Introducción

De acuerdo con la ONU (2018), en el año 2018 el 55 % de la población humana vivía en ciudades. Continuando con esta tendencia, para el año 2030 este porcentaje se estima será del 60% de la población. Como consecuencia de este rápido desarrollo urbano que han experimentado las ciudades, se ha disminuido la capacidad de absorción natural de escorrentía al haberse impermeabilizado la gran mayoría del área urbana, lo que puede provocar una alteración en los ciclos naturales de gestión de agua lluvia (^{Suriya & Mudgal, 2012}). Dicha condición conlleva a que la precipitación se transforme principalmente en escorrentía superficial, la cual se acumula de manera rápida, originando grandes caudales que han hecho necesaria la construcción de costosas obras de infraestructura para poder gestionar los picos de agua. Debido a las fluctuaciones asociadas al cambio climático, los picos de escorrentía han sobrepasado cualquier previsión inicial y superado la capacidad de los sistemas de drenaje existentes, lo cual según se evidencia en el aumento de la frecuencia de eventos de desbordamiento e inundación en áreas urbanas (^{Sañudo, 2014}). Estos fenómenos provocan que grandes inversiones en los sistemas de drenaje urbano se vuelvan insostenibles en tanto que dejan de dar respuesta a las necesidades del entorno (^{Stokman, 2008}). En términos de calidad, la escorrentía superficial y particularmente el denominado primer lavado, pueden aportar al detrimento de la calidad de cuerpos de aguas superficiales en zonas urbanas como es el caso del río Bogotá y sus afluentes dentro de la ciudad. Para dar respuesta a esta problemática, se han desarrollado distintas tecnologías denominadas Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible- SUDS, los cuales son sistemas de drenaje complementarios para la gestión de aguas pluviales urbanas. Estas estrategias se basan en la mimetización de los ciclos hidrológicos naturales previos a los procesos de urbanización y tienen como objetivo mitigar y/o evitar inundaciones por medio de la reducción de velocidad y retención del agua de escorrentía (van Leeuwen, Awad, Myers, & Pezzaniti, 2019). Adicionalmente, pueden mejorar la calidad de agua que llega a los cuerpos hídricos urbanos, incentivar el reciclaje del agua y generar nuevos elementos paisajísticos urbanos (^{Boogaard, 2015}), en especial cuando incluyen material vegetal. Las plantas en SUDS vegetados, como zonas de bio-retención, cunetas verdes y alcorques, son un componente muy importante ya que permiten remover contaminantes del agua y el suelo, mejorar las condiciones del suelo y protegerlo de la erosión, mantener la infiltración y en general reducir los picos de agua de las tormentas (^{Hunt, W. F., Lord, B., Loh, B., & Sia, A., 2015}; ^{Goh, H. W., Lem, K. S., Azizan, N. A., Chang, C. K., Talei, A., Leow, C. S., & Zakaria, N. A., 2019}).

La ciudad de Bogotá cuenta con un sistema de alcantarillado que, si bien mantiene su capacidad de drenaje, también tiene zonas con alta probabilidad de inundación y encharcamiento (Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental- CIIA, 2017). La necesidad de reducir las probabilidades de inundación y de sus consecuencias, así como la búsqueda de estrategias para adaptarse al cambio climático han permitido avances en la implementación de SUDS. Actualmente se han identificado 7 tipologías que son las que más se adaptan al espacio público de la ciudad y se han brindado incentivos a nivel local para la implementación en obras de infraestructura (Resolución conjunta 01, 2019, Artículo 4). El presente artículo presenta un diseño de SUDS tipo zona de bio-retención propuesto para el manejo de la escorrentía superficial de un área de captación de 88 m² en el campus de la Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca, ubicado la zona occidental de la localidad de Santa Fe.

