ppi 201502ZU4659
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ISSN 0254-0770 / Depósito legal pp 197802ZU38
UNIVERSIDAD DEL ZULIA
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DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA
REVISTA TÉCNICAREVISTA TÉCNICA
“Buscar la verdad y aanzar
los valores transcendentales”,
misión de las universidades en
su artículo primero, inspirado
en los principios humanísticos.
Ley de Universidades 8 de
septiembre de 1970.
“Buscar la verdad y aanzar
los valores transcendentales”,
misión de las universidades en
su artículo primero, inspirado
en los principios humanísticos.
Ley de Universidades 8 de
septiembre de 1970.
VOLUMEN ESPECIAL 2020 No.1
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, 26- 34
Evaluation of the impact of a green roof on urban runoff
using a scale model
Nelson AndresLopez Machado1* ,Wilmer José Barreto Cordero2,3 , Enmanuel David
Rodriguez Alvarado3 y Jose Rafael Romero Cabrera3
1Universidad Politécnica Salesiana, Avenida Morán Valverde y Rumichaca, PB EC170105, Quito, Ecuador
2Departamento de Geología y Obras Civiles, Fac.de Ingeniería, Universidad Católica de Temuco, Temuco,
4780000, Chile.
3Departamento de Hidráulica, Decanato de Ing. Civil, Universidad Lisandro Alvarado, Barquisimeto, 3001,
Venezuela
*Autor de Contacto: nlopez@ups.edu.ec
https://doi.org/10.22209/rt.ve2020a04
Recepción: 31/10/2019 | Aceptación: 21/01/2020 | Publicación: 01/03/2020
Abstract
This research paper shows an experimental and exploratory study of a scaled green roof model. The work estimates
the runoff damping due to the application of a sustainable urban drainage system, such as green roofs, in residential house
buildings in tropical areas. The study is based on the construction of two physical models of one (1) m2 each. They were
subjected to a three extreme precipitation events for three differents return periods (5, 10 and 25 years). Three roof slopes
intensity of the rain a simulator was built using a pumping system and spray diffusers. Drain holes were used in the ceilings
is saturated.
Keywords:
Evaluacion del impacto de un techo verde sobre la
escorrentia urbana usando un modelo a escala
Resumen
El presente trabajo de investigación muestra un estudio experimental y exploratorio de un modelo de techo
2 cada uno, que luego de su preparación
pendientes de techos (5%, 10% y 12%) y una condición de humedad antecedente a capacidad de campo. Para recrear la
para cada modelo y los hidrogramas de escorrentía. Se demostró que a través del uso de estos techos verdes es posible una
Palabras clave:
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
27
Efecto de un modelo de techo verde en la disminución de la escorrentía urbana
Introducción
Los procesos en el ciclo del agua (evaporación,
equilibrio delicado, y es debido a estos procesos que
toma mucho tiempo el transitar la escorrentia en estos
la escorrentía será mucho mayor y los canales naturales ya
Con la impermeabilización del suelo
-efecto representativo del desarrollo urbano-, se
la impermeabilización del suelo no solo se incrementa
el volumen de la escorrentía, sino que, además, se
El cambio en el uso del suelo debido a la
urbanización tiene un impacto negativo en la hidrología
local que afecta directamente el ciclo hidrológico. Las
ciudades en contínuo desarrollo y crecimiento han
El problema con este hecho es la respuesta de la cuenca
bajo cualquier evento de lluvia, disminuyendo el tiempo
traduce en una mayor posibilidad de inundación incluso
para períodos de retorno comunes y más bajos (Figura
volumen de agua drenada, por lo tanto, disminuyen la
recarga de los acuíferos.
Sin construcción
Con alta construcción
Figura 1. Efecto de la urbanización en el ciclo hidrológico.
La alteración de los cursos naturales también
es una consecuencia directa del crecimiento de las
empeorar los problemas de drenaje urbano en términos
de inundaciones, colapso de drenajes longitudinales y
transversales de carreteras.
variables, pero básicamente pueden ser una capa de
drenaje, capa de impermeabilización y barrera de raíces
la Figura 2.
Figura 2.
