Indicadores de sostenibilidad de la gestión integral de las aguas de lluvia en los entornos urbanos : aplicación a la ciudad de Zaragoza

En un contexto de rápido crecimiento de la población urbana y de cambio climático global, la consecución de un modelo de desarrollo sostenible pasa inevitablemente por construir ciudades más sostenibles. Basado en una intensiva impermeabilización de los suelos, el modelo actual de desarrollo urbano modifica profundamente el ciclo natural del agua en las ciudades. La drástica reducción de la capacidad de infiltración del terreno hace que gran parte de la precipitación se transforme en escorrentía superficial, que se concentra rápidamente originando grandes caudales punta. Además, el lavado de las superficies urbanas aporta altas cargas de contaminación a la escorrentía que producen importantes impactos en los medios receptores. Esta realidad motiva la realización de la presente tesis doctoral cuyo objetivo general es contribuir a la consecución de ciudades sostenibles a través de la gestión integral de las aguas de lluvia en los entornos urbanos. Con el objetivo prioritario de minimizar los riesgos de inundación, el enfoque convencional del drenaje urbano desarrolló las primeras soluciones en relación a los caudales punta, centralizando su gestión en el sistema de saneamiento e incorporando la escorrentía al mismo tan rápido como fuera posible. Pero en episodios de lluvias intensas la sobrecarga tanto hidráulica como de contaminación del sistema provoca un incremento de la vulnerabilidad de la población a las inundaciones, una falta de garantía de salud pública y graves impactos sobre los medios receptores. La aprobación en 1987 del CleanWaterAct en Estados Unidos, en el que se reconoció por primera vez el problema de la contaminación aportada por la escorrentía urbana, fue el punto de partida de un nuevo enfoque que promueve un conjunto de técnicas de drenaje que integran aspectos como cantidad de agua, calidad de agua y servicio a la sociedad. Estas técnicas, conocidas como Sistemas de Drenaje Sostenible (SUDS), son consideradas como las técnicas más apropiadas para gestionar los riesgos resultantes de la escorrentía urbana así como para contribuir a la mejora medioambiental de la cuenca y de los ecosistemas receptores. La experiencia internacional apunta a que la efectiva incorporación de los SUDS como sistemas habituales en el desarrollo urbano debe basarse en tres elementos clave: El desarrollo de un marco normativo, la aplicación de instrumentos económicos y la participación ciudadana activa en el proceso. Además se identifica como una de las líneas estratégicas para avanzar en la resolución de la problemática el desarrollo y aplicación de metodologías que apoyen el proceso de toma de decisiones basadas en indicadores cuantificables. Convergiendo con esta línea estratégica la presente tesis doctoral define unos indicadores de sostenibilidad focalizados en una temática no desarrollada hasta el momento, la gestión integral de las aguas de lluvia. Para ello, se aplica el marco analítico Presión-Estado–Respuesta bajo un enfoque que rebasa el sistema de saneamiento, enmarcando la gestión de las aguas de lluvia en las múltiples y complejas interrelaciones del sistema urbano. Así se determinan indicadores de presión, de estado y de respuesta para cada elemento del sistema urbano (Medio Receptor – Cuenca Urbana – Sistema de Saneamiento), definiendo para cada indicador el objetivo específico, la unidad de medición, la tendencia deseada de evolución y la periodicidad de seguimiento recomendada. La validez de la metodología propuesta se comprueba en el estudio de caso de la ciudad de Zaragoza. La determinación de los indicadores permite realizar un diagnóstico y definir unas líneas estratégicas de actuación que contemplan mejoras no sólo en el sistema de saneamiento y drenaje urbano, sino también en el marco normativo, urbanístico, económico, social y ambiental. Finalmente, se concluye que la integración de la gestión de las aguas de lluvia en las políticas de ordenación del territorio, el desarrollo de mecanismos de coordinación institucional, la mejora del marco normativo y la aplicación de instrumentos económicos son elementos clave para la gestión integral de las aguas de lluvia y el consecuente desarrollo de ciudades más sostenibles en España. In a context of rapid urbanization and global climate change, coping with sustainable development challenges requires the development of sustainable cities. Based on an intensive soil permeability reduction, the current development model deeply modifies the natural water cycle in the urban environment. Reduction of soil infiltration capacity turns most of the rainwater into surface runoff, rapidly leading to heavy peak flows which are highly contaminated due to the flushing of the urban surface. This is the central motivation for this thesis, which aspires to contribute to the attainment of more sustainable cities through an integrated management of rainwater in urban environments. With the main objective of minimizing floods, the conventional approach of drainage systems focused on peak flows, centralizing their management on the sewage system and incorporating flows as fast as possible. But during heavy rains the hydraulic and contamination overcharge of the sewage system leads to an increase in the vulnerability of the population, in regards to floods and lack of public health, as well as to severe impacts in receiving waters. In 1987, the United States’Clean Water Act Declaration, which firstly recognized the problem of runoff contamination, was the starting point of a new approach that promotes a set of techniques known as Sustainable Drainage Systems (SUDS)that integrates issues such as quantity of water, quality of water and service to society. SUDS are considered the most suitable set of techniques to manage the risks resulting from urban runoff, as well as to contribute to the environmental enhancement of urban basins and of the aquatic ecosystems. International experience points out that the effective adoption of SUDS as usual systems in urban development must be based on three key elements: The enhancement of the legal frame, the application of economic tools and the active public participation throughout the process. Additionally, one of the strategic actions to advance in the resolution of the problem is the development and application of methodologies based in measurable indicators that support the decision making process. In that line, this thesis defines a set of sustainability indicators focused in integrated management of rainwater. To that end, the present document applies the analytical frame Pressure – State – Response under an approach that goes beyond the sewage system and considers the multiple and complex interrelations within urban systems. Thus, for the three basic elements that interact in the issue (Receiving Water Bodies – Urban Basin – Sewage System) a set of Pressure – State – Response indicators are proposed, and the specific aim, the measurement unit, the desired evolution trend and the regularity of monitoring are defined for each of the indicators. The application of the proposed indicators to the case study of the city of Zaragoza acknowledged their suitability for the definition of lines of action that encompass not only the enhancement of the performance of sewage and drainage systems during rain events, but also the legal, urban, economic, social and environmental framework. Finally, this thesis concludes that the inclusion of urban rainwater management issues in the definition of regional planning policies, the development of mechanisms to attain an effective institutional coordination, the enhancement of the legal framework and the application of economic tools are key elements in order to achieve an integrated rainwater management and the subsequent sustainability of urban development in Spain.