La caracterización de la zona de aplicación se aborda desde la escala macro en la localidad de Santa Fe (Figura 1). Esta localidad se encuentra ubicada sobre un límite de la ciudad en las estribaciones de los cerros orientales, con un área total de 4517 hectáreas de las cuales el área rural ocupa el 85 % (Alcaldía Mayor de Bogotá, 2017) y cuenta con la mayor densidad arbórea de la ciudad con 89 árboles por hectárea (Jardín Botánico de Bogotá José Celestino Mutis, 2017). Dentro del área rural, veredas como Monserrate, Guadalupe y El Verjón cuentan con usos del suelo específicos para cobertura de páramo, bosque alto andino y matorrales, plantaciones forestales, pastos y cultivos como hortalizas y papa. Debido a lo anterior, es importante destacar la función de la cobertura vegetal en Bogotá para la mejora de la calidad urbana ambiental; ya que favorece la captura de dióxido de carbono (CO₂), producción de oxígeno, regulación natural de la temperatura, y hábitat a especies tanto animales como vegetales.

Fuente: http://sinupot.sdp.gov.co/visor/.

Figura 1 Ubicación del predio. 

Sin embargo, la arborización se encuentra compuesta en su gran mayoría por especies foráneas, distribuidos inadecuadamente y con un estado físico y sanitario frágil (^{Tovar, 2006}) por lo que sus servicios ecosistémicos podrían no ser los adecuados para nuestro territorio.

En términos hidrológicos, el predio de la zona de estudio se encuentra localizado en la Unidad de Gestión de Alcantarillado (UGA) 108, entre las cuencas del río Fucha y Salitre en la subcuenca del río Arzobispo. Tiene un área aproximada de 151 hectáreas con usos residencial (50 %), comercial (37 %) y oficial (12 %) (^{Rojas, 2011}). Por su ubicación y pendiente presenta bajo riesgo de inundación por desbordamiento (IDIGER, 2018), no obstante es altamente vulnerable a la inundación por encharcamiento con una densidad mayor a 15 eventos por Km² (IDIGER, 2020). Cabe resaltar que el predio a intervenir se encuentra en la zona de la ciudad que conserva alcantarillado combinado (IDECA, 2020).

La zona designada para la ubicación del piloto se encuentra en la parte posterior de la oficina del programa de Construcción y Gestión de Arquitectura de la Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca (Figura 2). Esta fue elegida debido a la fácil recolección de la escorrentía proveniente de una cubierta adyacente y al control que se puede tener al piloto una vez construido para su monitoreo.

Fuente: Google Earth. Modificada por los autores.

Figura2. Localización del edificio del Programa de Construcción y Gestión en Arquitectura. 

Materiales y Métodos

^{Hunt et al. (2015)} sugieren que las zonas de bio-retención deben simular las condiciones naturales de la vegetación, en donde los hábitos de arbustos y hierbas son primordiales. Estos mismos autores presentan una serie de condiciones que deben cumplir las plantas adecuadas para estos sistemas, como: buen sistema radicular, follaje denso, resistencia a la sequía (debido a que el suelo es principalmente arena) y a la inundación (durante los picos de lluvia) y soportar altas densidades de siembra. Adicionalmente, el Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental (CIIA, 2017) indica que las especies seleccionadas deben mejorar el aspecto estético del área a intervenir y generar un ecosistema. Por último, es importante la selección de especies nativas que permitan la llegada de fauna y contribuyan a la conectividad de las coberturas.

Las zonas de bio-retención, al igual que otras tipologías de SUDS como los alcorques, las cuencas de drenaje y los pavimentos porosos, se dimensionan basados en un análisis hidrológico del que se deriva el denominado volumen de calidad (V _c ). (CIIA, 2017b).

El volumen de calidad V _c conlleva un balance entre el número de eventos que la estructura pueda retener y la capacidad de tratamiento de la escorrentía capturada. Esto implica que la zona de bio-retención cumpla con su función durante su vida útil, con unos costos de construcción y operación acordes a sus beneficios. Para áreas de drenaje pequeñas, el método racional resulta conveniente para el cálculo del volumen de calidad teniendo en cuenta los coeficientes de escorrentía de la superficie de drenaje. De tal manera que el volumen de calidad se halla a través de la ecuación 1.

(Ecuación 1)

Donde V _c [m³], volumen de tratamiento o de calidad; C es un coeficiente adimensional que representa la cantidad de precipitación que se convierte en escorrentía de acuerdo con el tipo de superficie tomados de la Norma Técnica NS 085 de la EAAB (2009); h _p [mm] es la profundidad de lluvia de diseño y A [m²] es el área de drenaje.