La gestión de riesgos por el aumento de la
intervención desde múltiples enfoques, ambientales,
sanitarios, sociales y económicas. La infraestructura verde
Las ventajas de los techos verdes son
Con construcción mediana
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
28 Lopez Machado y col.
procesos hidráulicos, hidrológicos y climáticos, esto
independientemente de la especie vegetal utilizada o el
de techo verde realmente contribuye al medio ambiente,
y el aumento del almacenamiento de agua de lluvia son
una recuperación parcial de los espacios verdes y una
Materiales y Métodos
Construcción del modelo a escala
Se construyeron dos modelos en la Universidad
Centroccidental Lisandro Alvarado (Barquisimeto,
de la Facultad de Ingeniería Civil, con los siguientes
componentes:
Soporte de acero y paredes de madera perimetral
Se construyó un soporte de acero con
dimensiones de 1,00 x 1,00 m2 y 1,00 m de altura como
se muestra en la Figura 3. Se colocaron dos barras en cada
pendientes del ensayo, simulando las pendientes en los
caja de madera como encofrado perimetral para el techo
a escala, cuya funcion es contener el suelo.
Figura 3. Soporte de acero con columnas ajustables.
Impermeabilización y tuberías de drenaje
El encofrado de madera se cubrió con una capa
de impermeabilizante para simular la impermeabilización
de los techos reales. Se ubicaron dos tuberías en la parte
inferior del modelo y en la pared frontal para drenar el
exceso de lluvia que la matriz el suelo no es capaz retener.
se colocó por encima de las tuberías de drenaje (Figura 4).
Figura 4. Tuberías de drenaje e impermeabilización.
Capa de drenaje y geotextil
Se colocó una capa de grava con partículas de
grano estandarizado de unos 5 cm de altura que facilitó el
drenaje, sobre la cual se colocó una membrana de geotextil
para evitar el paso de las raíces de la vegetación y que se
introdujeran en la capa drenante, pudiendo impedir la
salida del agua. Sobre el geotextil se colocó el sustrato.
Capa de sustrato de crecimiento
El sustrato se elaboró con una mezcla de
materiales simulando un suelo franco; 30% de materia
orgánica, 40% de estiércol y 30% de cascarilla de arroz y
arena amarilla, con un espesor de 10 cm.
Capa de vegetación
Se utilizaron dos tipos de grama: “San
Agustín” (Stenotaphrumsecundatum) y “Esmeralda”
(Zoysiajaponica) como se muestra en la Figura 5.
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
29
Efecto de un modelo de techo verde en la disminución de la escorrentía urbana
Figura 5. Capa de vegetación.
Sistema de bombeo e intensidades teóricas de lluvia.
La simulación de la intensidad de la lluvia, se
realizó mediante un sistema de bombeo (Figura 6). Para
calibrar la intensidad de la lluvia, se condujeron varios
ensayos, abriendo la válvula principal durante un intervalo
de 3 minutos por ensayo y estableciendo una marca en la
valvula según el grado de apertura de la misma. El volumen
total de lluvia se midió sin el sustrato y solo con la capa
impermeabilizada; para esto se colocó un recipiente con
una escala de medición a cada tubo de drenaje, es decir,
dos (2) recipientes para cada modelo.
Figura 6. Sistema de bombeo
Se procedió a abrir la válvula, cada recipiente
recibió agua de los modelos durante 3 minutos, por lo que
la intensidad de la lluvia se calculó en función del volumen
del recipiente (ecuación 1), el tiempo, el área y la descarga
(ecuación 2).
Dónde:
V es el volumen del cubo.
Hn es la altura del agua en el recipiente por un
intervalo de tiempo.
R es el radio superior del recipiente (variable de
acuerdo con Hn).
r es el radio inferior del recipiente (variable de
acuerdo con Hn).
Dónde:
Qn es la descarga por un intervalo de tiempo.
Vf y Vi son el volumen para un Hn dado
La intensidad de lluvia seleccionada en esta
investigación fue para 3 (tres) períodos de retorno: 5,
Frecuencia (IDF) locales de la región de estudio (Figura
7).Estos periodos de retornos son los comúnmente
utilizados en drenaje urbano y exigido por las normas.
En la zona en estudio, ciudad de Barquisimeto, exiten dos
estaciones de precipitación en la zona: “Estacion Manzano
siendo esta la más desfavorable.
Duración de la lluvia (min)
25 50 75 100 125 150 175
Intensidad de lluvia (mm h
-1
)
25
50
75
100
125
150
175
Tr 5 años
Tr 10 años
Tr 25 años
Tr 50 años
Duración de la lluvia (min)
25 50 75 100 125 150 175
Tr 5 años
Tr 10 años
Tr 25 años
Tr 50 años
AB
Figura 7. Curvas IDF de las estaciones locales “Manzano-
Para el calculo de las intensidades de lluvia (I),
correspondientes para cada período de retorno (Tr) se
utiliza el tiempo de concentración (Tc) equivalente a 10
minutos que es lo minimo recomendado para drenaje
urbano como se muestran en la Tabla 1. Con estos valores
de Intensidades es que se van a realizar los ensayos.
