Estudio de la erosión de un sedimento orgánico en la red de

IV Jornadas de Ingeniería del Agua
La precipitación y los procesos erosivos
Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015
Estudio de la erosión de un sedimento
orgánico en la red de alcantarillado
M. Gómez
UPC –Instituto Flumen / Cetaqua
Jordi Girona 1-3. D1. 08034 BARCELONA
L. Pouget, A. Cabello
Cetaqua, Centro Tecnológico del Agua
Carretera de Esplugues, 75. 08940 CORNELLA (Barcelona)
D. Sunyer, B. Russo
AIRCUD, Aqualogy
Av. Diagonal 211. 08018 BARCELONA
1. Introducción
Los sistemas de drenaje constituyen un servicio público estratégico a la vez que
costoso en nuestras ciudades. El coste económico de la construcción y
mantenimiento de esta infraestructura es el más alto en comparación con otros
servicios urbanos como gas, electricidad o las líneas de comunicación. Los objetivos
del sistema son retirar el agua residual (en tiempo seco) y el agua pluvial en tiempo
de lluvia para evitar inundaciones en zona urbana y, en la medida de lo posible,
evitar impactos al medio receptor. Su mantenimiento es un punto esencial para
mantener el sistema en las condiciones deseadas.
Los sistemas de alcantarillado combinados o unitarios, donde el agua residual y
pluvial circulan por los mismos conductos, es el más habitual en la mayoría de
ciudades alrededor del mundo, y en particular en España. Sin embargo, en muchos
casos la definición de sus perfiles longitudinales y secciones transversales ha sido
hecha sólo teniendo en cuenta los caudales de aguas pluviales, sin una verificación
del comportamiento durante períodos de tiempo seco para las aguas residuales.
Especialmente en los conductos principales de gran dimensión (circulares de 1 a 2
metros de diámetro por ejemplo) en los períodos de tiempo seco, los depósitos de
sólidos de tipo orgánico o inorgánico pueden acumularse. Estos materiales deberían
C.30.
haber llegado hasta la planta depuradora, pero por condiciones hidráulicas
inadecuadas en algunas zonas de la red (pendientes y velocidades bajas) no pueden
hacerlo. Estos depósitos suponen un riesgo para el medio ambiente porque pueden
ser puestos en resuspensión durante un evento de lluvia, y ser vertidos al medio
receptor, río, mar, etc. (Ashley, 2004). Además la acumulación de sedimento reduce
la sección transversal eficaz del conducto, incrementando el peligro de inundación
en zona urbana y también aumentará su rugosidad (Ackers, J..C. et al.. 1996).
Los gestores de redes de alcantarillado tienen en general pocos o ningún dato sobre
el sedimento existente en la red. La prevención de inundación es generalmente el
objetivo principal, y el problema de los sólidos en la red no se tiene presente. Las
mediciones en la red (Figura1) para conocer así el tipo de sedimento, su
distribución espacial y la altura del mismo en cada conducto, son poco o nada
frecuentes. No existe una visión integral del problema que considere la producción,
acumulación y circulación del sedimento a lo largo de la red, de la que se podría
extraer un conocimiento muy útil de cara a plantear programas de mantenimiento y
limpieza de la misma.
ATMOSFERA
PLANTA
DEPURADORA
TRANSFERENCIA DE MASA
AGUA RESIDUAL
MEDIO AGUA
TRANSFERENCIA DE MASA
AGUA PLUVIAL
SEDIMENTO
PROCESOS AEROBIOS Y
ANAEROBIOS EN LA RED
VERTIDOS
IMPACTOS EN
EL MEDIO
RECEPTOR
Figura 1. Orígenes y circulación del sedimento en una red de alcantarillado.
La información sobre las características del sedimento es un elemento clave para
analizar su comportamiento dentro de la red de alcantarillado. Una partícula fina no
es transportada del mismo modo que una más pesada, y sedimentos con
densidades y granulometrías distintas tendrán comportamientos diferenciados. En
sistemas unitarios, el sedimento procedente de la superficie de la cuenca
C.30.
(principalmente en tiempo de lluvia) y el agua residual (en tiempo seco y lluvioso)
dan como resultado una mezcla de materia orgánica, inorgánica y aceites o grasas,
con propiedades físicas químicas y biológicas muy diferentes. Y además, puede
observarse en ocasiones una distribución espacial muy marcada, con zonas de la red
donde predomina el sedimento inorgánico (arenas) y otras con predominancia del
orgánico, hasta valores del 90% ó más. El sedimento muestra procesos de
transformación distintos, como el mismo proceso de deposición, la adsorción o la
fermentación, que afectan las propiedades del mismo sedimento (por ejemplo la
cohesión de la materia orgánica, la resistencia a la erosión, etc.) y su composición
(por ejemplo el contenido en metales pesados). Las condiciones hidráulicas y
estructurales en el alcantarillado así como las características de la cuenca aguas
arriba, controlarán el tipo del material y qué depósitos se presentan en una
ubicación en particular (Ashley, 2004). Comprender en detalle estos procesos es de
importancia vital para valorar cuándo y dónde ocurrirá la sedimentación y evaluar el
riesgo de obstrucción o de contaminación asociada a los vertidos al medio exterior
(CSO). Para ello desarrollaremos un caso de estudio en una cuenca de la ciudad de
Barcelona.
2. Fuentes de sedimentos en la red de alcantarillado
Existen diferentes fuentes de producción de los sedimentos que nos encontramos
en la red. En un balance realizado en la ciudad de Barcelona por CLABSA, se
estimaba que más del 75% de los sedimentos en red proceden de la erosión de las
cuencas de cabecera y un 16% de la entrada de sólidos de parques y zonas verdes
dentro de la ciudad. La tasa de erosión anual de las cuencas naturales varía
enormemente según la composición geológica, cobertura vegetal, etc. pero valores
medios para cuencas mediterráneas pueden estar alrededor de las 10 a 20 T/Ha
/año (García et al, 2013).
Origen de sedimentos
C.30.
Eliminación de sedimentos
Figura 2.- Balance de sedimentos en la ciudad de Barcelona atendiendo a su origen
y a los procesos de eliminación.
Figura 3.- Entrada de sedimentos en parques urbanos
En estas circunstancias, parece de interés retener antes de la entrada en la red este
volumen de sedimentos para reducir los problemas de acumulación en su interior y
evitar costosos procesos de limpieza. Los sólidos que llegan a la red de
alcantarillado tienen orígenes variopintos. Cinco principales fuentes de producción
se suelen considerar (Ashley, 2004):