El valor de profundidad de lluvia de diseño h _p se obtiene del mapa de profundidad de lluvia que hace parte de los productos de la Investigación de las tipologías y/o tecnologías de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS) que más se adapten a las condiciones de la ciudad de Bogotá (CIIA, 2017). Estos datos son el resultado del análisis de la información pluviográfica horaria y diaria de un alto número de estaciones en la ciudad de Bogotá.

Alternativamente, la Norma Técnica Criterios para diseño y construcción de SUDS (Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá, 2018) propone hallar la profundidad de lluvia de diseño h _p con base en las curvas de Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF) de la estación más cercana. A partir de la ecuación 2 se obtiene la profundidad de lluvia h _1,2;360 correspondiente a un evento con periodo de retorno de 1,2 años y duración de 6 horas, este resultado se aproxima al valor de h _p por medio de la ecuación 3. De acuerdo con la Guía técnica de diseño y construcción de SUDS (CIIA, 2017), los resultados de este método tienen un coeficiente de correlación R² = 0,692 respecto a los resultados del mapa de profundidades.

(Ecuación 2)

Donde, c, m, e, f son parámetros de la estación asociados al cálculo de las IDF.

(Ecuación 3)

Una vez se obtiene el valor de volumen de calidad V _c, se procede a determinar la geometría de la estructura. De acuerdo con el Manual técnico de diseño de drenaje pluvial de la ciudad de Denver, EUA (Urban Drainage and Flood Control District -UDFCD, 2015), la geometría de la zona de bio-retención se obtiene iterando el área superficial hasta cumplir con las restricciones dadas por una lámina inundable de 0,3 m de altura máxima situada en la parte superior de la estructura y una profundidad mínima del sustrato o zona filtrante de 0,46 m. El área superficial se establece de modo que tanto la zona inundable como el sustrato sean capaces de contener el V _c, teniendo en cuenta las restricciones propias del sitio.

En la parte inferior de la estructura, de no haber infiltración, se añade una zona de drenaje de mínimo 0,23 m con tuberías de 4" o 6" de diámetro perforadas con orificios de mínimo 3/8" (0,95 cm) para evitar colmatación. De acuerdo con la Guía Técnica de Diseño y Construcción (CIIA, 2017) entre la capa de drenaje y el sustrato se recomienda una capa de agregado fino que sirva como interfase y prevenga el traspaso del sustrato al drenaje de al menos 5 cm.

Resultados

Teniendo en cuenta las características mencionadas en la metodología, se buscó una especie nativa que cumpliera con la mayor cantidad de características deseables en sistemas de bio-retención. La especie seleccionada fue Peperomia galioides (Figura 3), esta es una hierba que puede alcanzar hasta 50 cm de altura y puede crecer sobre rocas y suelo (^{Pino 2006}), (^{Melo, A., Guimarães, E. F., & Alves, M., 2016}). Es una especie nativa, de amplia distribución en América, desde México hasta Argentina y Brasil; en Colombia se puede encontrar en la región andina desde 1300 hasta 3700 m (^{Bernal, R., S.R. Gradstein & M. Celis, 2019}). Es común en los cerros circundantes a Bogotá, desde ambientes con alta deficiencia de agua a sitios húmedos. Por lo anterior, puede soportar diferentes condiciones de humedad, desde sequía hasta encharcamiento. En cuanto a la parte estética, tiene tallos rojizos llamativos y en época reproductiva presenta inflorescencias de color blanco, estos dos aspectos contrastan muy bien con el color verde del follaje. Finalmente, al ser una especie nativa se espera que atraiga insectos y aves, mejorando las condiciones ambientales del entorno donde se establezca.

Fuente: Elaborado por los autores.

Figura 3 Ejemplar de Peperomia galioides. 

En la zona de estudio, para obtener el volumen de calidad V _c se obtuvo en primer lugar la profundidad de lluvia de diseño h _p . De acuerdo con el mapa de profundidad de lluvia que hace parte de los productos de la Investigación de las tipologías y/o tecnologías de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible-SUDS que más se adapten a las condiciones de la ciudad de Bogotá (CIIA, 2017), el valor de h _p es de 21,533 mm, utilizando las coordenadas X=1001173,26 y Y=1002039,58 en el sistema MAGNA Colombia Bogotá.

