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Eficiencia de la retención hídrica de las cubiertas vegetadas * Water retention efficiency of green roof systems

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RESUMEN La inundación repentina en áreas urbanas por sobrecarga de las redes de drenaje es un problema recurrente con impactos negativos de importancia creciente. Las cubiertas vegetadas ("naturadas") retienen parte de la lámina de agua precipitada, reduciendo el escurrimiento superficial y generando hidrogramas de esco-rrentía directa con caudales pico menores y más retardados. Dichas propiedades hacen que esta tecnología pueda contribuir a reducir la sobrecarga de cauces urbanos. En esta comu-nicación se presentan los primeros resultados (parciales) de la determinación de la eficiencia de retención hídrica (en forma indirecta a partir de la cantidad de agua percolada), en parcelas de ensayo que simulen "cubiertas naturadas", con dos profundidades de sustrato y con dos situaciones respecto a la cobertura (con y sin vegetación). Los mismos muestran una tenden-cia positiva de las "cubiertas naturadas" en la contribución a la reducción del escurrimiento, siendo mayor la retención en las parcelas ve-getadas y sustrato de mayor espesor.
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Eciencia de la retención hídrica de las cubiertas vegetadas
Tomo 42 • N° 1 • 2010
RESUMEN
La inundación repentina en áreas urbanas
por sobrecarga de las redes de drenaje es un
problema recurrente con impactos negativos de
importancia creciente. Las cubiertas vegetadas
("naturadas") retienen parte de la lámina de
agua precipitada, reduciendo el escurrimiento
supercial y generando hidrogramas de esco-
rrentía directa con caudales pico menores y
más retardados. Dichas propiedades hacen
que esta tecnología pueda contribuir a reducir la
sobrecarga de cauces urbanos. En esta comu-
nicación se presentan los primeros resultados
(parciales) de la determinación de la eciencia
de retención hídrica (en forma indirecta a partir
de la cantidad de agua percolada), en parcelas
de ensayo que simulen "cubiertas naturadas",
con dos profundidades de sustrato y con dos
situaciones respecto a la cobertura (con y sin
vegetación). Los mismos muestran una tenden-
cia positiva de las "cubiertas naturadas" en la
contribución a la reducción del escurrimiento,
siendo mayor la retención en las parcelas ve-
getadas y sustrato de mayor espesor.
Rev. FCA UNCuyo. Tomo 42. N° 1. Año 2010. 213-219. Nota breve
Originales: Recepción: 03/03/2010 - Aceptación: 21/05/2010
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Héctor G. Rosatto
1
Martina Friedrich
1
Daniel Laureda
1
Martha Bargiela
2
Damián Pérez
1
Luis Rodríguez Plaza
4
Daniel Barrera
1, 3
Gabriela Calvo
1
Maia Meyer
1
María Miranda
1
Paula Gamboa
1
Mabel Iñigo
1
Gustavo Villalba
1
Elina Quaintenne
1
*
El presente trabajo es una comunicación de avance del proyecto UBACYT G036.
1 Dpto. de Ingeniería Agrícola y Uso de la Tierra. Facultad de Agronomía. Universidad de Buenos
Aires. Av. San Martín 4453. C1417DSE.
2 Departamento de Recursos Naturales y Ambiente. Facultad de Agronomía. Universidad de Buenos Aires.
3 Investigador del CONICET.
4 Dpto. de Ingeniería Agrícola. Facultad de Ciencias Agrarias. UNCuyo. Alte. Brown 500. Chacras
de Coria. Mendoza. Argentina. M5528AHB
ABSTRACT
Flash floods in urban areas caused
by overload of drainage networks are a
recurrent problem with negative impacts of
raising importance. "Green roofs" retain part
of the storm water, lowering surface ow and
generating runoff hydrographs with lower
and delayed peak flows. Therefore, this
technology can contribute to mitigate the
overload of drainage networks. This commu-
nication presents the rst results (partial) of
the determination of the efciency of water
retention (indirectly from the drained water),
in trial plots simulating green roofs, with two
substrate depths and with two coverage si-
tuations (with and without vegetation). They
show a positive trend of the "green roof"; in
contributing to the reduction of runoff, with a
greater retention in the vegetated plots and
thicker substrate.
