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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

Incremento en la frecuencia y la severidad de las avenidas

Reducción del caudal durante periodos de estiaje prolongado (pérdida de gasto base)

Incrementos en la velocidad tanto del escurrimiento superficial como en las corrientes durante los eventos de tormentas.

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 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

Prohibición de construir en pendientes pronunciadas (> 30 % → 16.7° para construcción convencional, > 50 % → 26.6° límite técnicamente recomendable para habitación) (IPT, 1991)

Conservar la mayor área posible de terreno en un estado natural sin perturbación

Prohibición de construir en llanuras de inundación

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 Parámetros Posible fuente de origen EfectosSedimentos Orgánicos e

inorgánicos Sólidos suspendidos totales (SST) Turbiedad Sólidos disueltos

Obras en construcción Escurrimiento urbano/agrícola Demasías del alcantarillado combinado (DAC) Rellenos sanitarios, campos sépticos

Turbiedad Alteración del hábitat Pérdidas recreativa/estética Transporte de contaminantes Navegación/hidrología Erosión de bancos

Nutrientes Nitrato Nitrito Amoniaco

Escurrimiento urbano/agrícola Rellenos

Aguas superficiales - proliferación de algas -

MANEJO DEL ESCURRIMIENTO URBANO SUPERFICIAL DE LAS

DEMASÍAS EN ALCANTARILLADOS COMBINADOS

Echávez Aldape Gabriel1 y Raúl Arrioja Juárez1

1Facultad 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

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Nitrógeno orgánico Fosfato Fósforo total

sanitarios, campos sépticos Deposición atmosférica Erosión

toxicidad del amoniaco Agua subterránea - toxicidad del nitrato

Patógenos Coliformes totales Coliformes fecales Estreptococos fecales Virus E. coli Enterococos

Escurrimiento urbano/agrícola Sistemas sépticos Conexiones sanitarias ilícitas DAC Descargas de embarcaciones Animales domésticos/silvestres

Infecciones del oído/intestinales Clausura de lechos de moluscos Pérdida recreativa/estética

Proliferación orgánica

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) Demanda química de oxígeno (DQO) Carbono orgánico total Oxígeno disuelto

Escurrimiento urbano/agrícola DAC Rellenos sanitarios, sistemas sépticos

Agotamiento del oxígeno disuelto Olores Mortandad de peces

Contaminantes tóxicos

Trazas de metales tóxicos Orgánicos tóxicos

Escurrimiento urbano/agrícola Plaguicidas/herbicidas Tanques subterráneos de almacenamiento Sitios con residuos peligrosos Rellenos sanitarios Disposición ilegal de petróleo Descargas industriales

Bioacumulación en los organismos de la cadena alimenticia y toxicidad potencial para los humanos y otros organismos

Sales Cloruro sódico Escurrimiento urbano Derretimiento de nieve

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 menor costo 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 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).

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.

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

Deberá ser muy efectiva para remover los contaminantes de interés

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).

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:

F=∑ a i y i (1)

donde: F, función objetivo; ai, peso o factor de conversión; yi, factor de costo/beneficio.

y i=∑ bi x i (2)

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donde: xi, variable de decisión; bi, peso o factor de conversión.

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.

Selección del método de análisis de toma de decisiones más adecuado

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:

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.

Referencias

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.

2.- American Society of Civil Engineers (2001). “A Guide for Best Management Practice (BMP) Selection in Urban Developed Areas”. Reston, VA, USA.

3.- Bazaraa, M. S., Jarvis, J. J., Sherali, H. D. (1990) Linear Programming and Network Flows. 2nd ed. John Wiley & Sons. Nueva York.

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.

5.- IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S. A.) (1991) Ocupação de encostas. Manual. Cidade Universitária 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. Cidade Universitária 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.

8.- U. S. Environmental Protection Agency. (septiembre 1977). Urban Stormwater Management and Technology: Update and Users’ Guide, EPA-600/8-77-014, Cincinnati, OH, USA.

9.- U. S. Environmental Protection Agency. (2004). Stormwater Best Management Practice Design Guide, Volume 1, General Considerations, EPA/600/R-04/121, Washington, DC.

10.- Woodward-Clyde Consultants. (1990). Urban Targeting and BMP Selection: An Information and Guidance Manual for State NPS Program Staff Engineers and Managers, Final Report, Santa Clara Valley, CA, USA.