluvial o los
campos de infiltración de aguas pluviales. La complejidad de
un proyecto puede requerir la implementación de un “tren de
tratamiento” que contemple una combinación de operaciones
unitarias y procesos en serie o en paralelo, como por ejemplo,
un tren de manejo del escurrimiento urbano en serie que
incluya un pretratamiento inicial, la remoción primaria de
contaminantes, y el pulido final del efluente. Basándose en la
experiencia, se recomiendan los siguientes criterios de
selección para las MMOE:
a) el grado de remoción de los contaminantes
b) los requerimientos de terreno
c) la magnitud del área de drenado que puede ser atendida
d) las características del suelo que se requieren en el sitio
de la obra (por ejemplo, permeable o impermeable)
e) la profundidad de las aguas freáticas y
f) la aceptación del público.
Las medidas de manejo óptimo no estructurales (MMONE)
consisten en medidas reglamentarias de uso del suelo y de
control de las fuentes de contaminación que la previenen y que
reducen la acumulación de los contaminantes o desalientan su
disponibilidad para el desaguado durante la lluvia, tales como
reglas para el manejo de desechos sólidos, el porcentaje
máximo permisible de áreas impermeables en una subcuenca,
el servicio de barrido de las calles, o los reglamentos de
protección de los recursos naturales. Se recomiendan los
siguientes criterios de selección para las MMONE:
a) el grado de remoción de los contaminantes
b) la existencia de una estructura gubernamental adecuada
c) la existencia de facultades legales,
d) la aceptación pública, municipal o ambas y

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e) la factibilidad técnica (por ejemplo, que el municipio
cuente con recursos financieros suficientes).
Deberá ser muy efectiva para remover los contaminantes de
interés
El escurrimiento urbano es más difícil de controlar que las
descargas de fuentes puntuales de estado estacionario y de
estiaje, debido a la naturaleza intermitente de la precipitación
y el escurrimiento, al número de puntos de descarga difusa, a
la gran variedad de las fuentes de contaminantes, y a la
variabilidad de las cargas de las fuentes. Como el costo de
construcción de las instalaciones para colectar y tratar el
escurrimiento urbano frecuentemente es prohibitivo, para el
manejo del agua pluvial debe considerarse una solución de
costo mínimo, que incluya controles no estructurales y
estructurales de bajo costo.
Deberá estar orientada a la prevención de la contaminación en
vez de su tratamiento
Deberá prevenir problemas futuros
Deberá centrarse en la solución de problemas prioritarios
En la Figura 1 se presenta el diagrama de flujo del modelo de
planeación propuesto (U. S. EPA, 2004).
Selección de las MMO
El objetivo del proceso de preselección de las MMOs es
reducir la lista exhaustiva de las mismas a una más manejable
para la selección final. Como esta etapa es una preselección
inicial, los métodos empleados generalmente son cualitativos
y requieren de un criterio profesional. Aunque no es necesario
tener un conocimiento minucioso de los criterios específicos
de diseño para esta etapa de preselección, es muy importante
entender la efectividad y la aplicabilidad de cada una de las
MMO al proyecto considerado. En general, deben
considerarse las medidas más idóneas para el control
hidráulico del escurrimiento urbano, el tipo de contaminantes
que se desea controlar, los mecanismos de remoción de los
mismos, las limitaciones en su uso, los requerimientos de
mantenimiento, y las consideraciones generales de diseño. El
proceso de selección de las medidas de manejo óptimo
(MMO) requiere de un enfoque integral debido al tamaño y la
complejidad inherentes de un programa de manejo de
escurrimiento urbano. Ningún método por sí solo es una
panacea para la solución de estos problemas. Muy
frecuentemente, la solución es una combinación de diversas
medidas de manejo óptimo con aplicaciones de procesos
unitarios que debe ajustarse a las necesidades del área urbana
considerada. El personal a cargo de un programa de esta
naturaleza debe ser multidisciplinario, incluyendo por ejemplo
al personal municipal, de obras públicas, de ingeniería, de
parques, empleados de conservación, planificadores, etc. En lo
posible, deberán intervenir todas las partes interesadas,
incluyendo funcionarios públicos y el público en general.
Al iniciar el proceso de planeación para formular el programa
de manejo de escurrimiento urbano, deberán considerarse
solamente objetivos muy generales, y a medida que se evalúan
los datos existentes, se establecerán objetivos más específicos.
Los objetivos del programa deberán estar sujetos a una
retroalimentación. Es muy importante monitorear el
comportamiento de las medidas ya implementadas. Ya que
comúnmente se requiere planeación adicional, el punto de
reingreso al proceso de planeación debe ser flexible.
Deberá formarse una lista preliminar de MMOs basándose en
los siguientes siete criterios:
La MMO deberá abordar más de un problema o satisfacer más
de un objetivo
Deberá tener el costo más bajo de construcción y operación
Deberá ser muy efectiva para el control del agua pluvial
Figura 1.Diagrama de flujo del modelo de planeación propuesto
para el manejo del escurrimiento urbano y de las demasías en
alcantarillados combinados.