(1)
(2)
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
30 Lopez Machado y col.
Tabla 1. Intensidades teóricas de lluvia.
Tr
(años)
Tc
(min)
I
(mm h-1)
5 10 119,31
10 10 134,91
25 10 154,50
Intensidades de lluvia experimentales
La simulación de la Intensidad de lluvia se hizo a
través de la manipulación de la apertura de la válvula, con
una calibración previa y varias repeticiones. La apertura
correcta para cada intensidad de lluvia se muestra en
la Tabla 2, Tabla 3 y Tabla 4. Los valores en esas tablas
1 m2
de intensidad de lluvia es el mismo valor de descarga.
Dónde:
I es la intensidad experimental.
Q es la descarga experimental máxima.
A es el área del techo experimental.
Tabla 2. Intensidad de lluvia experimental para un Tr =
Experimento
Apertura de
la válvula
(grados)
Tiempo del
experimento
(s)
Volumen
(litros)
Descarga
Total
(ls-1)
Descarga
Total
(lh-1)
1 360 180 6,50 0,036 130,00
2 370 180 6,50 0,036 130,00
3 390 180 6,25 0,035 125,00
4 395 180 6,00 0,033 120,00
5 395 180 6,00 0,033 120,00
6 395 180 6,00 0,033 120,00
Tabla 3. Intensidad de lluvia experimental para un Tr =
Experimento
Apertura de
la válvula
(Grados)
Tiempo del
experimento
(s)
Volumen
(litros)
Descarga
Total
(l s -1)
Descarga
Total
(l h-1)
1 320 180 7,00 0,039 140,00
2 330 180 6,5 0,036 130,00
3 330 180 6,5 0,036 130,00
4 325 180 6,75 0,038 135,00
5 325 180 6,75 0,038 135,00
6 325 180 6,75 0,038 135,00
(3)
Tabla 4. Intensidad de lluvia experimental para un Tr =
Experimento
Apertura de
la válvula
(Grados)
Tiempo del
experimento
(s)
Volumen
(litros)
Descarga
Total
(l s -1)
Descarga
Total
(l h-1)
1 300 180 7,25 0,040 145,00
2 300 180 7,25 0,040 145,00
3 290 180 7,5 0,042 150,00
4 280 180 7,75 0,043 155,00
5 280 180 7,75 0,043 155,00
6 280 180 7,75 0,043 155,00
Resultados y Discusión
Al comparar los resultados se observa que existe
una diferencia entre los valores experimentales y los
teóricos, como se muestra en la Tabla 5. Sin embargo, esta
Tabla 5. Diferencias entre intensidades experimentales y
teóricas
Tr
(años)
Apertura
de la
válvula
(Grados)
Intensidad
experimental
(mm/h)
Intensidad
teórica
(mm/h)
Error (%)
5 395 119,31 120,00 0,57
10 325 134,91 135,00 0,07
25 280 154,5 155,00 0,32
Descarga experimental sin techo verde
Para determinar el impacto sobre la descarga
y la reducción del volumen de escorrentía usando
techos verdes, se realizó un experimento sin sustrato ni
vegetación en cada uno de los modelos construidos, como
si se tratara de un techo impermeable. Asumiendo cero
(5%, 10% y 12%) dando un total de 9 ensayos por modelo.
Los resultados son mostradosen los hidrogramas(Figuras
10 y 11).
Humedad y porosidad del suelo
Para obtener un enfoque real de los resultados,
las propiedades del suelo se calcularon como se muestra
en la Tabla 6; estos valores se consideraron para
determinar el intervalo de tiempo para cada ensayo,
tratando de mantener la humedad del suelo similar a una
serie de curvas con condición de humedad antecedente,
de acuerdo con las recomendaciones del Servicio de
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
31
Efecto de un modelo de techo verde en la disminución de la escorrentía urbana
I=120 mm h
-1
Tiempo (min)
0 5 10 15 20 25 30
Descarga ( l h-1)
0
25
50
75
100
125
150
175
200
Pendiente 5 %
Pendiente 10 %
Pendiente 12 %
Tiempo (min)
0 5 10 15 20 25 30
Pendiente 5 %
Pendiente 10 %
Pendiente 12 %
Tiempo (min)
0 5 10 15 20 25 30
Pendiente 5 %
Pendiente 10 %
Pendiente 12 %
I=135 mm h
-1
I=155 mm h
-1
Figura 10. Hidrogramas para el modelo 1 sin techo verde.
