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Recientemente en Japón el sistema de infiltración de agua pluvial se está convirtiendo gradualmente en una parte integral de las medidas para la preservación del ciclo hidrológico en áreas urbanizadas. Este documento describe una investigación experimental y teórica que ha sido llevada a cabo para aclarar los problemas prácticos asociados con la aplicación de sistemas de infiltración. En primer lugar, los efectos de las instalaciones (o facilidades) de infiltración sobre la reducción de la inundación, son discutidos con base en experimentos y observaciones en áreas piloto de estudio, y los resultados del seguimiento del examen en un área piloto están resumidos desde el punto de vista del mantenimiento y las instalaciones de infiltración. En segundo lugar, se presenta un procedimiento de estimación de capacidad de infiltración de las instalaciones, basado en una consideración de la teoría de infiltración. Finalmente, se propone un modelo de una cuenca simplificada a escala, para estimar los efectos de los sistemas de infiltración de agua pluvial, y el comportamiento de los sistemas en temporal inusual es discutido usando resultados simulados por medio del modelo a escala de la cuenca.
A las estructuras que se construyen para promover la infiltración de agua pluvial por medios artificiales se les da el término de instalaciones de infiltración. Recientemente, en Japón se han incorporado las instalaciones de infiltración a la preservación del ciclo hidrológico urbano, lo cual reduce la escorrentía directa del temporal, acelerando las infiltraciones y al mismo tiempo aumentando la recarga freática, que a su vez mejora la baja corriente en los ríos.
Durante los pasados diez años, la investigación experimental y teórica ha sido llevado a cabo para aclarar los problemas prácticos asociados con la aplicación de los sistemas de infiltración en zonas urbanas. El laboratorio del autor continúa realizando esa investigación en colaboración con la Corporación de Desarrollo Habitacional y Urbano (HUDC).
En 1981 HUDC estableció una área piloto de estudio en un complejo habitacional en Akishima Tsutsujigoaka Heights, bajo el asesoramiento técnico del laboratorio del autor con el propósito de aclarar los problemas en la aplicación práctica de instalaciones de infiltración. Akishima Tsutsujigoaka Heights (de aquí en adelante referida como ATH), está localizada en los suburbios del oeste de Tokio. Un área de estudio comparativo con un sistema de drenaje convencional, se proveyó adyacente al área piloto (Fig. 1). Las áreas piloto y comparativas son de 1.61 y 1.56 has respectivamente. Estas áreas fueron equipadas con un pluviómetro y tres indicadores de gasto. También se instalaron catorce tensiómetros a profundidades de 5 a 250 centímetros para monitorear el comportamiento de la humedad del suelo alrededor de la zanja de infiltración. El área de estudio está situada sobre una plataforma de terreno elevado diluvial llamada Musashino que se extiende sobre el oeste de Tokio. Un suelo de ceniza volcánica llamado Kanto Loam cubre el área a un espesor de 3-4 metros, seguida por debajo de una capa de Grava Tachikawa con alta permeabilidad, del orden de 10-2 cm/seg. El manto freático está aproximadamente a 10 metros de la superficie. El bosquejo de las instalaciones de infiltración en un área piloto se muestra en la Fig. 2. El número de cajas de conexión de infiltración instaladas es de 40, la longitud total de zanjas de infiltración es de 494 metros, la longitud total de las cárcavas permeables en forma de U es de 143 metros y el área cubierta por pavimento (o asfalto) permeable es de 2,405 metros cuadrados.
En 1984 los autores instalaron modelos de zanjas de infiltración y un pozo de infiltración de la Estación Experimental de Chiba del IIS de la Universidad de Tokio, que está también situada sobre un terreno elevado diluvial cubierto por Kanto Loam, a un espesor de 5-6 metros. Bajo la capa de Kanto Loam se tiende una capa de Arena Narita con una mezcla de arena fina y limo (o sedimento). El manto freático está aproximadamente a 10 m bajo la superficie. Treinta y cuatro tensiómetros están instalados a profundidades de 5-600 cms alrededor de una zanja modelo de infiltración. La escorrentía de precipitación sobre el techo tiene una área de 480 m2, los niveles de agua en las instalaciones de infiltración, las presiones de succión de los tensiómetros y el efluente de las instalaciones son automáticamente registrados en una computadora.