Por otro lado, se obtiene la profundidad de lluvia h _p por el método de las curvas IDF de la estación pluviométrica de San Diego [21200230], ubicada a aproximadamente 210 m del punto de construcción del piloto. El resultado es una profundidad de lluvia de diseño h _p=21,906 mm, con una variación del 1.73 % (0.37 mm) respecto al valor hallado por medio del mapa. Dicha similitud es atribuible a la cercanía del punto de intervención con la estación.

Dado que es un área de drenaje pequeña de 88 m2 de un único material de asbesto cemento (Figura 4), se adopta un valor de coeficiente de escorrentía C de 0,85 correspondiente a cubiertas (Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá, 2009) para la aplicación del método racional. De esta manera, el valor del volumen de tratamiento V _c para la zona de bio-retención es de 1,61 m3 para el valor de profundidad de lluvia obtenido del mapa y de 1,64 m3 para el método de las curvas IDF.

Fuente: Elaborada por los autores.

Figura 4 Ubicación de la cuenca de drenaje. Cubierta de la oficina del programa de Construcción y Gestión de Arquitectura de la Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca. 

Para mayor facilidad se estableció la zona de captación inundable con paredes verticales, de tal manera que tanto el área superficial de toda la estructura como el área del sustrato sean iguales. Para definir el área de la base de esta zona inundable, que a su vez corresponde al área superficial del sustrato, se debe superar un área mínima recomendada para disminuir la probabilidad de colmatación que en este caso es de 1,5 m².

Dependiendo de la altura de inundación (d) que se determine, se obtiene un área superficial, la cual a su vez establece la profundidad del sustrato mínima para que tanto la zona inundable como el sustrato puedan contener el volumen de calidad. En la Tabla 1 se evidencia la variabilidad de resultados de área superficial y profundidad del sustrato con distintas alturas máximas inundables. Para el sustrato se asumió una porosidad de 0,4 acorde con la composición recomendada por el Manual técnico de diseño de drenaje pluvial de la ciudad de Denver, EUA (UDFCD, 2015).

En el caso de estudio, la combinación de variables de un empozamiento de 0,2 m, un área superficial de 8,05 m² y una profundidad del sustrato de 0,5m, cumple con el área mínima de 1,5 m² y produce la menor altura de la estructura. Un resumen de la propuesta general se encuentra en la Tabla 2 y en la Figura 5.

Fuente: Elaborado por los autores

Figura5. Corte de la zona de bio-retención. 

Discusión

La utilización de la especie Peperomia galioides en los sistemas urbanos de drenaje sostenible puede traer múltiples beneficios. En primer lugar, brinda unos servicios ecosistémicos adecuados para Bogotá, lo que facilita la transferencia y uso masivo de la tecnología en la ciudad. Así mismo, al ser una especie menor, es de fácil manejo y sus características físicas hacen que tenga un valor paisajístico. Por otro lado, encontrar nuevos usos de flora nativa puede constituir una estrategia efectiva para su conservación (^{Chaves, Santamaría, & Sánchez, 2007}).

Respecto al dimensionamiento de la estructura, la metodología implementada pertenece a la Norma Técnica Criterios para diseño y construcción de SUDS de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá, que a su vez se basa en el Manual técnico de diseño de drenaje pluvial de la ciudad de Denver, EUA. Esta metodología consiste en un proceso en el cual se iteran valores de área superficial mientras que se mantienen constantes las profundidades dentro de los rangos de la Norma. El área seleccionada debe proveer un volumen suficiente en la estructura para almacenar el volumen de calidad V _c que se determinó para el área de drenaje. En comparación con otros métodos de dimensionamiento como los adoptados por las ciudades de Riverside y Charlotte en Estados Unidos, con la metodología adaptada para Bogotá se tienden a obtener áreas más pequeñas, bien sea por cambios en los rangos de profundidades recomendadas, cambios en las suposiciones de porosidad del sustrato o metas más ambiciosas en la remoción de contaminantes. Adicionalmente, cabe resaltar que debido a las diferencias entre los regímenes hidrológicos de una ciudad tropical y las ciudades de Estados Unidos para las cuáles los métodos fueron diseñados, los volúmenes y áreas de las estructuras diseñadas para Bogotá van a tender a ser más grandes.

