Agua y Ciudad Jorge Gironás y Bonifacio Fernández
Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental Pon@ficia Universidad Católica de Chile 2ª Jornada Técnica Espacio Público Sustentable Espacio Público -‐ Planificación y Eficiencia en el Consumo de Recursos (Agua)
Sistemas de agua en la ciudad Tratamiento agua potable Abastecimiento
Distribuci贸n
Sistema Pluvial
Sistema Sanitario
Tratamiento aguas servidas
Descarga a cuerpos de agua
Sistemas de agua en la ciudad •
¿Quién piensa en la operación del sistema completo?
•
Demandas crecientes Sistemas quedan obsoletos, deterioro de la infraestructura y poco flexibilidad. Sistema de agua potable:
• •
• •
•
Sistema de aguas servidas: • •
•
Dificultades para preservar la calidad del agua en todo el sistema La mayoría del agua potable no se bebe. Vertido de aguas servidas en sistemas unitarios durante tormentas (CSOs) Costos de tratamiento.
Sistema de aguas lluvias: • • • •
Basados sólo en capacidad de conducción No se preserva el sistema hidrográfico natural Contaminación difusa Contaminación por CSO en sistemas unitarios
Sistemas de agua en la ciudad 70 60
Caudales medios anuales río Mapocho
Agua potable y alcantarillado
Mapocho, Rinconada de Maipú Mapocho, Los Almendros
m 3/s
50 40 30 20
Escorrentía Urbana
10 0 1970
1980
1990
2000
2010
http://woodgears.ca/sink/replace.html
“Restauración” de cauces (Kondolf, 2006)
4
El ciclo hidrológico y el balance hídrico El ciclo Hidrológico (Chow, 1988)
• • • •
El agua como un elemento esencial en el planeta. Alta variabilidad espacial y temporal del recurso. Diferentes condiciones de demanda. El ciclo hidrológico global como ciclo cerrado.
El ciclo hidrológico y el balance hídrico La cuenca hidrográfica • Superficie total drenada por un cauce y sus afluentes aguas arriba. Se define topográficamente por la línea de crestas o divisorias de agua. • Refleja la dependencia existente entre la geología, la topografía, el suelo, el clima y la vegetación • Principales componentes: (1) los cursos, canales y río (red hidrográfica o red de canales), (2) laderas o superficies contribuyentes.
El ciclo hidrológico y el balance hídrico La cuenca hidrográfica • Unidad fundamental donde ocurren los procesos hidrológicos. • Sistema abierto: Balance Hídrico
Balance Hídrico Componentes del ciclo hidrológico en un sistema abierto (Bras, 1991)
El ciclo hidrológico y el balance hídrico Variabilidad espacial y temporal en relación con el paisaje • Paisaje natural condicionado por balance hídrico promedio y usos del agua en el largo plazo. • Eventos extremos modifican el paisaje en forma natural • El hombre es el principal agente modificador del paisaje
Balance hídrico zona central de Chile. (Fernández et al., 2004)
El recurso h铆drico en Chile
Clasificaci贸n clim谩tica y distribuci贸n de temperaturas y precipitaciones medias anuales (Toledo y Zapater, 1989)
Aspectos legales • Uso regulado por el Código de Aguas (1981). • Agua es un recurso natural renovable, bien nacional de uso público. • Puede ser utilizado por cualquiera siempre que no se limite el uso de terceros.
Derechos de Agua • Para el uso exclusivo en una actividad. • Se solicita al Estado y es otorgado libremente mientras exista disponibilidad.
• DGA a cargo de gestión, planificación, medición, otorgamiento y fiscalización. • Tienen un precio acorde al mercado y son parte del patrimonio. • No están condicionados al suelo ni al uso que se les quiera dar.
• Facilitan regulación de usos económicos y productivos del agua. • No facilitan la regulación de usos no productivos y medioambientales.
Aspectos legales Cauces • Bienes nacionales de uso público con delimitación regulada legalmente. • Las obras que los afectan deben contar con la aprobación de la DGA. • Su delimitación es compleja dada la variabilidad intrínseca de caudales. • Gestión en zonas urbanas es complicada: • Utilización informal por parte de la población y de privados. • Alto grado de intervención. • Se hace muy difícil la identificación de cauces naturales urbanos.
