estudio de la atenuación de la escorrentía en techos verdes en altos de cazucá, soacha.

125 Pages·2013·7.21 MB·Spanish

ESTUDIO DE LA ATENUACIÓN DE LA
ESCORRENTÍA EN TECHOS VERDES EN ALTOS
DE CAZUCÁ, SOACHA.

Nicolás Oviedo Escobar

Pontificia Universidad Javeriana
Facultad De Ingeniería
Departamento De Ingeniería Civil
Bogotá D.C.
Diciembre de 2012
ESTUDIO DE LA ATENUACIÓN DE LA
ESCORRENTÍA EN TECHOS VERDES EN ALTOS
DE CAZUCÁ, SOACHA.

Nicolás Oviedo Escobar

Trabajo de grado presentado como requisito para optar por el título de:
Ingeniero civil

Director:
Andrés Torres Abello
Ingeniero Civil
(Ic, Msc, Phd)

Evaluador:
Mario Díaz-Granados
Ingeniero Civil
(Ic, Msc)

Pontificia Universidad Javeriana
Facultad De Ingeniería
Departamento De Ingeniería Civil
Bogotá D.C.
Diciembre de 2012
REGLAMENTO DE LA PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

Art. 23 de la resolución No. 13 del 6 de Julio de 1964

“La Universidad no se hace responsable por los conceptos emitidos por sus alumnos en
sus trabajos de tesis. Solo velará porque no se publique nada contrario al dogma y la
moral católica y porque las tesis no contengan ataques o polémicas puramente
personales; antes bien, se ve en ellas el anhelo de buscar la verdad y la justicia”.
AGRADECIMIENTOS

Quiero ofrecer un agradecimiento especial al ingeniero Andrés Torres por su
acompañamiento y guía en el presente proyecto, lo cual fue indispensable para el
desarrollo del mismo. Agradezco también al ingeniero Santiago Sandoval y la Ecóloga
Carolina Forero, y a la Fundación Catalina Muñoz por su colaboración en el desarrollo de
esta tesis. Igualmente quiero extender un agradecimiento a mi familia, por su apoyo
incondicional durante todo el proceso.
Contenido
Introducción ........................................................................................................................................ 1
1. Materiales y Métodos ............................................................................................................... 10
1.1. Localización del sitio de estudio ........................................................................................ 10
1.2. Diseño Techo Verde .......................................................................................................... 11
1.3. Protocolo Experimental ..................................................................................................... 13
1.3.1. Mediciones de lluvias ................................................................................................ 13
1.3.2. Mediciones de Caudal ............................................................................................... 14
1.4. Simulación hidrológica ...................................................................................................... 15
1.5. Simulación hidráulica ........................................................................................................ 15
1.5.1. Diseño Hidráulico (Alcantarillado Pluvial) ................................................................. 16
1.6. Simulaciones de Techos Verdes ........................................................................................ 20
1.7. Herramientas Computacionales ........................................................................................ 21
1.7.1. MATLAB (MATrix LABoratory, "laboratorio de matrices") ........................................ 21
1.7.2. R-Project .................................................................................................................... 22
1.7.3. EPASWMM ................................................................................................................ 22
1.7.4. Algoritmos desarrollados .......................................................................................... 26
2. Resultados y Discusión .............................................................................................................. 36
2.1. Análisis de Atenuación ...................................................................................................... 38
2.1.1. PCA ............................................................................................................................ 41
2.1.2. Análisis de Varianza (Análisis N° 1 al 3) ..................................................................... 42
2.1.3. Síntesis de Resultados de Atenuación Hídrica .......................................................... 51
2.2. Resultados del Diseño del Alcantarillado Pluvial .............................................................. 52
2.3. Comparación del alcantarillado con Techos Verdes y sin Techos Verdes ......................... 54
2.3.1. ACM ........................................................................................................................... 66
2.3.2. Análisis de varianza (análisis 4-7) .............................................................................. 68
2.3.3. Síntesis de los resultados delas diferencias entre un alcantarillado con y sin techos
verdes 79
2.4. Resultado Montecarlo ....................................................................................................... 80
Conclusiones ..................................................................................................................................... 85
Recomendaciones ............................................................................................................................. 86
Referencias ........................................................................................................................................ 87
Anexo A ............................................................................................................................................. 89
Anexo B ........................................................................................................................................... 111

