Ciclo hidrológico urbano y drenaje sostenible: efectos y diseño

El ciclo hidrológico urbano es el recorrido del agua en una ciudad. Al ciclo natural de precipitación, infiltración, escorrentía y evapotranspiración se suman el abastecimiento, el consumo, el alcantarillado y el drenaje de aguas lluvias. La impermeabilización aumenta el volumen y el caudal punta de la escorrentía, reduce la recarga directa y degrada la calidad del agua; el drenaje sostenible busca acercar esa respuesta a la del terreno antes de urbanizar.

Componentes del ciclo urbano

En una cuenca natural la lluvia se reparte entre evapotranspiración, infiltración y escorrentía, como describe el capítulo del ciclo del agua. La ciudad altera ese reparto y agrega un circuito construido:

• Abastecimiento: captación en ríos, embalses o acuíferos, potabilización y distribución por tuberías enterradas.
• Consumo: uso doméstico, comercial e industrial que convierte el agua potable en agua residual.
• Alcantarillado de aguas servidas: recolección, tratamiento y descarga a un cauce o reúso.
• Drenaje de aguas lluvias: soleras, sumideros, colectores y cauces que evacuan la escorrentía.
• Fugas y recarga urbana: pérdidas de redes, fosas sépticas y obras de drenaje que infiltran agua al acuífero.

Lerner (2002) muestra que en las ciudades las vías de recarga son más numerosas y complejas que en zonas rurales: techos y pavimentos eliminan parte de la recarga directa, pero las fugas de las redes suelen aportar una recarga importante y el drenaje pluvial puede sumar otra. El balance neto depende de cada ciudad. La recarga intencional se trata en el capítulo de recarga gestionada de acuíferos.

La EPA (2003) ilustra el cambio del balance con dos situaciones extremas:

Son porcentajes esquemáticos, no valores de diseño: la escorrentía superficial se multiplica y la infiltración profunda casi desaparece.

Efectos de la impermeabilización

Leopold (1968) distinguió cuatro efectos del uso del suelo: en el caudal punta, en el volumen de escorrentía, en la calidad del agua y en el valor paisajístico de los cauces, y consideró la urbanización el cambio más influyente. La respuesta depende de la fracción impermeable y de la rapidez con que el agua llega a los cauces, que aumenta con los colectores.

Leopold resumió siete estudios para una cuenca de 1 milla cuadrada (2,59 km²) y la crecida media anual. Sin colectores, pasar de 0 a 100 % impermeable multiplicó en promedio el caudal punta por 2,5; con colectores en toda la cuenca, la razón respecto de la condición rural fue de 1,7 sin superficie impermeable y cercana a 8 con 100 % impermeable.

La EPA (2003) agrega que una manzana típica genera más de cinco veces la escorrentía de un bosque de igual tamaño, que desde un 10 % de cobertura impermeable puede degradarse el cauce y que muchos ríos urbanos llevan menos caudal en tiempo seco. El resultado es más inundación pluvial. La ciudad también es una isla de calor: según la EPA, es entre 0,6 y 3,9 °C más cálida que su entorno de día y entre 1,1 y 2,8 °C de noche, y sus pavimentos calientan la escorrentía.

Sistemas unitarios y separados

Un sistema unitario conduce por la misma tubería aguas lluvias, aguas servidas y residuos industriales. Si la lluvia supera su capacidad, el exceso sin tratar se vierte a los cauces: es un desborde de alcantarillado unitario (CSO, por su sigla en inglés), con bacterias, basura y sustancias peligrosas. La EPA lo considera un problema de contaminación y salud pública para unas 700 comunidades de Estados Unidos. En un sistema separado, una red lleva las aguas servidas a tratamiento y otra conduce las aguas lluvias a los cauces, sin tratar la contaminación que lava la escorrentía.

La Ley 19.525 de Chile exige que las nuevas redes de aguas lluvias sean independientes del alcantarillado de aguas servidas, salvo que la autoridad disponga lo contrario con un estudio de ingeniería, y ordenó reconectar a las redes de aguas lluvias los sumideros conectados a las de aguas servidas. Según el SERVIU Metropolitano, las sanitarias solo participan en aguas lluvias donde hay redes unitarias.