I =120 mm h
-1
Tiempo (min)
0 5 10 15 20 25 30
Descarga
(
l h
-1
)
0
25
50
75
100
125
150
175
200
Pendiente 5 %
Pendiente 10 %
Pendiente 12 %
Tiempo (min)
0 5 10 15 20 25 30
Pendiente 5 %
Pendiente 10 %
Pendiente 12 %
Tiempo (min)
0 5 10 15 20 25 30
Pendiente 5 %
Pendiente 10 %
Pendiente 12 %
I =135 mm h
-1
I =155 mm h
-1
Figura 11. Hidrogramas para el modelo 2 sin techo verde.
Tabla 6. Propiedades del suelo.
Muestra Contenedor
Peso del
contendor
(gr)
Peso del suelo
humedo +
contendor (gr)
Peso del suelo
humedo+
contenedor (gr)
Peso del
agua (gr)
Peso del
suelo seco
(gr)
Contenido de
humedad (%)
Porosidad
(%)
Arena
amarilla 2 58,7 424,9 399,8 25,1 341,1 7,36 46,00
Materia
organica 1 43,3 158 115,4 42,6 72,1 59,08 73,00
Sustrato 3 31,1 270,7 185,1 85,6 154 55,58 80,00
I =120 mm h
-1
Tiempo (min)
0 5 10 15 20 25 30
Descarga
(
l h
-1
)
0
25
50
75
100
125
150
175
200
Tiempo (min)
0 5 10 15 20 25 30
Tiempo (min)
0 5 10 15 20 25 30
Pendiente 5 %
Pendiente 10 %
Pendiente 12 %
I =135 mm h
-1
I =155 mm h
-1
Pendiente 5 %
Pendiente 10 %
Pendiente 12 %
Pendiente 5 %
Pendiente 10 %
Pendiente 12 %
Figura 12. Hidrogramas para el modelo 1 con techo verde.
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
32 Lopez Machado y col.
Independientemente del valor de porosidad,
los modelos de techo verde se sometieron a una lluvia
previa para crear una condición de humedad antecedente
cercana a capacidad de campo, dejando drenar por un
periodo de 24 horas.
Descarga experimental con techos verdes
En este caso, el contenido de humedad de la
matriz del suelo fue un parámetro a considerar, ya que
puede alterar los hidrogramas de escorrentía al reducir la
de 24 horas después del ensayo y entre cada ensayo, para
I = 120 mm h
-1
Tiempo (min)
0 5 10 15 20 25 30
Descarga ( l h-1)
0
25
50
75
100
125
150
175
200
Pendiente 5 %
Pendiente 10 %
Pendiente 12 %
Tiempo (min)
0 5 10 15 20 25 30
Pendiente 5 %
Pendiente 10 %
Pendiente 12 %
Tiempo (min)
0 5 10 15 20 25 30
Pendiente 5 %
Pendiente 10 %
Pendiente 12 %
I = 135 mm h
-1
I = 155 mm h
-1
Figura 13. Hidrogramas para el modelo 2 con techo verde.
Del análisis de los resultados mostrados en las
Figuras 13 y 14, se observa que existe una reducción en el
producida por un techo verde y un techo convencional.
Estos resultados de escorrentía para los modelos de techo
verde podrían verse afectados por la condición previa de
humedad, ya que solo hubo 24 horas entre cada prueba,
y los modelos no estaban bajo la luz solar, lo que incidió
en las pérdidas por evapotranspiración. Las diferencias de
escorrentía para cada modelo se muestran en la Tabla 7
para el modelo 1 y en la Tabla 8 para el modelo 2.
Tabla 7.
Intensidad
(mmh-1)120 mm h-1 135 mm h-1 155 mm h-1
Pendiente (%) 5 10 12 5 10 12 5 10 12
Modelo 1 Flujo máx.(l h-1) Flujo máx(l h-1) Flujo máx(l h-1)
Sin Veg. 153,68 159,43 164,16 169,58 177,6 183,16 182,57 187,29 196,69
Con Veg. 136,28 138,92 145,79 152,82 157,06 159,69 155,70 176,85 181,15
Reduccion del ujo
max.(lh-1)17,40 20,51 18,37 16,76 20,54 23,47 26,87 10,44 15,54
Reducción del ujo
max. (%) 11,32 12,86 11,19 9,88 11,57 12,81 14,72 5,57 7,90
Tabla 8.