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H. G. Rosatto et al.
Revista de la Facultad de Ciencias Agrarias
Palabras clave
hidrología urbana • retención hídrica •
techo verde
Keywords
urban hydrology water retention
green roof
INTRODUCCIÓN
La inundación repentina en áreas urbanas ante lluvias intensas por sobrecarga
de los sistemas de drenaje es un problema recurrente con impactos negativos de gran
importancia social y económica, como mencionan Laureda et al. (4).
El aumento sostenido del exceso de precipitación, debido a la creciente imper-
meabilización de áreas urbanas, se ha convertido en una preocupación ambiental
seria (3). La relevancia de esta tendencia queda maniesta ante el aumento del nivel
de urbanización que según predicciones de Naciones Unidas (6) se incrementaría,
para América Latina, del 71% actual hasta 81% en 2025.
El hidrograma de crecida en cuencas en proceso de urbanización se va modi-
cando: presenta caudales pico más altos y tiempos de ascenso más cortos a medida
que aquella avanza. En pequeñas cuencas experimentales no alteradas donde se ha
simulado el proceso de impermeabilización creciente que conlleva la urbanización, se
han medido incrementos del caudal pico de hasta 50 veces e incrementos relativos
de volumen de escorrentía directa de hasta 30 veces (9).
El hidrograma de proyecto utilizado para dimensionar la red de drenaje urbano,
derivado a partir de un evento de lluvia con determinado período de retorno (por lo
general de 2 a 5 años), queda desactualizado al aumentar la lluvia efectiva debido a la
impermeabilización del suelo. El redimensionamiento de cunetas, bocas de tormenta,
alcantarillas, zanjas, canales abiertos y conductos entubados, es extremadamente
costoso y en ciertos casos impracticable.
Las soluciones al problema abarcan un amplio espectro de posibilidades. Una de
ellas consiste en la disminución del escurrimiento supercial. La implementación de
cubiertas verdes o naturadas en terrazas de edicios y casas es una de las prácticas
que ayuda a disminuir este factor (10).
Existen en la bibliografía distintas acepciones respecto de a qué se considera una
cubierta vegetada: una de las s abarcativas es la elaborada por Osmundson (7), quien
la dene como cualquier espacio abierto, plantado, realizado para proveer disfrute huma-
no o una mejora ambiental, que se encuentra separado del suelo por un edicio u otra
estructura y que puede estar debajo, a la misma altura o por encima del nivel del suelo.
Una "cubierta naturada" involucra la construcción de espacios verdes "contenidos"
encima de una estructura hecha por el hombre. Este espacio verde puede estar sobre,
en o debajo del nivel del piso pero en todos los casos la vegetación no es plantada
en el "suelo natural".
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Gracias a su capacidad de retención las "cubiertas naturadas" pueden causar
los siguientes cambios en la respuesta hidrológica:
Reducción del escurrimiento supercial por retención de parte del agua de lluvia:
la diferencia entre la humedad volumétrica inicial del sustrato y la correspondiente
a la capacidad de campo, es retenida en el medio poroso y posteriormente vuelve
a la atmósfera por evapotranspiración.
Retardo del tiempo inicial del escurrimiento supercial debido a que la tasa de
inltración a través de la supercie del sustrato está relacionada con la conduc-
tividad hidráulica del mismo (1): una vez que el sustrato se satura, la percolación
es igual a la conductividad hidráulica (8) y el ujo lateral hacia los desagües es
función de ésta. Cuando la lluvia cesa y desaparece la capa de anegamiento
en la supercie, el volumen de agua retenida temporariamente en la fracción de
poros entre la capacidad de campo y la porosidad, también percola. Todo ello
hace que el desplazamiento del agua inltrada sea mucho más lento que el que
corresponde a escurrimiento en manto sobre una supercie impermeable.