Quebrada de Jaime. Actualmente Av. Francia (Valparaiso) http:// puertodemisamores.blogspot.com/2006/09/quebradas.html
Agua y ciudad Luis Fuentes y Carlos Sierralta (2004) United Nations (2009). World Urbanization Prospects The 2009 Revision, Highlights
Crecimiento promedio 8 km2 / año
Al 2009, 88.8 % de la población Chilena vivía en ciudades. Para el 2050, lo hará el 94.2%. Se construyó del orden de 100.000 viviendas al año (entre 1992 y 2002)
Agua y ciudad: aguas lluvias Cambios en la transformación lluvia-escorrentía
- "
Disminución de la infiltración y la retención temporal debido a la impermeabilización del suelo (calles, techos, veredas...)
Cambios en la red de drenaje y su morfología
- "
Modificación y eliminación de los cauces naturales de drenaje
"
Aparición de nuevos cauces en cunetas, calles, colectores,..
Cambios en la calidad del agua
- "
Aumentos y aparición de nuevos contaminantes asociados a la actividad humana
"
Colapso de redes de aguas servidas
"
Destrucción de zonas naturales y ecosistemas
Se generan mayor escurrimientos, inundaciones y peor calidad hacia aguas abajo
Agua y ciudad: aguas lluvias -
Cambios en la transformación lluvia-escorrentía • • •
mm/h
Cambios en el uso del suelo Aumenta la impermeabilidad y compactación del suelo (pérdida de infiltración) Pérdida de vegetación, superficies más planas (pérdida de retención)
mm/h
mm/h
Tiempo
Infiltración y retención
Flujo Superficial
Agua y ciudad: aguas lluvias Caudal máximo ( l/s)
1000
100
10
Frecuencia 1
0.1
0.01
Cambios en la transformación lluvia-escorrentía
100 Aumento de la magnitud para igual frecuencia
10
urbana natural
Aumento de la frecuencia para igual magnitud
1 0.0
0.1
1.0 10.0 Periodo de retorno (años)
100.0
En general se observa que: • Caudal máximo de 100 años : 2 a 3 veces • Caudal máximo de 20 años : 3 a 5 veces • Caudal máximo de 2 años : 15 a 25 veces • Caudal máximo natural de 2 años entre 3 y 6 veces al año • Aumento del volumen total: 5 a 10 veces
Agua y ciudad: aguas lluvias -
Cambios en la transformación lluvia-escorrentía
70 60
Caudales medios anuales río Mapocho Mapocho, Rinconada de Maipú Mapocho, Los Almendros
m 3/s
50 40 30 20 10 0 1970
1980
1990
2000
2010
Agua y ciudad: aguas lluvias -
Cambios en la red de drenaje y su morfología
(Fotos cortesía de Larry Roesner, EE.UU.)
Agua y ciudad: aguas lluvias - 
WERF
bruary 6, 2001
Cambios en la red de drenaje y su morfologĂa
Agua y ciudad: aguas lluvias - 
Cambios en la calidad de las aguas
http://www.blainc.com/greencso.htm
http://www.rivernetwork.org/rn/combined-andsanitary-sewer-overflows
Agua y ciudad: aguas lluvias -
Cambios en la calidad de las aguas
Contaminante Aceites y grasas Amoníaco Aluminio Arsénico Cianuros Cromo DBO Fierro Hidrocarburos Manganeso Nitrato Nitrógeno Kjeldahl Total Plomo Sol. Suspendidos Zinc
Frecuencia con que se Contaminantes presentes en las excede la normativa aguas lluvias de Santiago con concentraciones por sobre las al menos una vez normas de referencia al menos una vez persistentemente al menos una vez al menos una vez al menos una vez persistentemente persistentemente al menos una vez persistentemente al menos una vez al menos una vez http://www.umaine.edu/WaterResearch/ al menos una vez outreach/impact_of_development.htm persistentemente al menos una vez
Agua y ciudad: aguas lluvias Aspectos Legales • Ley 19525 promulgada a fines de 1997. • El estado velará por la existencia de sistemas de evacuación y drenaje de aguas lluvias que evite daño a personas, viviendas e infraestructura urbana. • Planificación, estudio, proyección, construcción, reparación, mantención y mejoramiento de la red primaria corresponderá al MOP. La red secundaria estará a cargo del MINVU. • Las redes de aguas lluvias serán independientes de las de aguas servidas y sin interconexión entre ellas. • El MOP desarrollará Planes Maestros (indicativos y no mandatorios), en los que se definirá la red primaria. • PM además entregan un instrumento de planificación para área urbana actual y las zonas de expansión en un horizonte de 30 años.