Tablas e Ilustraciones
Ilustraciones
Ilustración 1 Diferencia en el ciclo hidrológico en áreas urbanizadas y no urbanizadas. Fuente:
(Coupe et al. 2006) .............................................................................................................................. 1
Ilustración 2 Clasificación de los SUDS de acuerdo a su manejo de la escorrentía en general.
Fuente: Adaptado de ((Ballard and Kellagher 2007)).......................................................................... 4
Ilustración 3 Clasificación de las diferentes Técnicas en los SUDS. Fuente: Adaptado de Ballard and
Kellagher (2007) .................................................................................................................................. 5
Ilustración 4 Humedales en canales no revestidos. Fuente: Ballard and Kellagher (2007) ................ 6
Ilustración 5 Clasificación Techo Verdes. Fuente:
http://pci9pnunez.blogspot.com/2009/08/tipos.html ....................................................................... 8
Ilustración 6 Localización del barrio la Isla, Altos de Cazuca, Soacha. Fuente: (IPO 2004) .............. 10
Ilustración 7 Área de estudio Familias Seleccionadas: Fuente: ©2012 Google ................................ 11
Ilustración 8 Foto de una botella tipo Fuente: Autor ........................................................................ 12
Ilustración 9 Techo verde Propuesto Perteneciente a la Familia 1. Fuente: Fundación Catalina
Muñoz ............................................................................................................................................... 12
Ilustración 10 Techo verde de la Familia 1, a la derecha está la propietaria de la casa con su hija . 13
Ilustración 11 Montaje de Verificación de datos. Fuente: Autor ...................................................... 14
Ilustración 12 Evento del 16 de abril Fotos cada 10 min. Fuente: Autor .......................................... 14
Ilustración 13 Trazado Alcantarillado Pluvial. Fuente: Autor ............................................................ 17
Ilustración 14 Sumidero Transversal a la vía. Tomado de Múrcia Balaguer (2011) .......................... 18
Ilustración 15 Modelo Conceptual de lluvia-escorrentía, para la transformación de lluvia a
escorrentía mediante balance de masas. Adaptado de Rossman (2010) ......................................... 23
Ilustración 16 Modelo Conceptual de lluvia-escorrentía para el cálculo del caudal de escorrentía.
Adaptado de Rossman (2010) ........................................................................................................... 23
Ilustración 17 Representación del modelo conceptual de Pozo-Tubería en EPASWMM Tomado de
Múrcia Balaguer (2011) ..................................................................................................................... 24
Ilustración 18 Esquema Aproximado de Soluciones a las ecuaciones de Saint-Venant Tomado de
Múrcia Balaguer (2011) ..................................................................................................................... 26
Ilustración 19 Esquema de Algoritmo de PCA y ACM Fuente: Autor ................................................ 28
Ilustración 20 Esquema del Algoritmo para Análisis de Varianza ..................................................... 31
Ilustración 21 Esquema del Algoritmo para la generación de C aleatorios. Fuente: Autor .............. 33
Ilustración 22 Esquema del Algoritmo de Simulaciones Techos verdes. Fuente: Autor ................... 35
Ilustración 23 Hietogramas por eventos: Evento 1 (25 de marzo), Evento 2 (27 de marzo), Evento 3
(30 de marzo), Evento 4 (30 de marzo) ............................................................................................. 37
Ilustración 24 Hietogramas por eventos: Evento 5 (8 de abril), Evento 6 (15 de abril), Evento 7 (15
de abril), Evento 8 (17 de abril) ......................................................................................................... 38
Ilustración 25 Hidrógrafas de entrada (en azul) y de salida (en rosado, negro, rojo y verde) en cada
techo verde ....................................................................................................................................... 40
Ilustración 26 Scatter-Chart, muestra el peso de las variables en los componentes principales. .... 41
Ilustración 27 Representación de las variables Evento, Familia, , K, C y Vp con el 80.9 % de
la varianza. ........................................................................................................................................ 42
Ilustración 28 Porcentaje de varianza explicada en los resultados de lag-time (K) (EA: errores
aleatorios). ........................................................................................................................................ 43
Ilustración 29 Relación entre Lag-time y el área del techo verde para los resultados de Atenuación
hídrica-K ............................................................................................................................................ 44
Ilustración 30 Relación entre Lag-time y el volumen total precipitado para los resultados de
Atenuación hídrica ............................................................................................................................ 44
Ilustración 31 Relación entre Lag-time y las Familias participantes en la toma de datos en campo,
para los resultados de Atenuación hídrica ........................................................................................ 45
Ilustración 32 Relación entre Lag-time y el Volumen para los resultados de Atenuación
escurrido
hídrica ................................................................................................................................................ 45
Ilustración 33 Porcentaje de varianza explicada en los resultados del coeficiente de escorrentía (C)
(EA: errores aleatorios). .................................................................................................................... 46
Ilustración 34 Relación entre C y el Área para los resultados de Atenuación hídrica ................. 47
techo
Ilustración 35 Relación entre C y el Volumen total llovido para los resultados de Atenuación