Atmósfera, que contiene polvo y aerosoles que con el tiempo pueden
acabar depositándose en la red

Superficie de la cuenca, donde el material sólido se acumula en superficie
en tiempo seco, y la lluvia los arrastra e introduce en la red

Agua residual doméstica, que aporta gran cantidad de materia orgánica

Procesos dentro de la red de alcantarillado, filtraciones y reacciones
químicas y biológicas de los sólidos dentro de la red

Agua residual industrial y sólidos procedentes de obras de construcción,
pueden contribuir a la presencia de sólidos de gran tamaño
Los gestores y responsables de la red deberían tener herramientas que permitan
predecir el comportamiento del sedimento en la red. Para ello, deberían
considerarse una serie de aspectos importantes como los siguientes:
2.1 Sedimentación en tiempo seco
Este enfoque proporcionaría una primera estimación de la carga sólida que se
deposita en tiempo seco dentro de la red. Por ejemplo, la EPA norteamericana
C.30.
(Pisano et al, 1979) propuso una serie de funciones empíricas para estimar unos
primeros valores en redes de los USA. Los datos de campo procedían de redes en la
ciudad de Boston y otras del estado de Massachusetts para estimar la carga diaria
de sedimentos totales (TS) acumulados (Kg/día) a lo largo de cada conducto:
Modelo simple
TS=0.0241(L 1.063)(S -0.436) (Q -0.51)
Modelo avanzado
TS=0.00057 (L 1.18)(D 0.604) (A -0.178) (S -0.418) (Q -0.51)
Donde L es la longitud del conducto, S la pendiente media, D diámetro del
conducto, A área de la cuenca aguas arriba y Q caudal de aguas residuales. El
modelo simple y el avanzado difieren en el número de variables consideradas. Las
funciones propuestas son válidas en el lugar donde se han extraído y su aplicación
indiscriminada a otros lugares puede ser dudosa. Debería comprobarse su
aplicabilidad a partir de medidas de campo o modificarse en base a esas medidas
los exponentes o incorporar nuevos parámetros. En nuestro caso, no se aplicaron
por dudas en la representatividad de estas expresiones.
2.2 Velocidades y tensiones de corte críticas
Se han propuesto diferentes expresiones para estimar las velocidades y tensiones
de corte críticas a partir de las cuales el sedimento es arrastrado. Se han presentado
en ocasiones bajo el nombre de velocidades críticas, velocidades de autolimpieza,
etc. En todos los casos se refiere a plantear unos valores mínimos tanto en
velocidad como en tensión de corte asociados al flujo de aguas residuales, por
encima de los cuales el material sólido es movilizado. En la definición de los mismos
entran en juego una serie de variables como la densidad del material, su
granulometría, calado o radio hidráulico del flujo, etc. Entre los más habitualmente
utilizados tenemos:

Criterio de Camp
Propone estimar una velocidad crítica para evitar la sedimentación a partir de una
serie de propiedades básicas del conducto y del sedimento, de manera que si para
el caudal de aguas residual circulante la velocidad del agua es superior a esta
velocidad crítica, Um, no habrá problemas serios de sedimentación (Nalluri et al,
1996):
U m  R1H/ 6 ( * (G  1)d )0.5
[1]
donde “d” es el tamaño de párticula representativo, normalmente del d50, “*” es la
tensión de corte de Shields, G es la gravedad específica del sedimento (2.65 para
C.30.
arenas y sobre 1.4 para materia orgánica) y Rh el radio hidráulico asociado al flujo en
tiempo seco. La tensión de corte de Shields puede expresarse como:
* 
0
 s   w d
[2]
Diferentes valores han sido propuestos a partir de estudios de laboratorio. El ASCE
sugiere que dicho valor se mueve entre 0.04 y 0.8. Valores alrededor de 0.1 pueden
ser suficientes para tener un buen comportamiento ante los sedimentos.

Criterio de Craven (corrección del criterio de Camp)
Craven (1953) propuso que se cumpliera la siguiente relación para la velocidad
crítica
Um
 3.18
g (G  1)d
[3]
Reescribiendo el criterio de Camp anterior, se obtiene:
Um
1
*
 Rh6
g
g (G  1)d n
1
[4]
Craven también confirma que el valor de la tensión de Shields habitual se encuentra
alrededor de 0.1.

Criterio de Sonnen
Orientado a los conductos donde domina el transporte en suspensión, el más
notable en redes de alcantarillado, se considera que el conducto presentará
sedimentación si la velocidad del flujo es menor que la Um, velocidad crítica, que se
puede aproximar por Bertrand, J., 2006)
U m  0.9(2 gy(G  1))0.5
[5]
donde Um es la velocidad crítica, en m/s, “y” es el calado asociado al flujo de aguas
residuales y G la relación de densidades sedimento / agua.

Criterio de May
Otra de las expresiones que se utilizan en diferentes países es la propuesta por May
(1993) para definir la velocidad crítica:
C.30.
y
U m  0.125( g (G  1)d ) 0.5 ( )0.47
d
[6]
donde todos los parámetros ya han sido definidos antes.Tensiones de corte críticas
Numerosos códigos de buena práctica de otros países suelen definir unos valores
umbrales para la tensión de corte asociada al flujo de aguas residuales. El ASCE
propone valores entre 1.3 y 12.6 N/m2, en el Reino Unido se aplica la llamada regla
de McGuire propuesta por el CIRIA con un valor de 6.2 N/m2 para caudal a sección
llena y media sección. Una referencia habitual suele ser considerar un valor mínimo
de 2 N/m2 para cualquier conducto de la red.