Agua y ciudad: aguas lluvias Aspectos Legales. Falencias • Inexistencia de un reglamento. • Inexistencia de una definición legal c/r al financiamiento del drenaje. • Dualidad de entes reguladores para las redes primarias y secundarias. • Inexistencia de una normativa de calidad de las aguas lluvias. • Inexistencia de incentivos y estrategia para implementar medidas sustentables y de bajo impacto a pequeñas escalas. • Inexistencias de Planes Maestros en muchos lugares. • Criterios y definiciones pueden se poco claros y no homogéneos. • Gran importancia de medidas de conducción por sobre medidas de retención.
Agua y ciudad: agua potable y aguas servidas Aspectos Fundamentales • Servicios Sanitarios dedicados a producir y distribuir el agua potable y recolectar y disponer de las aguas servidas. • SISS: ente público de regulación y control del sector de Servicios Sanitarios. • Funciones Generales: • Proponer tarifas por los servicios de agua potable y aguas servidas prestados por las empresas sanitarias • Otorgamiento de concesiones de servicios sanitarios. • Fiscalización de empresas sanitarias • Fiscalización de los establecimientos industriales generadores de residuos industriales líquidos - Riles.
Agua y ciudad: agua potable y aguas servidas Evoluci贸n del sector sanitario 1998
2010
Participaci贸n de empresas p煤blicas y/o municipales
97,3
4,6
Participaci贸n de empresas privadas
2,7
95,4
Cobertura Agua Potable (%)
99,3
99,8
Cobertura Alcantarillado (%)
91,6
95,9
Cobertura tratamiento de AA.SS (%)
16,7
86,9
Agua y ciudad: agua potable y aguas servidas • Consumo promedio de agua: 200-300 l/hab/día • Aguas residuales: Aguas negras y Aguas grises Lavadero de plato, 1%
Otros, 2% Tina, 2% Ducha, 17%
Pérdidas, 1 4%
Aguas Grises, 56%
Lavadora, 21%
Toilets, 27% Grifos, 16%
Escusado
Lavadero de platos
Pérdidas
Otros
Tina
Ducha
Lavadora
Grifos
¿Es realmente necesario potabilizar toda el agua a ser utilizada en el domicilio? ¿Tiene toda el agua residual el mismo nivel de contaminación como para ser enviada a la planta de tratamiento? ¿Hay alguna manera de reutilizar las aguas grises?
Diseño urbano sensible al agua Aspectos fundamentos • Incorporar el recurso hídrico en el funcionamiento normal de la ciudad, buscando minimizar los efectos de las urbanizaciones en las personas, la infraestructura y el medio ambiente. • Etapas históricas: (1) controlar de inundaciones y efectos directos, (2) controlar de la calidad , (3) replicar componentes del balance hídrico natural y su variabilidad. Cantidad
Cantidad
Calidad
Calidad
Amenidad y servicio
(adaptado de Stahre, 2008)
1975
Cantidad
1975 - 1995
1995 -
5
Diseño urbano sensible al agua Gestión de cauces urbanos y regulación de la planicie de inundación. • Definir, actualizar e informar sobre la zona de inundación y los distintos usos de ésta. • Indicar las zonas críticas de modo de priorizar estrategias y obras de mitigación y adaptación.
Prohibición
Infraestructura prohibida, salvo obras totalmente justificadas (obras para navegación, bocatomas, etc.)
Restricción
Desarrollo restringido a construcciones a prueba de agua, agricultura, almacenamiento y recreación
Nivel para desarrollo de proyectos
T = 100 años T = 10 años
Advertencia
Desarrollo permitido. Se debe considerar la existencia de riesgo y la eventual necesidad de evacuación.
Diseño urbano sensible al agua Reducción de los eventos de colapso de las redes unitarias de aguas servidas • Control de un problema medioambiental y sanitario muy grave. • Este problema ha motivado una transformación total en la gestión de las aguas lluvias en otros países. Promueven las soluciones de retención a escala local. • Definir una frecuencia anual máxima de eventos de colapso.
Diseño urbano sensible al agua Preservación de la integridad ecológica y geomorfológica de los cauces urbanos • Evitar degradación de cauces urbanos. • Se debe minimizar la ocurrencia de eventos de alta fuerza erosiva sobre el lecho. • Se debe controlar las tormentas menores que constantemente lavan los contaminantes urbanos.
Diseño urbano sensible al agua Para satisfacer criterios como los anteriores: Obras de ingeniería en sí mismas diseñadas según criterios hidrológicos e hidráulicos, e incorporadas en el medio urbano según criterios paisajísticos y urbanísticos.