En el presente diseño las dimensiones resultantes son adecuadas para el espacio disponible, el cual es limitado por ser un predio desarrollado con anterioridad. Dado que la metodología de diseño supone una porosidad de sustrato del 40%, es importante implementar una estructura de entrada al sistema para disipar energía y sedimentar las partículas suspendidas de mayor tamaño; lo que evita la rápida colmatación del sustrato y pérdida de capacidad de almacenamiento. Para los eventos de precipitación que superen la capacidad del diseño, se debe instalar una estructura de desbordamiento la cual permite drenar el exceso de agua escorrentía.

La utilidad de implementar este piloto de zona de bio-retención es evaluar el desempeño de la estructura con el uso de flora nativa. Por un lado, se pueden cuantificar la retención temporal de la escorrentía y los cambios en la calidad del agua mediante la comparación de los caudales e indicadores de calidad a la entrada y salida de la zona de bio-retención. Por otro lado, se deberá monitorear in situ el desarrollo dentro del sistema de la Peperomia galioides para evaluar su crecimiento, mortalidad, sanidad y reproducción.

Conclusiones

Se presenta el diseño de un piloto de zona de bio-retención que recolecta la escorrentía de la cubierta de la oficina del programa de Construcción y Gestión de Arquitectura de la Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca. Este diseño utiliza las directrices de las Norma Técnica Criterios para diseño y construcción de Sistemas Urbanos De Drenaje Sostenible (SUDS) de la EAAB y de su referente el Manual técnico de diseño de drenaje pluvial de la ciudad de Denver, EUA. Los resultados indican que, para el área tributaria escogida, el SUDS tipo zona de bio-retención debe tener un área de 8,05 m² con las siguientes características (Figura 5): la capa de sustrato debe tener 0,5 m de profundidad, en donde se sembrarán los individuos de Peperomia galioides. Entre el sustrato y el drenaje debe existir una capa separadora de 0,05 m de arena que evita la pérdida de sustrato y mantiene la capacidad del drenaje. En la parte inferior se ubica la capa de drenaje que ha de tener una altura de 0,2 m y en donde se dispone la tubería de drenaje.

El uso de la flora nativa provee servicios ecosistémicos apropiados para el contexto y aporta valor paisajístico, adicionalmente, es una oportunidad de masificar y facilitar la implantación de los Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible en Bogotá. De acuerdo con la metodología de dimensionamiento utilizada, el volumen de la estructura es suficiente para mejorar la calidad de la escorrentía sin ocupar un área considerable. En comparación con otras metodologías de dimensionamiento se obtienen volúmenes más compactos, lo cual es importante teniendo en cuenta que las altas precipitaciones requieren SUDS de mayor tamaño convirtiendo el área disponible en una restricción relevante. Para mantener la capacidad de tratamiento del volumen de diseño se requiere de estructuras anexas de entrada de sedimentación y de rebosamiento a la salida.

Con la implementación del piloto se busca evaluar los beneficios esperados de las zonas de bio-retención como la reducción de caudales pico y el mejoramiento de la calidad del agua utilizando la especie Peperomia galioides. Se espera que estas evidencias aporten a la aplicación de estos sistemas a gran escala y se repliquen en diferentes zonas del campus de la Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca, en donde actualmente predominan altas velocidades y se presenta rebosamiento de los canales superficiales de drenaje que entregan a la red de alcantarillado mixto de la ciudad.

Se hacen necesarias futuras investigaciones para la optimización de este diseño mediante el uso de estructuras prefabricadas para la construcción de este piloto. Esto puede llegar a permitir ahorrar costos de construcción y facilitar la réplica del piloto en otras condiciones de experimentación. Del mismo modo, es necesario examinar más adelante la relación de la flora utilizada con otras especies, principalmente insectos y aves.