Los modelos de campo de zanjas de infiltración instalados en Akishima y Chiba tienen la misma sección transversal como en la Fig. 2(b). En ambos lugares los experimentos para zanjas de infiltración fueron llevados a cabo bajo una carga constante de 70 centímetros del fondo de la zanja y los resultados se indican en la Fig. 3. Puede observarse que en cada sitio de infiltración la tasa alcanza cierto valor constante conforme transcurre el tiempo y las tasas finales difieren de sitio en sitio, dependiendo de las propiedades del suelo que rodea las zanjas. El eje vertical a la derecha se convierte en capacidad de infiltración para el caso en donde una zanja de un metro es suministrada para cada área de drenaje impermeable de 10 m2.
La instalación a esta densidad es realizada en áreas habitacionales, reemplazando una parte de las tuberías de dren convencional por zanjas de infiltración. La intensidad de precipitación de un período de retorno de 100 años alrededor del área de Tokio es aproximadamente 110 mm/hr. Si un sistema de infiltración de agua pluvial es introducido a una intensidad como la arriba mencionada, entonces el período de precipitación de retorno para suelo no alterado en Chiba será reducido a menos de 30 mm/hr en la tasa final, lo cual es un año del período de retorno de precipitación. También la capacidad de infiltración de 10 mm/hr para suelo relleno de Chiba reducirá el período de retorno de precipitación a 70 años.
Los resultados de las observaciones del efluente de precipitación en ATH para tormentas relativamente grandes de 1981 a 1986 están resumidas en la Tabla 1. Todos los valores del cociente de la escorrentía (relación del volumen a la cantidad de precipitación) para el área de estudio piloto produce valores mucho más bajos que el área comparativa y confirma aún más la efectividad de la infiltración. La Fig. 4 muestra un típico ejemplo de los hidrogramas de la Tabla 1, cuando el total de la cantidad de la tormenta era de 166 mm. Se observa que el 78% del volumen total de la escorrentía y el 82% del efluente pico fueron reducidos por el sistema de infiltración pluvial.
Para adquirir el conocimiento respecto al mantenimiento y mejoramiento de las instalaciones de infiltración, se llevó a cabo un estudio de seguimiento (Managawa, 1990) en el área de estudio piloto de ATH en 1988. Este estudio realizado 7 años después de la instalación del sistema de infiltración, incluyó la observación del grado de sedimento en cada instalación y también pruebas locales de infiltración en instalaciones seleccionadas antes y después de remover los materiales atorados.
Los resultados obtenidos del estudio están resumidos como sigue:
(1) El análisis del cociente de escorrentía y el coeficiente pico de escorrentía obtenido de la observación contínua del efluente de precipitación, reveló que la eficiencia del sistema no cambió durante el período de siete años.
(2) Algunas de las porciones de las cajas conectoras de infiltración muestran una pronunciada disminución en la capacidad, debido a la gran cantidad de sedimento arriba de la capa de roca triturada. Sin embargo, ésta recupera su capacidad inicial de infiltración después de remover la materia de sedimento.
(3) Las zanjas de infiltración mantuvieron su capacidad inicial de infiltración sin mucha sedimentación. Esto ocurre porque casi todos los materiales de sedimento son atrapados en la caja conectora, la cual recibe directamente la lluvia del techo y la coloca exactamente antes de la zanja.
(4) La obstrucción del pavimento permeable fue observada en la porción perimetral del área pavimentada. El pavimento permeable obstruido pudo ser restaurado limpiándolo con un chorro de agua.
(5) La cárcavas permeables en forma de U, que reciben el agua pluvial del drenaje directamente de carreteras, aumentaron seriamente la obstrucción, enfatizando así la necesidad de un filtro de basura para el agua pluvial, previa a la entrada de ésta a las cárcavas en forma de U.