Propiedad pública
Propiedad privada
Transporte lento
Control en la fuente
Control aguas abajo
Control local Adaptado de Stahre (2008)
Tipos de medidas para la gestión sustentable de las aguas lluvias (adaptado de Stahre, 2008)
Diseño urbano sensible al agua Medidas de control en la fuente • Obras menores o simples prácticas de gestión no estructurales, generalmente localizadas en la propiedad privada. • Los ciudadanos tienen un rol activo en su cuidado y mantención. También son conocidas como LID (Low Impact Development). www.brooklynfeed.com/2010/05/green-roof
Diseño urbano sensible al agua Medidas de control local • Obras menores de control en terrenos públicos, en las zonas altas antes de que la escorrentía entre en los elementos de conducción. • Son mantenidas y operadas por la municipalidad u otro ente público. • Deben integrarse plenamente al funcionamiento normal de la ciudad
(cortesía de Larry Roesner)
Dise単o urbano sensible al agua Medidas de control local
Dise単o urbano sensible al agua
Entrada
Drenaje lento a colector Sub-base permeable
colector unitario
Drenaje lento a colector
dren
SinBMPs Con BMPs
Hacia planta de tratamiento
Diseño urbano sensible al agua Medidas de retardo o transporte lento • Obras de conducción abiertas para el transporte lento. • Agregan almacenamiento adicional previo a red de drenaje principal. • Tienen un uso alternativo o al menos no interfieren el funcionamiento de la ciudad. (cortesía de Larry Roesner)
Diseño urbano sensible al agua Medidas de control aguas abajo • Obras de control mayores para la detención relativamente masiva de escorrentía en las partes bajas del sistema de drenaje. • Muchas veces consideran volúmenes de agua permanente (cortesía de Larry Roesner)
Un modelo para la gestión sustentable del agua en la ciudad del futuro Sistema de abastecimiento a la ciudad con agua natural
Tratamiento de agua potable comunal o local
Agua natural al sistema contra incendios
P G
P G
TB
T B
Agua Gris •Tratamiento •Almacenamiento
Beneficios • Ahorro de agua • Reducción de aguas servidas • Integridad de cauces • Eficiencia energética Sistema de Aguas lluvias • Mejor agua potable • Mejor disposición de aguas Tratamiento lluvias •Infrestructura más económica
P G
TB
Energía para consumo local Tratamiento de agua servida comunal o local anaeróbico
Riego
Cuerpos receptores
4 personas podrían suplir las necesidades de W.C. y el regadío por goteo de 100 m2 - 120 m2
Un modelo para la gestión sustentable del agua en la ciudad del futuro Un proceso a largo plazo que considere al menos: • Definición de metodologías de evaluación y cuantificación de beneficios, costos y externalidades. • Implementación, monitoreo, mantención y difusión de experiencias piloto. • Definición de un marco legal y normativas que incentiven y regulen la implementación de sistemas de gestión de agua. • Preparación de manuales y guías técnicas. • Educación de la población a todo nivel. Los ciudadanos son los usuarios, principales beneficiarios, y de algún modo, los primeros responsables de las obras.
Agradecimientos y Referencias La investigación y los trabajos de los autores se han desarrollado en buena parte gracias al financiamiento del Estado a través de proyectos FONDEF y FONDECYT, y proyectos con el MOP y el MINVU. Agradecemos a Fulbright y al proyecto FONDECYT 11060312 por el financiamiento de parte de las actividades de investigación actualmente en ejecución.
Referencias de interés Burton, G.A. y Pitt, R.E. (2002). Stormwater effects handbook. Lewis Publishers, CRC Press Company. Carmon, N. y Shamir, U. (2010). Water-sensitive planning: integrating water considerations into urban and regional planning. Water and Environment Journal 24, 181–191. Committee on Reducing Stormwater Discharge Contributions to Water Pollution (2009). Urban stormwater management in the United States. The National Academies Press, Washington, D.C. MINVU, Ministerio de Vivienda y Urbanismo y DICTUC (1996). Técnicas alternativas para soluciones de aguas lluvias en sectores urbanos, guía de diseño, DICTUC. Stahre, P (2008). Blue-green fingerprints in the city of Malmö, Sweden. VASYD. Urban Drainage and Flood Control District (UDFCD), (2010). Urban storm drainage criteria manual. Revised August 2006, Denver, Colorado. (http://www.udfcd.org/downloads/down_critmanual.htm)