Objetivo
Determinar la cantidad y fracción de agua que retienen las "cubiertas naturadas",
con y sin vegetación, ante lluvias de distinta duración, para dos profundidades
de sustrato y dos situaciones de cobertura.
MATERIALES Y MÉTODOS
Área de estudio
El ensayo se ubicó en el campus de la Facultad de Agronomía de la Universidad
de Buenos Aires, en un sector libre de vegetación arbórea y arbustiva de aproximada-
mente 3500 m
2
y aislado de otros ensayos por una distancia de alrededor de 60 m.
Metodología
Establecimiento del ensayo a campo.
Estructura sobre la que se estableció el ensayo: Mesada
El ensayo se montó sobre una estructura de hierro con forma de mesada (6,8 m
de largo por 1,8 m de ancho), con hierros tipo "L". En la parte superior (aproximada-
mente a 1,5 m de altura) tenía una serie de hierros (perles) paralelos y transversales
al lado mayor, sobre los que se colocaron los macetones que actuaron como parcelas.
En la parte inferior se ubicaron una serie de perles (similares a los descriptos para
la parte superior), soldados en todo su perímetro, con el n de reforzarla y para que
pudiera soportar el peso del ensayo.
La estructura mencionada se niveló (con un nivel de anteojo Wild NAK2) para
que las parcelas contaran con pendiente hacia el desagüe de las mismas.
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H. G. Rosatto et al.
Revista de la Facultad de Ciencias Agrarias
Construcción de las parcelas
Sobre la estructura descripta precedentemente, se ubicaron en forma aleatoria
32 parcelas de brocemento de 0,50 x 0,50 m, 16 de ellas de 0,34 m de altura y las
16 restantes de 0,10 m (gura).
Figura. Esquema de la distribución de las parcelas sobre la mesa (T: testigo; el nú-
mero corresponde al número de parcela).
Figure. Diagram of the distribution of plots on the table (T: witness; the number is
the number of parcel).
Para establecer el desagüe de cada una, se realizó una perforación en las cube-
tas en uno de sus ángulos; en el mismo se sujetaron varillas roscadas huecas de ½”
mediante tuercas, arandelas y pegamento siliconado para evitar pérdidas. Adosada
a la varilla (en la parte inferior de la cubeta) se insertó una manguera de plástico
transparente, conectada a un bidón de 30 l, ubicado en la parte inferior de la mesada,
a n de colectar el agua drenada de la parcela.
En la parte inferior se colocó una malla de alambre en forma de retícula, para que
sujetara los bidones y así evitar que se soltaran de la varilla de drenaje ante la posibilidad
de fuertes vientos. Finalmente se colocaron los sustratos en las parcelas asignadas
para ello. Los mismos se colocaron en forma de capas con el siguiente orden:
Parcelas con sustrato de 30 cm (desde abajo hacia arriba):
Piedra partida "Mar del Plata" o Granza (PP) +/- 13,0 cm
Leca (arcilla expandida) (L) +/- 1,5 cm
Binder (granulometría de 3-9mm) (B) +/- 1,5 cm
Arena oriental de textura gruesa (A) +/- 11,0 cm
Compost orgánico (C) +/- 1,5 cm
Tierra negra (T) +/- 1,5 cm
Parcelas con sustrato de 6 cm (desde abajo hacia arriba):
Piedra partida "Mar del Plata" o Granza (PP) +/- 1,5 cm
Leca (arcilla expandida) (L) +/- 1,5 cm
Binder (granulometría de 3-9mm) (B) +/- 1,0 cm
Arena oriental de textura gruesa (A) +/- 1,0 cm
Compost orgánico (C) +/- 0,5 cm
Tierra negra (T) +/- 0,5 cm
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Luego, en 8 de las 32 cubetas (4 de 10 cm y 4 de 30 cm de altura), se plantaron
cinco plantas de Sedum sexangulare (envases de 12 dm³). Una se ubicó en cada
ángulo de la cubeta y una en el centro (foto). Como la construcción del ensayo se
realizó en diciembre, se podaron las plantas para disminuir la supercie de transpi-
ración y para que lograran adaptarse al stress del trasplante.