(6) Como conclusión principal, es necesario remover basura y sedimento de las cajas conectoras de infiltración y de los pavimentos permeables, a un intervalo predeterminado de tiempo para un mantenimiento continuo de la capacidad de infiltración del sistema.
| Fecha | Avenidas | Area de estudio comparativa | Area de estudio piloto | Promedio | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cantidad R (mm) | Duración Tc (hr) | Intensidad máxima rx (mm/30min) |
Profundidad de precipitación | Precipi tación promedio | Profundidad de precipitación | Precipi tación promedio | qp/qc (%) | |||
| Qpc (mm/30 min) | Qc (mm) | fc | Qpp (mm/30 min) | Qp (mm) | fp | |||||
| 81 07/02 | 40.75 | 21.0 | 4.25 | 3.13 | 17.12 | 0.420 | 0.13 | 0.36 | 0.009 | 2.08 |
| 07/30 | 56.75 | 21.0 | 14.50 | 3.63 | 23.15 | 0.408 | 0.75 | 2.70 | 0.048 | 11.65 |
| 08/22 | 87.50 | 30.0 | 8.75 | 6.04 | 32.77 | 0.375 | 0.13 | 2.20 | 0.025 | 6.73 |
| 10/01 | 46.50 | 19.0 | 5.75 | 1.93 | 12.14 | 0.261 | 0.10 | 0.03 | 0.001 | 0.26 |
| 10/08 | 43.25 | 30.0 | 11.00 | 2.88 | 14.56 | 0.337 | 1.19 | 1.68 | 0.039 | 11.55 |
| 11/02 | 54.00 | 19.0 | 4.50 | 2.13 | 23.60 | 0.437 | 0.63 | 3.16 | 0.058 | 13.38 |
| 82 04/15 | 56.50 | 19.0 | 6.75 | 4.50 | 30.74 | 0.544 | 0.16 | 0.92 | 0.016 | 2.99 |
| 08/01 | 166.00 | 26.0 | 12.00 | 7.60 | 95.53 | 0.575 | 2.00 | 21.14 | 0.127 | 22.13 |
| 83 08/14 | 138.00 | 40.0 | 25.00 | 16.80 | 98.65 | 0.715 | 3.30 | 14.32 | 0.104 | 14.51 |
| 08/17 | 101.50 | 10.5 | 19.00 | 13.00 | 98.97 | 0.679 | 7.40 | 19.77 | 0.195 | 28.67 |
| 09/27 | 90.50 | 43.0 | 6.50 | 4.50 | 52.37 | 0.579 | 1.20 | 9.02 | 0.100 | 17.21 |
| 86 08/04 | 144.00 | 21.5 | 13.00 | 8.08 | 84.05 | 0.584 | 2.19 | 12.12 | 0.084 | 14.42 |
| 09/02 | 103.00 | 14.0 | 19.50 | 9.77 | 62.66 | 0.608 | 2.78 | 10.76 | 0.104 | 17.17 |
| 10/01 | 38.00 | 16.5 | 3.50 | 1.92 | 19.29 | 0.508 | 0.13 | 0.73 | 0.019 | 3.77 |
La corriente desde las instalaciones de infiltración, ocurre en la zona saturada y parte de la infiltración toma lugar como corriente insaturada. Por lo tanto, es necesario estimular la corriente, usando un modelo numérico para obtener las capacidades de infiltración, ya que no hay soluciones para las ecuaciones regulantes. También las tasas de infiltración dependen de las propiedades hidráulicas del suelo. Estas pueden ser medidas de las muestras de suelo no alterado, pero es una tarea que consume mucho tiempo y es tediosa, y tal información no está disponible de inmediato. En tales casos, tendrán que ser estimados de otra información disponible.
En el diseño de sistemas de infiltración, es necesario poder estimar la capacidad de infiltración de una instalación de ciertas dimensiones para un sitio específico. La corriente desde tal instalación puede ser descrita por la ecuación de Richard que se muestra a continuación:
c (ø) _ ø / _ t = V • [k (ø) V (ø + z)] (1)
donde, c (ø) _ ø / _ t, ø : succión de agua de suelo, ø : contenido de humedad del suelo y K (ø): la conductividad del suelo en sección ø.
Usando la simulación numérica para la distribución de succión para un condición dada, puede ser computada y entonces la corriente estimada puede hacerse usando la ecuación de Darcy para computar el efluente de las instalaciones de infiltración.
El mecanismo de infiltración se muestra en la Fig. 5. Al principio de la infiltración, el frente de agua está muy cerca de las instalaciones de infiltración y a medida que los gradientes hidráulicos están altos, la tasa de infiltración es muy alta. Conforme pase el tiempo el frente de agua se mueve de la superficie de infiltración, reduciendo el gradiente hidráulico y reduciendo también la tasa de infiltración. El agua corrediza consiste en un frente saturado y un frente móvil insaturado. El frente saturado se vuelve más lento con el tiempo y en algún punto alcanza un perfil estacionario. La tasa de infiltración de ahí en adelante llega a ser casi constante, aunque el proceso de infiltración en sí es inestable y la corriente insaturada continua, fuera del frente saturado.