hídrica-C ............................................................................................................................................ 47
Ilustración 36 Relación entre C y Familia para los resultados de Atenuación hídrica-C ................... 48
Ilustración 37 Relación entre C y Volumen para los resultados de Atenuación hídrica-C ....... 48
escurrido
Ilustración 38 Porcentaje de varianza explicada en los resultados de los volúmenes de pérdidas
(Vp) (EA: errores aleatorios). ............................................................................................................. 49
Ilustración 39 Relación entre Vp y para los resultados de Atenuación hídrica-Vp ............. 49
Ilustración 40 Relación entre Vp y para los resultados de Atenuación hídrica-Vp ........... 50
Ilustración 41 Relación entre Vp y izquierda), y Vp y (derecha) para los
resultados de Atenuación hídrica-Vp ................................................................................................ 51
Ilustración 42 Trazado del Alcantarillado junto con la topografía del área de estudio. Fuente: Autor
........................................................................................................................................................... 53
Ilustración 43 Delimitación de áreas de drenaje ............................................................................... 53
Ilustración 44 Trazado Alcantarillado convencional C=1 .................................................................. 56
Ilustración 45 Trazado Alcantarillado con techos verdes C=0.1 ....................................................... 57
Ilustración 46 Serie de lluvias reales desde el 2009 al 2012 ............................................................. 58
Ilustración 47 Comparación entre Probabilidades de inundación con y sin techos verde. Fuente:
Autor. ................................................................................................................................................ 62
Ilustración 48 Comparación de Esperados de Probabilidad entre un techo verde con C=1 y un techo
no verde C=1 ..................................................................................................................................... 64
Ilustración 49 Comparación de modas de Probabilidad entre un techo verde con C=1 (línea Azul) y
un techo no verde C=1 (Línea Negra) ................................................................................................ 65
Ilustración 50 Comparación de medianas de Probabilidad entre un techo verde con C=0.1 (línea
Azul) y un techo no verde C=1(Línea Negra) .................................................................................... 66
Ilustración 51 Representación de las variables , , y ,
, , con el 75.8 % de la varianza .......................................... 68
Ilustración 52 Porcentaje de varianza explicada en los resultados de los deltas máximos de
probabilidad de inundación ( ) (EA: errores aleatorios). ........................................................ 69
Ilustración 53 Relaciones entre: - , - , - y -
, para los resultados de . ............................................................................................ 70
Ilustración 54 Relaciones entre – para los resultados de . ................................. 71
Ilustración 55 Porcentaje de varianza explicada en los resultados de los deltas mínimos de
probabilidad de inundación ( ) (EA: errores aleatorios). ......................................................... 72
Ilustración 56 Relaciones entre: - y - , para los resultados de
........................................................................................................................................................... 72
Ilustración 57 Relaciones entre: - , - y - , para los
resultados de ......................................................................................................................... 73
Ilustración 58 Porcentaje de varianza explicada en los resultados de Moda de probabilidad de
inundación sin techos verdes ( ) (EA: errores aleatorios). .......................................... 74
Ilustración 59 Relaciones entre: - , para los resultados de ...... 75
Ilustración 60 Relaciones entre: – , – , –
, para los resultados de ...................................................................... 76
Ilustración 61 Porcentaje de varianza explicada en los resultados de Moda de probabilidad de
inundación sin techos verdes ( ) (EA: errores aleatorios). ...................................... 77
Ilustración 62 Relaciones entre: - , - , -
, – y - , para los
resultados de ......................................................................................................... 78
Ilustración 63 Frecuencia y Función de densidad de Probabilidad de los valores de C recogidos en
Campo. .............................................................................................................................................. 81
Ilustración 64 Estabilización de la media, la mediana y la moda al aplicar Montecarlo con 1000
simulaciones ...................................................................................................................................... 82
Ilustración 65 Medidas de tendencia central de las distribuciones de probabilidad encontradas con
la técnica de Montecarlo ................................................................................................................... 83
Ilustración 66 Distribución de valores más probables de inundación Resultado de la simulaciones
de montecarlo ................................................................................................................................... 84
Ilustración 67 Trazado del Alcantarillado junto con la topografía del área de estudio. Fuente: Autor
........................................................................................................................................................... 89
Ilustración 68 Taller N°2. Fuente: Fundación Catalina Muñoz ........................................................ 111
Ilustración 69 Taller N° 4. Fuente: Fundación Catalina Muñoz ....................................................... 112