Drenaje convencional y drenaje sostenible

El enfoque convencional, o infraestructura gris, aleja la lluvia de techos y pavimentos lo más rápido posible con soleras, sumideros y colectores. Resuelve el anegamiento local, pero traslada volumen, caudal punta y contaminación aguas abajo. El drenaje sostenible gestiona la lluvia cerca de donde cae: la retiene, la infiltra, la trata y la evapotranspira. Fletcher et al. (2015) revisaron los nombres de este cambio:

Después se sumaron las ciudades esponja de China: según Lashford et al. (2019), el enfoque se adoptó desde 2013, con guías nacionales en 2014, bajo seis principios: infiltrar, detener, almacenar, limpiar, usar y drenar. Fletcher et al. concluyen que una terminología única no es realista y piden declarar qué controla cada medida y con qué fin. Este libro usa drenaje sostenible como término general.

Técnicas de drenaje sostenible

El SERVIU Metropolitano propone disminuir la escorrentía reduciendo y desconectando áreas impermeables, favorecer la retención cerca del origen y aprovechar la red natural de drenaje. La HEC-22 (Kilgore et al., 2024) describe prácticas equivalentes como infraestructura verde.

Según la HEC-22, una detención extendida de 24 h o más puede remover hasta 90 % de las partículas, pero poco fósforo y nitrógeno disueltos, y las zanjas de infiltración pueden colmatarse y contaminar el agua subterránea. La detención recorta el caudal punta sin reducir el volumen; la infiltración y la evapotranspiración reducen ambos.

Criterios básicos de diseño

Caudal de descarga controlado

El criterio más común limita el caudal de salida al de predesarrollo para un rango de frecuencias; también puede fijarlo la capacidad del cauce receptor. La obra necesita un vertedero auxiliar y su volumen definitivo se obtiene transitando el hidrograma de entrada.

Volumen de captura

Para la calidad del agua se trata el volumen de primer lavado, que arrastra la mayor carga contaminante. La HEC-22 recoge tres criterios: 12,7 mm (0,5 in) de escorrentía del área impermeable, 12,7 mm de escorrentía de toda la cuenca o la escorrentía de los primeros 25,4 mm de lluvia; tratar más de 25,4 mm mejora poco la remoción. En unidades SI:

donde $WQ_v$ es el volumen de calidad (m³), $R_v$ el coeficiente volumétrico de escorrentía (adimensional), $P$ la lámina de lluvia (mm) y $A$ el área (ha).

Tasa de infiltración

La HEC-22 sugiere medir la infiltración en terreno cuando es determinante, en vez de adoptar el valor de una carta de suelos. La obra debe almacenar la diferencia entre la escorrentía que recibe y la que infiltra durante la tormenta.

Marco legal e institucional en Chile

La Ley 19.525, publicada el 10 de noviembre de 1997, regula los sistemas de evacuación y drenaje de aguas lluvias:

• La red primaria corresponde al MOP, a través de la Dirección de Obras Hidráulicas (DOH); la red secundaria, al MINVU, que la planifica, y a los SERVIU, que la proyectan, construyen y mantienen (arts. 1 y 3).
• El MOP elabora planes maestros que definen la red primaria, aprobados por decreto de los ministros de Obras Públicas y de Vivienda y Urbanismo; el resto es red secundaria (art. 2). Deben considerar la cuenca y acciones contra la erosión y la deforestación (art. 6).
• Quien urbaniza ejecuta a su costa los desagües de aguas lluvias (art. 5).

La DOH publica 18 planes maestros, entre ellos los del Gran Santiago, Gran Valparaíso, Concepción y Punta Arenas. Para la red secundaria de la Región Metropolitana, el SERVIU Metropolitano pide resolver las aguas lluvias donde se originan, sin traspasar el problema a terceros, y remite a la guía del MINVU Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos.

Ejemplo resuelto

Datos ilustrativos. Un predio agrícola de 24 ha con praderas de corte, suelo del grupo hidrológico C y pendiente de 2 a 7 % pasa a loteo residencial con 55 % de superficie impermeable conectada a colectores. El tiempo de concentración baja de 40 a 15 min. Se diseña para $T$ = 10 años con la IDF ilustrativa del capítulo de lluvia de diseño, que no corresponde a ninguna estación:

con $i$ en mm/h, $T$ en años y $D$ en minutos.

a) Caudal punta con el método racional

Antes de urbanizar se usa el valor medio del SERVIU para zonas agrícolas cultivadas con pendiente de 2 a 7 %, $C$ = 0,17. Después, el coeficiente se pondera con los valores medios por superficie:

Con $T^{0{,}20}$ = 1,5849, $i(40)$ = 633,96/15,462 = 41,00 mm/h e $i(15)$ = 633,96/9,518 = 66,60 mm/h. Con el área en hectáreas, según el método racional:

El caudal punta se multiplica por 5,4: el coeficiente crece 3,3 veces y la intensidad 1,6 veces, porque el agua llega antes.

b) Volumen de escorrentía con el número de curva

Para una lluvia ilustrativa de $P$ = 80 mm en 24 h, antes de urbanizar se usa pradera de corte en buena condición, grupo C ($CN$ = 71). Después, con la parte permeable como espacio abierto en buena condición ($CN$ = 74) y 55 % impermeable conectado, el número de curva compuesto del NRCS es:

Se aplican $S = 25400/CN - 254$, $I_a = 0{,}2\,S$ y $Q = (P - I_a)^2/(P + 0{,}8\,S)$, en mm; el volumen es $10\,Q\,A$, con $A$ en ha.

El volumen crece 2,2 veces, 6.331 m³ más por tormenta, mucho menos que el caudal punta.

c) Laguna de detención

Para no superar el caudal de predesarrollo, $q_o$ = 0,465 m³/s, se usa el hidrograma triangular de la HEC-22, descrito por Boyd (1981): la entrada es un triángulo de base $t_i = 2\,t_c$ y el volumen es el área entre entrada y salida.

con $V_s$ en m³, $t_i$ en s y los caudales máximos de entrada $q_i$ y salida $q_o$ en m³/s. Con $t_i$ = 2 × 15 × 60 = 1.800 s:

Son 76,6 m³/ha; con 1,5 m de altura útil, unos 1.225 m² más taludes y borde libre. El volumen de primer lavado, con 12,7 mm sobre las 13,2 ha impermeables, es de 1.676 m³. Hay tres límites: el triángulo de entrada solo contiene 2.256 m³, porque representa una lluvia de duración $t_c$, y tormentas más largas pueden exigir más almacenamiento; el diseño final debe transitar hidrogramas por la laguna con su salida real; y la laguna iguala el caudal punta, pero no elimina los 6.331 m³ adicionales, que solo se reducen infiltrando, evapotranspirando o aprovechando el agua.

Errores frecuentes

• Usar el mismo tiempo de concentración antes y después. Los colectores lo acortan y elevan la intensidad de diseño.
• Suponer que todo lo impermeable está conectado. Si los techos descargan a prados, el CN compuesto sobrestima la escorrentía.
• Confundir detención con retención. La detención queda seca entre tormentas; la retención mantiene agua permanente.
• Creer que la detención compensa el volumen. Solo recorta el pico; aguas abajo el caudal alto dura más.
• Diseñar infiltración con valores de tabla. Sin medir la tasa ni la napa, la obra puede colmatarse o contaminar el acuífero.
• Omitir el vertedero de emergencia. Toda laguna será superada alguna vez y debe desbordar por un camino previsto.
• Tratar SUDS, LID y WSUD como sinónimos exactos. Cada término tiene origen y alcance propios.

Preguntas frecuentes

Fuentes

• Fletcher, T. D., Shuster, W., Hunt, W. F. et al. (2015). SUDS, LID, BMPs, WSUD and more: The evolution and application of terminology surrounding urban drainage. Urban Water Journal, 12(7), 525–542. doi.org
• Kilgore, R., Atayee, A. T. y Herrmann, G. (2024). Urban Drainage Design, Hydraulic Engineering Circular No. 22 (4.ª ed.). Federal Highway Administration. fhwa.dot.gov
• Lashford, C., Rubinato, M., Cai, Y. et al. (2019). SuDS & Sponge Cities: A comparative analysis of the implementation of pluvial flood management in the UK and China. Sustainability, 11(1), 213. doi.org
• Leopold, L. B. (1968). Hydrology for urban land planning: A guidebook on the hydrologic effects of urban land use (Circular 554). U.S. Geological Survey. pubs.usgs.gov
• Lerner, D. N. (2002). Identifying and quantifying urban recharge: A review. Hydrogeology Journal, 10(1), 143–152. doi.org
• Ministerio de Obras Públicas (1997). Ley 19.525: Regula sistemas de evacuación y drenaje de aguas lluvias. bcn.cl
• SERVIU Metropolitano (s. f.). Capítulo 5: Diseño de elementos urbanos de infraestructura de aguas lluvias. pavimentacion.metropolitana.minvu.cl
• U.S. Environmental Protection Agency (2003). Protecting water quality from urban runoff (EPA 841-F-03-003). epa.gov