En la estimación de la capacidad de infiltración desde una zanja o pozo, es suficiente estimar la capacidad de infiltración final. Para suelo con una conductividad bastante alta, este estado quasiestacionario es alcanzado en un corto período de tiempo. Para estimar esta tasa constante, se simplifica la ec (1) como sigue.
La función de conductividad K (ø) está expresada como
k (ø) = ko Kr (ø) (2)
donde Ko : conductividad saturada del suelo, Kr(ø): conductividad relativa.
A continuación consideramos el estado estacionario de la ec (1) obtenida por imposición de condiciones de un límite artificial fuera de la superficie de infiltración. Ya que _ø /_t = 0, substituyendo la ec (2) en la ec (1) y gradualmente con respecto a la Ko, se obtiene la ecuación gobernante para la zanja y el pozo de infiltración:
V• [k (ø) V (ø + z) ] = 0 (3)
Como la corriente puede ser considerada simétrica, solamente se requiere un análisis de dos dimensiones. La ec (3) se resuelve dependiendo del tipo de instalación para infiltración por un límite dado y las condiciones iniciales y la solución final, la capacidad de infiltración de la instalación se estima usando la ley de Darcy por lo que
Q / Ko = ƒ r kr (ø) V (ø + z) (4)
donde r denota la superficie de infiltración. Para este procedimiento es necesario conocer de antemano la relación de conductividad del suelo.
Como se mencionó anteriormente, la conductividad hidráulica del suelo K(ø) se requiere para las simulaciones. Esta relación entre la conductividad hidráulica y la humedad del suelo puede ser estima de pequeñas muestras de suelo, pero es un proceso tedioso que consume mucho tiempo. Otro problema asociado es que las medidas de las pequeñas muestras tienen un gran disparcimiento y puede que no sean representativas de un sitio dado. Nuestra experiencia con pruebas de campo muestra que si la K(ø) es expresada como K(ø)=Kokr(ø), la estimación de Ko tomada de las pruebas de campo es suficiente para obtener una relación de conductividad confiable (Herath et al., 1987). La kr(ø) es medida, ya que sea de pequeñas muestras o es generada de la relación succión-húmeda [F-ø] del suelo, usando un modelo como el modelo Mualem (1976).
Para estimar confiablemente la conductividad hidráulica de campo se deben llevar a cabo pruebas en el sitio. La prueba más adecuada para esto es la de perforación de carga constante, donde una perforación se hace en el suelo y la tasa de infiltración se mide por carga constante. La tasa de infiltración se monitorea continuamente hasta que se convierte en constante para que el análisis del estado estacionario arriba mencionado pueda aplicarse. Usando la conductividad relativa estimada de acuerdo al procedimiento discutido, la tasa de infiltración final se estima simulando el experimento de campo de acuerdo al procedimiento esquematizado en la sección 3.1; como el efluente estimado es expresado como Q/Ko, y ya que Q está disponible como una observación, la conductividad saturada Ko puede ser estimada.
Los siguientes resultados muestran la tasa de infiltración computada y observada por tres zanjas de infiltración, llevada a cabo en la ciudad de Kiyose, en Tokio. Las anchuras de las zanjas fueron 60, 120 y 180 cms respectivamente. La Fig. 6 muestra las tasa de infiltración finales computadas y observadas. La conductividad de suelo para el sitio fue 0.0071 cm/s.
Por medio de estas verificaciones experimentales, se puede ver que las predicciones son muy buenas, con excepción de las cargas hidrostáticas bajas. En las cargas hidrostáticas bajas, probablemente los poros alrededor de las perforaciones puede ser que no lleguen a estar completamente saturados, y el método de análisis puede que no sea aplicable.
La aplicación de la ecuación de Richards con una estimación adecuada de las propiedades hidráulicas del suelo es razonable y útil para la estimación de la capacidad de infiltración de las instalaciones. Sin embargo, no es recomendable para los efectos de la cuenca a escala de un sistema de infiltración, ya que los requerimientos de computación llegan a ser demasiados. Por lo tanto, es necesario desarrollar un método práctico que permita una fácil estimación de los efectos de la cuenca a escala.