Métodos de análisis de toma de decisiones
De la lista preliminar, se seleccionarán las MMOs definitivas
empleando alguno de los siguientes métodos de análisis de
toma de decisiones, que se listan en orden del más cualitativo
y más fácil de implementar al más cuantitativo y más difícil de
implementar:
Holístico
Tasa costo/beneficio
Matriz de comparaciones
Análisis de factores de decisión
Optimización
El método holístico. Este enfoque es cualitativo y depende de
ciertos hechos básicos, de la intuición, y del criterio
profesional. Un factor de decisión clave puede decidir el
proceso, como por ejemplo, el costo. Este método es aplicable
solamente para proyectos simples que contemplen un número

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pequeño de alternativas de control del escurrimiento urbano y
de variables de insumo. Generalmente, este enfoque tiende a
una solución muy simplificada. Dentro del proceso, deberá
hacerse una evaluación de factores múltiples que sea tan
cuantitativa como sea posible.
El método de la tasa costo/beneficio. Mediante el uso de
relaciones de costo/beneficio puede evaluarse el valor relativo
de diferentes alternativas, como por ejemplo el costo por kg de
contaminante removido o el costo por día de una MMO. En
este último caso, este enfoque puede usarse para determinar
cuál MMO deberá usarse primero. Este método permite hacer
un análisis gráfico en el cual se grafican el costo marginal
contra el beneficio marginal de la MMO para obtener una
curva de costo/beneficio que nos permita localizar la tasa
costo/beneficio más baja. Sin embargo, este método está
limitado por el número de relaciones costo/beneficio que
pueden considerarse convenientemente en forma simultánea.
Al igual que en el caso del método holístico, este método es
recomendable solamente para proyectos simples con pocos
factores de decisión involucrados y baja complejidad
interfactorial. En la figura 2 se presenta una gráfica que
relaciona el costo diario total del agua de proceso para una
industria con el porcentaje de reciclado basado en el reúso de
agua tratada (Eckenfelder, 1970). Esta gráfica se obtiene partir
de un balance de masa del proceso y de una ecuación para
calcular el porcentaje de reúso del agua tratada. En la gráfica
se aprecia fácilmente que el porcentaje óptimo de reúso es
alrededor del 60 %.
Figura 2.Relación entre el costo diario total del agua y el
porcentaje de reciclado del agua residual tratada.
El método de matriz de comparaciones. Este es un método de
toma de decisiones de uso común en la elaboración de las
manifestaciones de impacto ambiental. En este enfoque, se
prepara una matriz que compara las alternativas de control del
escurrimiento urbano contra los factores de decisión
seleccionados, tanto cuantitativos como cualitativos. En lo
posible, se asignan valores numéricos a los factores de
decisión para comparar las alternativas y para los factores
cualitativos, se usan comparaciones cualitativas, tales como
malo, regular, bueno y excelente. Como ejemplo, puede
citarse una matriz de comparación para la preselección de
medidas de control no estructural. En la matriz se listan
diferentes medidas de regulación de control de las fuentes de
contaminación y se compara su efectividad para satisfacer
diversos criterios, entre los cuales pueden mencionarse la
capacidad de remoción de contaminantes específicos, tales
como nutrientes y sedimentos, los requerimientos de
mantenimiento, la vida útil, la aceptación de la comunidad, los
impactos ambientares secundarios, los costos, y las
condiciones de construcción en el sitio. Para hacer la
comparación, se califica cada medida de acuerdo a los
criterios establecidos en una escala del 1 al 5, con 1 que indica
la mayor efectividad y 5 la menor. Finalmente se suman las
calificaciones para cada medida en sentido transversal y se
obtiene un resumen cuantitativo que puede servir como una
evaluación inicial de las medidas y su aplicabilidad al
proyecto.
El análisis de factores de decisión. Este enfoque es una
modificación del método de matriz de comparaciones, en el
cual se cuantifican los factores de decisión mediante el uso de
métodos de ponderación, de modo que se eliminan las
comparaciones subjetivas. Los factores o criterios de decisión
seleccionados deberán caracterizarse por ser:
No dominantes. Ningún criterio deberá ser dominante
Integrales. No deberá omitirse información pertinente
Cuantificables. Los criterios no pueden ser ambiguos, ya que
deben ponderarse con exactitud
Independientes. Los criterios no deben traslaparse
Los pesos que se asignan a los factores o criterios de decisión
deben tener una escala común y deberán reflejar la
importancia relativa de cada factor para tomar decisiones,
además de que deben ser susceptibles de sumarse.
La optimización. Este método se usa ampliamente para la
toma de decisiones cuantitativa en muchos campos de la
ingeniería y la administración. Se basa en la teoría de la
programación lineal, según la cual, para tomar decisiones, se
formula un algoritmo de maximización o minimización de una
función objetivo, sujeta a una serie de restricciones, todas ellas
funciones lineales de las variables de decisión (Bazaraa et al,
1990). Se dispone de diversos métodos para encontrar el
conjunto óptimo de variables de decisión. La función objetivo
generalmente se formula como una función de los costos
aunque también puede formularse como función de costos,
beneficios y detrimentos. Como ejemplos de beneficios
pueden mencionarse la descarga de aguas residuales removida
en galones, los contaminantes removidos en kg, y los días de
cierre de la playa que se hayan evitado. Como ejemplos de
restricciones pueden mencionarse el número máximo de
campañas de monitoreo por año o el porcentaje máximo de
reducción de contaminantes que se puede obtener. Una
función objetivo de factores múltiples que considere
intercambios entre costos, beneficios y detrimentos mediante
la incorporación de pesos relativos para cada factor se expresa
como sigue:
(1)
donde: F, función objetivo; ai, peso o factor de conversión;
yi,factor de costo/beneficio.