Modelo de tensión de corte Thalia (Univ. Karlsruhe)
Se define una tensión de corte mínima, de modo que por debajo de ese valor se
produciría sedimentación (Bertrand, J, 2006):
 c  0.4w2 ( s   ) si d < 2 mm (típico de materia orgánica)
[7]
 c  0.4 gd ( s   ) si d > 2 mm (material granular, arenas)
[8]
donde “w” es la velocidad de caída de la partícula (m/s) estimada a partir de los
tamaños de partícula.
3. Caso de estudio: red de alcantarillado de Barcelona
Se ha realizado un primer caso de análisis para verificar la aplicabilidad de las
anteriores expresiones en una red de alcantarillado real. Se escogió la red de la
cuenca de la Riera Blanca en Barcelona, de la que se dispone de un modelo de la red
realizado en InfoWorks ICM, con el que se pueden obtener los valores de velocidad,
calado y radio hidráulico para los caudales de aguas residuales en tiempo seco. La
cuenca presenta 272 conductos de tamaños muy variados, con pendientes elevadas
en la parte alta (por encima del 7%) y muy planas en las cercanías de la
desembocadura al puerto (menos del 0.1%). En la parte alta, la sierra de Collçerola
es una fuente natural de sedimentos tipo arena, mientras que los colectores de
cuencas laterales drenan áreas con impermeabilidad cercana al 100% y sin fuentes
de aportación de material granular.
Mediante la comparación con los valores críticos de referencia, para velocidad y
tensión de corte, podemos evaluar en primera aproximación qué conductos
C.30.
pueden tener problemas de sedimentación y cuáles no. Esta primera estimación
puede ser de gran utilidad para confirmar los datos que se pueden obtener
mediante inspecciones periódicas de la red, y en base a los mismos plantear
estrategias de limpieza de la red de alcantarillado, centrándonos en los conductos
problemáticos y no en los que se produce una autolimpieza.
En primer lugar se debe proceder a caracterizar el tipo de sedimento en la red. A
partir de una serie de toma de muestras en diferentes puntos de la misma,
podemos caracterizar el tipo se sedimento, orgánico o inorgánico, y su distribución
espacial dentro de la red. En general se puede indicar que aquellos conductos
donde aguas arriba de los mismos hay una entrada procedente de zonas naturales,
cuencas de cabecera, etc. muestran una predominancia de sedimento inorgánico.
Por el contrario, aquellos que no muestran la existencia de fuentes de arenas, etc.
presentan una predominancia de material orgánico, de más del 70% e incluido del
90% en ocasiones. En nuestro caso en los principales colectores teníamos arenas en
su gran mayoría.
El modelo hidráulico fue utilizado con 5 hipótesis de cálculo:

Caudal en tiempo seco

Lluvia de periodo de retorno 1 mes

Lluvia de periodo de retorno 6 meses

Lluvia de periodo de retorno 1 año

Lluvia de periodo de retorno 2 años
Se consideró una duración de 48 horas para el estudio en tiempo seco, y una lluvia
de proyecto de duración 2 horas en los otros casos, extendiéndose la duración del
estudio hasta que toda la escorrentía salía de la red. Los resultados se analizaron en
intervalos de 5 minutos. En la primera fase de estudio se seleccionó la expresión de
Camp para la velocidad crítica, y la tensión de corte crítica del modelo Thalia.
Tenemos pues la evolución temporal de las velocidades en cada conducto y para
una de las hipótesis de cálculo, que luego podemos comparar con los valores
críticos de referencia para velocidades y tensiones de corte. Aquellos conductos que
muestren valores de estos parámetros por encima de los valores críticos, serán
conductos con poca o nula tendencia a la sedimentación. Por el contrario, aquellos
conductos que presenten unas velocidades máximas por debajo de esos valores
críticos, tendrían tendencia a mostrar sedimentación.
C.30.
Como velocidad y tensión de corte de referencia de cada conducto no se consideró
el valor máximo instantáneo, sino el valor promedio durante una hora, para evitar
el hecho de que si por breves momentos se superara el valor de velocidad crítica
por ejemplo, ello no asegura que todo el sedimento acumulado fuera removido.
Figura 4. Riesgo potencial de sedimentación en la red de Riera Blanca para las cinco
hipótesis consideradas, considerando el criterio de Camp.
3.1 Situación en tiempo seco
Si asumimos que el sedimento es mayoritariamente inorgánico, arenas
principalmente pues se aprecia a partir del muestreo que es el dominante en la red,
138 de los 272 conductos no superan la condición de Camp. Un 50% de los
conductos pues presentan problemas de sedimentación en la red. Si tenemos en
cuenta que el clima mediterráneo favorece largos periodos sin lluvia, la
acumulación y consolidación de estos materiales en la red es un problema de
primer orden. Malos olores, reducción de sección transversal, aumentos de
coeficientes de rugosidad, etc. son algunas de las consecuencias derivadas de este
problema.
C.30.
Si aplicamos el criterio de tensión de corte crítica derivado del modelo Thalia, en
este caso 99 de los 272 conductos presentarían problemas de sedimentación.
3.2 Situación en tiempo de lluvia
Si consideramos las lluvias de proyecto de 1 mes, 6 meses, 1 y 2 años, podemos
repetir el análisis considerando el criterio de Camp y el de tensión de corte crítica, y
evaluar el número de conductos que pueden presentar problemas de
sedimentación.
Tabla 1. Conductos con problemas de sedimentación en Riera Blanca para tiempo seco
(DWF) y tiempo de lluvia (criterio tensión de corte crítica).
DWF
Nº de conductos
99
1 mes
65
6 meses
30
1 año
2 años
24
21
Se aprecia una reducción del número de conductos con problemas de
sedimentación a medida que aumenta el periodo de retorno de la lluvia. Hasta una
lluvia con periodo de retorno de 6 meses, el número de conductos con problemas
baja de 99 a 30, para luego reducirse pero en mucha menor medida, a 24 y 21 para
lluvias de 1 y 2 años de periodo de retorno. Después de revisar el inventario de la
red, se observó que estos entre 20 y 30 conductos que presentan problemas de
sedimentación, incluso para estas tormentas de 2 años de periodo de retorno, son
tramos en contrapendiente, o con escalones de solera en el extremo aguas abajo,
Producen sobreelevaciones del agua y descensos de la velocidad de circulación, y
son puntos claros de acumulación de sedimentos en todas las situaciones. Pero
también podemos concluir que una lluvia de periodo de retorno 6 meses deja
prácticamente limpia la red, salvo esos 30 conductos de 272. Así, como media, en
un año ni muy seco ni muy lluvioso, 2 veces al año la red quedará limpia de
sedimentos por efecto de la precipitación.
Este punto que puede parecer muy favorable desde el punto de vista del
mantenimiento y limpieza de la red, tiene una segunda visión mucho más negativa.
Si no somos capaces de retirar estos sedimentos presentes en la red en el momento
adecuado, como media un par de veces al año todo ese material llegará al medio
exterior, río, mar, playa, etc. pudiendo generar un problema de tipo
medioambiental. Pero este conocimiento combinado con el calendario habitual de
lluvias que tenemos muy marcado en numerosas regiones españolas, puede ser
C.30.
relevante a la hora de organizar los procesos de limpieza de la red, adaptándose a
los periodos de acumulación y a los periodos de limpieza derivados de la presencia
de lluvias.
3. Conclusiones
Es posible tener una primera visión de los conductos potencialmente problemáticos
en la red de alcantarillado cruzando el resultado de un modelo hidráulico calibrado
y validado, sus valores de velocidades y tensiones de corte asociadas al flujo, con
expresiones empíricas de velocidades o tensiones de corte críticas. Es fundamental
poder caracterizar el tipo de sedimento existente en la red, densidad,
granulometría, porcentaje de materia orgánica, etc. y su distribución espacial
dentro de la red, para aplicar correctamente las expresiones anteriormente
mencionadas.
Agradecimientos
Este trabajo se enmarca en los resultados del proyecto PREPARED (PREPARED
Enabling changes) financiado por la Unión Europea, Grant 244232, del 7º Programa
Marco, y también dentro del proyecto SM1302 del programa R+i Alliance.
Referencias
Ackers J.C., Butler D. and May, R. (1996), Design of sewers to control sediment
problems. CIRIA Report. R141. CIRIA. London.
Ashley R. (2004).Solids in Sewers: Characteristics, Effects and Control of Sewer
Solids and Associated Pollutants. IWA. Joint Committee on Urban Drainage.
Bertrand Krajewski J.L. (2006). Modelling of sewer solids, Production and Transport.
Cours de DEA. INSA Lyon.
J. P. Craven, (1953) "The transportation of sand in pipes; free-surface flow,"
presented at the Hydraulics Conference Proceedings, State University of Iowa
Studies in Engineering.
García-Ruiz J.M, Nadal-Romero E., Lana-Renault N., Beguería S. (2013). Erosion in
Mediterranean landscapes: changes and future challenges. Geomorphology, 198:
20-36.
C.30.
May R., Ackers J., Butler D., and John S. (1996). Development of design
methodology for self-cleansing sewers”. Water Science and Technol. 33 (9). 195205.
May, R.W.P., (1993). Sediment Transport in Pipes and Sewers with Deposited Beds.
Technical Report, Report SR 320, Hydraulic Research Ltd.
Nalluri, C., Ghani, A.A., (1996). Design options for selfcleansing storm sewers. Water
Science and Technology, 33(9):215-220.
Pisano W. C., Aronson G. L., Queiroz C. S., Blanc F. C. and O'Shaughnessy J. C. (1979).
Dry- Weather Deposition and Flushing for Combined Sewer Overflow Pollution
Control, EPA Research reporting series.
C.30.