Foto. Vista del ensayo construido.
Picture. View of the built test.
RESULTADOS PARCIALES OBTENIDOS
Luego de cada precipitación ocurrida desde el establecimiento del ensayo hasta
mediados de febrero se llevaron a cabo las mediciones del agua drenada por cada
parcela. Las mismas se realizaron con una probeta de 2 l graduada a 20 ml.
En lo referente a lo colectado en los bidones, en el periodo correspondiente a
enero y febrero, se realizaron seis observaciones. Los resultados obtenidos se pre-
sentan en la tabla (pág. 218).
Del análisis de los resultados, aunque los mismos son preliminares, puede inferirse
que los porcentajes de retención hídrica en las parcelas (respecto de lo sucedido en el
testigo), son altos (73% a 100%) cuando las precipitaciones no son elevadas (alrededor
de los 20 mm); cuando las precipitaciones alcanzan los 35 a 40 mm, los porcentajes
máximos de retención se ubican alrededor del 60 % (para las parcelas con sustrato
de 30 cm). Este dato es coincidente con el hallado por Moran et al. (5), en un ensayo
realizado en Carolina del Norte, USA con sustratos parecidos a los aquí utilizados.
Cuando las precipitaciones se aproximaron a los 100 mm, los porcentajes de
retención se redujeron notablemente, alcanzando valores cercanos al 30%, dato que
se asemeja al mencionado por DeNardo et al. (2), aunque para valores de precipi-
tación menores.
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H. G. Rosatto et al.
Revista de la Facultad de Ciencias Agrarias
En cuanto a los distintos tratamientos, las parcelas de 30 cm de sustrato con Sedum
son las que presentan mayores porcentajes de retención, correspondiendo a las de 6 cm
de sustrato los porcentajes menores. Esta situación no se vericó cuando la precipitación
superó los 90 mm, puesto que los porcentajes no presentaron diferencias.
Tabla. Porcentaje de agua retenida en las parcelas de ensayo.
Table. Percentage of water retained in the test plots.
CONSIDERACIONES FINALES
Si bien el periodo de análisis es aún corto, estos resultados señalan una ten-
dencia positiva en la contribución de las "cubiertas naturadas" a la reducción del
escurrimiento supercial en cuencas urbanas. La altura de sustrato de 30 cm de
espesor fue la más eciente.
BIBLIOGRAFÍA
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Pennsylvania. USA. CD-Rom.
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tas naturadas” en relación a las precipitaciones en la Ciudad de Buenos Aires. IX
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5. Moran, A.; Hunt, B.; Jennings, G. 2004. Greenroof research of stormwater runoff quantity
and quality in North Carolina. NCSU Water Quality Group Newsletter, NC State
University, USA. 12 p.
Precipitación (mm) 34,8 16,3 20,0 20,0 21,5 98,0
Fecha de la observación
Enero Febrero
04 11 12 19 01 04
Tratamiento Porcentaje retenido respecto del testigo
C/S - S/VE 6 cm 18,8 51,5 32,4 64,8 48,0 32,6
C/S - C/VE 6 cm 13,0 31,1 26,3 55,8 33,2 28,3
C/S - SEDUM 6 cm 26,8 62,8 44,8 58,5 56,2 33,3
C/S - S/VE 30 cm 48,8 100 72,3 88,8 97,3 36,9
C/S - C/VE 30 cm 56,6 100 86,7 91,3 100 39,3
C/S - SEDUM 30 cm 61,2 100 85,5 87,8 100 35,2
C/S = Con sustrato C/VE = Con vegetación espontánea
S/VE = Sin vegetación espontánea SEDUM = plantada con Sedum sexangulare
6 cm/30 cm = altura de sustrato
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Eciencia de la retención hídrica de las cubiertas vegetadas
Tomo 42 • N° 1 • 2010
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green roofs (Langzeitstudie zum Abussverhalten begrünter Dacher). Wasser und
Boden, 55 3: 28-36.