Entre los componentes de una instalación de un sistema de infiltración, mostrado en la Fig. 2, una combinación de cajas conectoras y zanjas son las más eficientes y ampliamente usadas.
Por consiguiente, se intenta el desarrollo de un modelo simplificado para zanjas de infiltración, reemplazando las cajas conectoras con zanjas de una longitud equivalente.
La taza de infiltración de una zanja es afectada por las propiedades hidráulicas del suelo (F-ø y k-ø), la humedad de suelo inicial y estado del agua en la zanja. Los efectos de estos factores sobre la estimación de tasa de infiltración fueron examinados a través de una inspección cuidadosa de los datos observados de los modelos de campo en el área de estudio piloto con experimentos numéricos usando la ecuación de Richards (Okamura et al., 1990). Como resultado se propone la siguiente forma de ecuación para el cálculo de la tasa de infiltración de las zanjas
Q = Ko (a H + b + c d H / dt (5)
donde Q: tasa de infiltración por longitud de unidad (ml/cm/s) Ko: conductividad hidráulica saturada (cm/s), H: estado del agua medida del fondo de la zanja (cm), a, b, c: coeficientes relacionados a las características de retención del suelo y humedad inicial.
Un modelo de cuenca a escala para el área del estudio piloto se construyó como se muestra en la Fig. 7, incorporando el modelo simplificado arriba mencionado. Una caja de infiltración es reemplazada por una zanja con la longitud de 1 m, y el pavimento permeable es tratado como área permeable. En este caso Ko is 3 X 10-3 cm/s, y los valores de a,b y c son 2.77, 77.11 y 11.08, respectivamente.
La Fig. 8 muestra una comparación del efluente observado del área piloto y el efluente calculado usando el modelo de arriba, indicando una concordancia bastante buena.
Como se mostró en los experimentos de campo, las observaciones muestran una alta efectividad del sistema de infiltración de agua de temporal. Sin embargo, un problema son las tormentas inusuales, las cuales necesitan ser observadas todavía en las áreas de estudio.
Para aclarar este problema, el comportamiento funcional del sistema de infiltración en ATH es examinado usando 5 diseños de tormentas de pico centrado correspondientes a períodos de retorno de 10, 30, 50, 70 y 100 años, en el modelo de cuenca descrito en la sección anterior.
La Fig. 9(a) muestra el porcentaje de la escorrentía en la precipitación pico. En la figura puede verse que el efecto de la reducción de la precipitación pico tiende a ser alta por las lluvias de baja intensidad como esas con 10 y 30 años de períodos de retorno, pero disminuyen con precipitaciones de alta intensidad. La Fig. 9(b) muestra el volumen total de escorrentía como un porcentaje de precipitación total. La reducción del volumen de escorrentía es bastante efectivo para todas las tormentas del diseño. Esto indica que el sistema de infiltración es muy efectivo si se usa en conjunto con otras medidas de retención. Es importante notar que el volumen de escorrentía reducido es infiltrado recargando el agua del subsuelo.
El modelo descrito en este trabajo trata principalmente con la estimación de los efectos de la reducción de inundación de los sistemas de infiltración. Por otra parte, es importante estimar cuantitativamente la capacidad de recarga del agua del subsuelo y mejorar la baja corriente en los ríos. Al respecto deberíamos extender las investigaciones a un modelo distribuido del ciclo hidrológico urbano completo.
MINAGAWA, K., El sistema de infiltración de agua de temporal en complejos habitacionales y el seguimiento del estudio. Proc. 5a. Conf. Internacional sobre Drenaje de Temporal Urbano, Osaka, 1990, pp. 771-776.
MUALEM, Y., Un catálogo de las propiedades hidráulicas de suelos insaturados. TECHNION, Israel, Instituto Tecnológico, 1976.
MUSIAKE, K. y HERATH, S., Un método simplificado para estimar la infiltración de zanjas: Proc. 42ava, Conf. Anual JSCE, Vol.2, 1987, pp. 188-189.
OKAMURA, J. y MUSIAKE, K., A practical model for estimating infiltration rate from trenches. Proc. 45ava, Conf. Anual JSCE, Vol. 2, 1990, pp.168-169.
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