Ilustración 70 Comienzo de la cosecha de junio de 2012 Familia 2. Fuente: Fundación Catalina
Muñoz ............................................................................................................................................. 112
Ilustración 71 Estado del techo verde de la Familia 2 en julio de 2012. Fuente: Fundación Catalina
Muñoz ............................................................................................................................................. 113
Ilustración 72 Familias Participantes del Proyecto. Fuente: Fundación Catalina Muñoz. .............. 113
Tablas
Tabla 1 Parámetros de la Curva IDF según Ecuación de Montana .................................................... 19
Tabla 2 Selección del Periodo de retorno Fuente (MDE) .................................................................. 20
Tabla 3 Principales funciones de Time-Stack .................................................................................... 26
Tabla 4 Principales funciones de PCA ................................................................................................ 27
Tabla 5 Principales funciones de ACM .............................................................................................. 28
Tabla 6 Estructuración de los diferentes análisis que se tuvieron en cuenta al desarrollar el código
para análisis de varianza ................................................................................................................... 30
Tabla 7 Funciones Principales para Análisis de Varianza. Adaptada de Rivero (2012) ..................... 31
Tabla 8. Funciones principales usadas por el código de generación de C aleatorios. ...................... 32
Tabla 9 Funciones principales en el Código de simulaciones de Techos Verdes. Fuente: Autor ...... 34
Tabla 10 Resumen de los Eventos tomados ...................................................................................... 36
Tabla 11 Datos recogidos en campo ................................................................................................. 39
Tabla 12 Resultados de prueba de significancia para Volumen total ............................................... 44
Tabla 13 Resultados de prueba de significancia para Familia (Familia1, familia2, Familia3, Familia4)
........................................................................................................................................................... 45
Tabla 14 Resultados de prueba de significancia para Volumen escurrido ........................................ 45
Tabla 15 Resultado de prueba de significancia para Área .......................................................... 47
techo
Tabla 16 Resultados de prueba de significancia para Volumen total llovido .................................... 47
Tabla 17 Resultados de prueba de significancia para Familia .......................................................... 48
Tabla 18 Resultados de pruebas de significancia para Volumen ............................................. 48
escurrido
Tabla 19 Resultados de pruebas de significancia para ....................................................... 49
Tabla 20 Resultados de pruebas de significancia para ..................................................... 50
Tabla 21 Resultados de pruebas de significancia para ............................................... 51
Tabla 22 Resultados de pruebas de significancia para ......................................................... 51
Tabla 23 Variables que influyen significativamente (pvalue<0.05) sobre la variabilidad de la
Atenuación Hídrica ............................................................................................................................ 52
Tabla 24 Presupuesto Alcantarillado C=1 .......................................................................................... 57
Tabla 25 Presupuesto Alcantarillado con implementación de techos verdes .................................. 58
Tabla 26 Resultados de pruebas de significancia para .......................................................... 71
Tabla 27 Resultados de pruebas de significancia para ........................................................... 71
Tabla 28 Resultados de pruebas de significancia para .................................................. 71
Tabla 29 Resultados de pruebas de significancia para .................................................... 71
Tabla 30 Resultados de pruebas de significancia para ................................................................ 71
Tabla 31 Resultados de pruebas de significancia para ........................................................... 73
Tabla 32 Resultados de pruebas de significancia para .................................................... 73
Tabla 33 Resultados de pruebas de significancia para ................................................................ 74
Tabla 34 Resultados de pruebas de significancia para ........................................................... 74
Tabla 35 Resultados de pruebas de significancia para .................................................. 74
Tabla 36 Resultados de pruebas de significancia para con respecto a .......... 75
Tabla 37 Resultados de pruebas de significancia para con respecto a ................ 76
Tabla 38 Resultados de pruebas de significancia para, con respecto a ......... 76
Tabla 39 Resultados de pruebas de significancia para con respecto a ... 76
Tabla 40 Resultados de pruebas de significancia para con respecto a ............. 78
Tabla 41 Resultados de pruebas de significancia para con respecto a ...... 79
Tabla 42 Resultados de pruebas de significancia para con respecto a ........ 79
Tabla 43 Resultados de pruebas de significancia para con respecto a
........................................................................................................................................................... 79
Tabla 44 Resultados de pruebas de significancia para con respecto a 79
Tabla 45 Resumen de variables independientes que inciden significativamente sobre el beneficio
de implementar Techos Verdes ........................................................................................................ 80
Tabla 46 Caracterización de Alcantarillado (Parámetros de entrada) ............................................ 100