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Article
The rain runoff of 18 different green roof constructions was investigated during a period of 2 years under actual weather conditions. Green roofs show a significant reduction of total rain runoff and of peak flows. They behave as hydrological retention units. The losses are primarily influenced by the height and the water content of the soil substratum. During heavy rainfall the permeability of the substratum causes a throttling effect but surface runoff was not observed even on steeper roofs. Substrata with a height of just 5 cm already lead to a significant reduction of runoff. The retention effect can be increased by increasing substance heights up to 15 cm. Higher constructions show a less than proportional decrease of total yearly runoff and no significant additional retention of peak flows.
Conference Paper
With growing urbanization comes increased impervious areas and decreased open land for stormwater BMPs. Urbanization also increases stormwater runoff volumes and peak flow rates while decreasing infiltration and evapotranspiration. Green roofs consist of layers of specially designed and selected materials combined with shallow-rooted living plants to form a biological system that mitigates stormwater and decreases the heating and cooling load within structures. The departments of Agricultural and Biological Engineering and Horticulture at the Pennsylvania State University have combined efforts to quantify the stormwater retention capabilities of a specific green-roof system. This green-roof system consists of a conventional flat roof covering, a 12-mm thick Enka-drainage layer, 89 mm of porous medium, 25 mm of Porous Expanded Polypropylene (PEPP), and Sedum sperium planted at a spacing of 75 mm on center. The combined layers of this green roof had a maximum retention of 31 mm (25%), a maximum detention of 30 mm (24%), and a saturated hydraulic conductivity of 11 mm/s. Rainfall and runoff data were collected at the Russell E. Larson Agricultural Research Center at Rock Springs, Pennsylvania. Three replications each of a control conventional roof and the experimental green roof system, both at 1:12 slope were monitored between July and October 2002. When compared to the conventional roof, the green roof detained runoff for up to five hours. The green roofs retained between 20% and 25% of two 25-mm October rainfall events.
Greenroof research of stormwater runoff quantity and quality in North Carolina
  • A Moran
  • B Hunt
  • G Jennings
Moran, A.; Hunt, B.; Jennings, G. 2004. Greenroof research of stormwater runoff quantity and quality in North Carolina. NCSU Water Quality Group Newsletter, NC State University, USA. 12 p.
Evaluation of Storm Water Runoff from a Midwest Green Roof System
  • K Forrester
  • V Jost
  • K Luckett
  • S Morgan
  • T Yan
  • W Retzlaff
Forrester K.; Jost, V.; Luckett, K.; Morgan, S.; Yan, T.; Retzlaff, W. 2006. Evaluation of Storm Water Runoff from a Midwest Green Roof System. Illinois State Academy of Science Annual Meeting, April 21, 2006, Chicago. Published by Green Roof Environmental Evaluation Network. 5 p.
América Latina: Proyecciones de población urbano -rural 1970 – 2025
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Naciones Unidas (CELADE -CEPAL). 1999. América Latina: Proyecciones de población urbano -rural 1970 – 2025. Boletín Demográfico N° 63. Santiago, Chile. 259 p.
La transformación lluvia-caudal en ambientes rurales y urbanos. Los procesos hidrológicos y el modelado
  • G A Riccardi
Riccardi, G. A. 1997. La transformación lluvia-caudal en ambientes rurales y urbanos. Los procesos hidrológicos y el modelado. Cuadernos del CURIHAM, N° 4, p. 69-87.
Applied Hydrology (en español)
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Chow, V. T.; Maidment, D. R.; Mays, L. W. 1994. Applied Hydrology (en español). McGrawHill Interamericana, Bogotá, Colombia. 572 p.