Diágnostico y propuesta de soluciones en la red de alcantarillado pluvial del Campus Central del Instituto Tecnológico de Costa Rica (Cartago)

Abstract

[ES] El presente trabajo se orientó en realizar un diagnóstico de la red de alcantarillado pluvial del campus central del Instituto Tecnológico de Costa Rica con el fin de detectar sus deficiencias y así proponer una serie de actuaciones para brindar solución. El campus universitario se encuentra al noroeste de la provincia de Cartago, situada dentro de la cuenca del Río Toyogres con un área total de 89.920 ha, pero el área de estudio sobre la red se limita a 28.404 ha.

El modelo de la red fue confeccionado a partir del procesamiento de información espacial (planos de levantamientos topográficos, ortofotos, imágenes satelitales) y sus simulaciones se llevaron a cabo con el software SWMM. La parametrización del modelo matemático se fundamentó en una búsqueda minuciosa en referencias bibliográficas y su respectiva comparación con los usos de suelo y materiales de los conductos existentes. La tormenta de diseño fue obtenida por el método de bloques alternos para un período de retorno de 10 años a partir de una curva de intensidad, duración y frecuencia del Instituto Meteorológico Nacional de Costa Rica.

Se optó por realizar un análisis de sensibilidad para ver el efecto de siete parámetros en los resultados más relevantes y de este modo, dar validez al trabajo. Fueron elegidos el número de curva (CN), porcentaje de área impermeable (%Imperv), coeficientes de rugosidad para el área impermeable (n_imperv) y permeable (n_perv), láminas de almacenamiento en depresiones sobre el área impermeable (s_imperv) y permeable (s_perv), y coeficiente de rugosidad para el tránsito hidráulico (n).

Se determinó que el n_imperv, el n_perv y el s_perv resultaron poco sensibles en el modelo, en lo que a escorrentía superficial respecta, pues ninguno de los errores relativos promedio evaluados supera el 4.5%; mientras que el s_imperv resultó ser totalmente insensible en todas las simulaciones. Por su parte, los parámetros más importantes fueron el CN, el %Imperv y el n de Manning, pero sus variaciones no reflejaron errores porcentuales promedio mayores al 10%, aun cuando su rango de variación fue muy amplio, como el ± 30% para el %Imperv. Por lo tanto, el modelo matemático en SWMM se consideró idóneo para el estudio desarrollado.

En cuanto a las propuestas de actuación se plantearon cuatro opciones, donde las primeras tres se enfocaron en el aumento de la capacidad hidráulica de los conductos (enfoque clásico) y la cuarta en la reducción de la escorrentía. Se concluyó que la propuesta de solución 4 es la que reúne todos los requisitos necesarios para ser considerada como la más adecuada, la cual, a pesar de presentar un costo en términos económicos mayor, contempla valores añadidos adicionales en materia ambiental (control de la cantidad y mejoras en la calidad de las escorrentías superficiales por su tipología) que las primeras tres soluciones no incluyen. Esta propuesta sustituyó, además de conductos, un total de 9 ha de área impermeable por pavimentos porosos, de los cuales el 45% son aceras (4 ha) y el restante 55% corresponde a calles y parqueos (5 ha).

Adicionalmente, se demostró el potencial que tienen las técnicas de drenaje urbano sostenible en la reducción de la escorrentía urbana, esto luego de la simulación con pavimentos permeables dentro del área de estudio. En términos concretos, se obtuvo que la escorrentía superficial total se redujo en un 34% mientras que la infiltración total aumentó en un 92%.

[EN] The present work was oriented to make a diagnosis of the pluvial sewer network of the central campus of the Costa Rica Institute of Technology with the purpose of detecting its shortcomings and thus propose a series of actions for to provide solution. The university campus is located to the northwest of the province of Cartago, situated inside of the Rio Toyogres catchment with a total area of 89.920 ha, but the study area over the sewer is limited to 28.404 ha.

The sewer¿s model was made from of processing of spatial information (topographic survey plans, orthophotos, satellite images) and their simulations were carried out with the SWMM software. The parametrization of the mathematical model was based on a meticulous search in bibliographic references and its respective comparison with the land uses and materials of the existing conduits. The design storm was obtained by the alternative block method for a return period of 10 years from an intensity, duration and frequency curve of the National Meteorological Institute of Costa Rica.

It was decided to perform a sensitivity analysis to see the effect of seven parameters on the most relevant results and in this way, validate the work. The curve number (CN), subcatchment's percent impervious (% Imperv), roughness coefficients for the impermeable area (n_imperv) and permeable (n_perv), depression storage for the impermeable area (s_imperv) and permeable (s_perv) were chosen, and roughness coefficient for transit (n).

It was determined that n_imperv, n_perv and s_perv were not very sensitive in the model, in terms of runoff, since none of the average relative errors evaluated exceeded 4.5%; whereas the s_imperv proved to be totally insensitive in all the simulations. On the other hand, the most important parameters were CN, % Imperv and Manning's n, but their variations did not reflect average percentage errors greater than 10%, even though their range of variation was very wide, such as ± 30% for % Imperv. Therefore, the mathematical model in SWMM was considered suitable for the study developed.

Regarding the proposals for action, four options were proposed, where the first three focused on increasing the hydraulic capacity of the conduits (classic approach) and the fourth on the reduction of runoff. It was concluded that the Solution proposal 4 is the one that meets all the necessary requirements to be considered as the most appropriate, which, despite presenting a cost in greater economic terms, contemplates additional bonuses in environmental matters (control of the amount and improvements in the quality of runoff due to its typology) that the first three solutions do not include. This proposal replaced, in addition to conduits, a total of 9 ha of impermeable area by porous pavements, of which 45% are sidewalks (4 ha) and the remaining 55% corresponds to streets and parking lots (4 ha).

Additionally, the potential of sustainable urban drainage techniques in the reduction of urban runoff was demonstrated, this after the simulation with permeable pavements within the study area. In concrete terms, it was found that total surface runoff was reduced by 34% while total infiltration increased by 92%.