Intensidad
(mm h-1)120 mm h-1 135 mm h-1 155 mm h-1
Pendiente (%) 5 10 12 5 10 12 5 10 12
Modelo 2 Flujo máx. (lh-1) Flujo máx. (l h-1) Flujo máx. (l h-1)
Sin Veg. 148,03 156,28 160,53 161,96 171,40 171,65 171,65 183,39 191,25
Con Veg. 127,40 134,95 141,83 143,04 151,31 142,73 142,73 155,73 172,26
Reduccion del ujo
max.(l h-1)20,63 21,33 18,70 18,92 20,09 28,92 28,92 27,66 18,99
Reducción del ujo
max. (%) 13,94 13,65 11,65 11,68 11,72 16,85 16,85 15,08 9,93
garantizar la humedad del suelo adecuada. Se realizaron
nueve ensayos (Figura 12 y13).
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03-55
33
Efecto de un modelo de techo verde en la disminución de la escorrentía urbana
Los resultados de los experimentos mostraron
ensayo, incluso utilizando diferentes especies vegetales.
Independientemente de la variación de pendientes
utilizada en cada modelo, se observa que se produce la
algunas similitudes de muchos experimentos en
almacenamiento de agua de lluvia, estos experimentos
mostraron que incluso cuando se satura la matriz del
volumen tienen lugar. Los resultados para el volumen
total de agua escurrida para cada ensayo se muestran en
la Tabla 9 y la Tabla 10.
Tabla 9. Reducción de volumen para el modelo 1.
Intensidad (mm h-1) 120 mm h-1 135 mm h-1 155 mm h-1
Pendiente (%) 5 10 12 5 10 12 5 10 12
Modelo 1 Volumen total (l) Volumen total (l) Volumen total (l)
Sin Veg. 25,24 26,41 26,44 27,77 27,91 30,56 28,25 31,83 33,14
Con Veg. 19,73 20,57 21,91 25,55 23,68 22,93 24,54 26,27 26,85
Volumen Reducido
(l) 5,50 5,84 4,54 2,22 4,23 7,63 3,72 5,56 6,29
Volumen Reducido
(%) 21,80 22,12 17,15 7,99 15,15 24,97 13,15 17,47 18,98
Tabla 10. Reducción de volumen para el modelo 2.
Intensidad (mm h-1) 120 mm h-1 135 mm h-1 155 mm h-1
Pendiente (%) 5 10 12 5 10 12 5 10 12
Modelo 2 Volumen Total (l) VolumenTotal (l) Volumen Total (l)
Sin Veg. 23,66 24,98 24,33 25,64 26,71 27,33 27,33 29,49 30,72
Con Veg. 19,71 20,18 21,79 21,43 23,28 23,09 23,09 23,87 24,91
Volumen Reducido
(l) 3,95 4,80 2,54 4,21 3,43 4,24 4,24 5,62 5,81
Volumen Reducido
(%) 16,70 19,22 10,44 16,41 12,84 15,53 15,53 19,07 18,91
porosidad en todos los ensayos como agente de retención
de agua, reteniendo el agua de lluvia en un 16% en
promedio.
Conclusiones
Se muestra una reducción considerable en el
caudal máximo entre 10% y 16%, al comparar un techo
verde en condiciones húmedas con respecto a un techo
convencional, aun bajo las condiciones en estudio sin
exposicion a la luz solar.
La grama Esmeralda presentó una mejor
capacidad de retención de humedad, con respecto a la San
Agustin vegetación utilizada, aun cuando ambas fueron
sometidas a 6 semanas sin riego esta presentó mejor
respuesta al estres hídrico.
La pendiente del techo no afecta
Sin embargo, al implantar techos verdes se obtiene una
mayor reduccion de caudal máximo para pendientes
bajas e intensidades altas, lo cual podria contribuir
positivamente bajo eventos de intensidades extremas.
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REVISTA TECNICA
DE LA FACULTAD DE INGENIERIA
UNIVERSIDAD DEL ZULIA
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Esta revista fue editada en formato digital y publicada
en Febrero de 2020, por el Fondo Editorial Serbiluz,
Universidad del Zulia. Maracaibo-Venezuela
Volumen Especial, 2020, No. 1, pp. 03 - 55_________________