(2)
donde: xi,variable de decisión; bi,peso o factor de conversión.

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Los términos en la ecuación (1) deben tener las mismas
dimensiones (por ejemplo, unidades monetarias), por lo que
puede requerirse un factor de conversión. Una desventaja de
este enfoque es que los factores cualitativos son difíciles de
incorporar a las ecuaciones, especialmente en la forma de
funciones lineales de las variables de decisión. En el caso de
relaciones no lineales, puede aplicarse la optimización no
lineal, aun cuando ésta no es efectiva para problemas que
incluyen factores cualitativos.
Referencias
Selección del método de análisis de toma de
decisiones más adecuado
3.-Bazaraa, M. S., Jarvis, J. J., Sherali, H. D. (1990) Linear
Programming and Network Flows. 2nd ed. John Wiley &
Sons. Nueva York.
De los cinco métodos presentados aquí, los más adecuados
para la selección de las MMO de un proyecto de manejo de
escurrimiento urbano son el de matriz de comparaciones y el
de análisis de factores de decisión. Estos métodos dependen de
las herramientas analíticas disponibles para analizar el sistema
y del criterio de quienes evalúan las alternativas. Los métodos
holístico y de tasas de costo/beneficio, pueden usarse para
proyectos pequeños o como una aproximación inicial para
evaluar proyectos que requieran enfoques más complejos.
Deberán considerarse los siguientes factores para seleccionar
un método de análisis para un proyecto específico:
4.-Eckenfelder, W. W. Jr. (1970). Water Quality
Engineering
for
Practicing
Engineers.Professional
Engineering Career Development Series.Cahners Books.
Boston, MA. USA. pp. 68-71.
La complejidad del proyecto y las alternativas de solución
Los requerimientos de información y datos y la posibilidad de
obtenerlos
El presupuesto para realizar el estudio
Conclusiones
La creciente urbanización de cuencas hidrológicas vírgenes
como resultado de la persistente industrialización y la
explosión demográfica que caracterizan a las sociedades
contemporáneas, aunado al cambio climático producto del
calentamiento global, han traído como consecuencia la
generación de eventos hidrológicos extremos que se
caracterizan por un aumento desproporcionado de los
volúmenes y los gastos pico de las aguas pluviales y de las
demasías de alcantarillados combinados así como una
cantidad de contaminantes transportados que se infiltran al
subsuelo en proporciones cada vez menores a medida que
aumenta la superficie impermeable urbana y disminuye la
capacidad de infiltración del subsuelo en la cuenca urbanizada.
Para solucionar este problema, se presenta un modelo de
planeación sistemático e iterativo de un programa de manejo
integral del escurrimiento urbano superficial y de demasías en
alcantarillados combinados cuyo objetivo es anular o mitigar
los efectos dañinos de estos eventos hidrológicos extremos,
mediante la selección de medidas de manejo óptimo (MMO)
para lo cual se emplea un método de análisis de toma de
decisiones que sea adecuado. De los cinco métodos de análisis
de toma de decisiones presentados, los más comúnmente
empleados son el método de matriz de comparaciones y el de
análisis de factores de decisión, siendo más recomendables el
método holístico y el de la tasa costo/beneficio para proyectos
con un número pequeño de variables de decisión y baja
complejidad o para tomar decisiones preliminares en
proyectos más complejos. El método de optimización lineal es
el más difícil de implementar y el que requiere la
cuantificación más minuciosa del problema propuesto.
1.- Al Bakri, D. y Rahman, S. (2008).“Influence of Diffuse
and Point Sources on Receiving Water in Urban Catchment,
Australia”.Proceedings of the 11th International Conference
on Urban Drainage.Edinbrugh, Scotland, UK.
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for Best Management Practice (BMP) Selection in Urban
Developed Areas”.Reston, VA, USA.
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São Paulo S. A.) (1991) Ocupação de encostas. Manual.
CidadeUniversitária Armando de Salles Oliveira, São Paulo,
Brasil. p. 99.
6.- IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de
São Paulo S. A.) (1991) Ocupação de encostas. Manual.
CidadeUniversitária Armando de Salles Oliveira, São Paulo,
Brasil. p. 99.
7.-Shammas, N. K. y Wang, L. K. (2010). Water Supply and
Wastewater Removal.Capítulo 12. 3ª ed. John Wiley&Sons.
Nueva York.
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Update and Users’ Guide, EPA-600/8-77-014, Cincinnati,
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Volume 1, General Considerations, EPA/600/R-04/121,
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State NPS Program Staff Engineers and Managers, Final
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