Metodología para la gestión integral de las presas de laminación de avenidas y su aplicación a la cuenca hidrográfica del Segura

En el levante español se producen periódicamente intensos aguaceros (gota fría), que generan grandes riadas, desbordándose los cauces y asolando los campos y las ciudades, ocasionando graves daños en la economía local y con frecuencia, por desgracia, víctimas personales. La Confederación Hidrográfica del Segura ha puesto en marcha un vasto sistema de protección, conocido como Plan de Defensa contra Avenidas, del que ya se encuentran en explotación un conjunto de presas cuyo objetivo prioritario es la laminación de las avenidas. Las presas de laminación ubicadas en esta área mediterránea son estructuras muy singulares, al estar ubicadas en cuencas extremadamente secas, con alta pendiente, rápida respuesta, picos altos de caudal, y gran poder erosivo del flujo. Las aguas arrastran en suspensión un alto porcentaje de aporte sólido y flotantes, que quedan retenidos en el embalse, aterrándolo e inutilizando los desagües. En esta tesis doctoral se analizan los criterios de actuación para la gestión de estas presas de laminación, con objeto de que se puedan introducir en las Normas de Explotación innovaciones destinadas a mejorar la eficiencia del conjunto, de manera que se consiga la máxima protección posible y al mismo tiempo se puedan aprovechar las aguas, sin menoscabo de su objetivo prioritario, para otros fines complementarios. Como consecuencia del trabajo realizado se indica la conveniencia de establecer un conjunto de normas de actuación comunes a todas las presas del sistema, como es la estrategia de recibir siempre a los hidrogramas de la riada con las compuertas de los desagües de fondo cerrados, o la conveniencia de que en todas las presas se dispongan compuertas en estos órganos. También se dictan recomendaciones en la gestión del vaciado, para conseguir el máximo aprovechamiento del agua, introduciendo el concepto innovador de los trasvases virtuales. Asimismo, se analiza la conveniencia de fijar normas diferenciales específicas atendiendo a las peculiaridades de cada presa, en cuanto se refiere al nivel máximo de explotación, al cumplimiento de los condicionantes ambientales, al mantenimiento de la calidad del agua, y a otros aspectos singulares que caracterizan a cada uno de estos embalses. The Spanish Mediterranean region hydrology is characterised by low rainfall, but concentrated in extreme convective events. Those heavy rains and storms lead to large, flash-floods which cause devastation of fields, villages and, unfortunately, loss of lives. Segura River Basin Authority has developed an ambitious plan for flood protection and control that is constituted by a system of flood protection dams, river channelling, river diversions diversions and levees. Flood protection dams placed on this area, are distinct structures, as they are located on extremely dry basins, with high slopes and limited vegetal covering. These facts, along with the very high rainfall intensity, are determinants of a rapid response and a very erosive flow. The flow transports a large rate of solids in suspension, and also debris, which many times block and clog the outlets intakes, disabling them. In such a case, the dam would be inoperative, in an emergency state and remedial measures should be taken. This PhD thesis analyses the flood protection dams operation criteria, for providing managers a methodology to analyse each individual case and also the flood protection system as a whole. Additionally practical rules and recommendations, to cope with the objectives of dam safety, flood protection and water resources use, are given. The rules consider the specific differences and risks that may be faced by the dams. To that end, they were grouped, depending on their characteristics: allowance for permanent water storage, environmental restrictions, water quality, geotechnical problems, type of structure, etc. As a result of this research, it is recommended to design these dams with valves for regulating the bottom outlets. The availability of valves is linked with the routing strategy of receiving flood with the outlets closed. This has been shown as the best measure to prevent clogging and opens the possibility of storing temporarily the water, making then a scheduled emptying of the reservoir, which could be computed as a virtual transfer to the regulating dams. Emptying should be done in accordance with the situation of the other dams of the system and of the rivers downstream. This detention time would make possible also the beginning of the sedimentation process which is necessary for using the water with the modern irrigation systems that are in use in this area.

Desarrollo de metodologías para mejorar la estimación de los hidrogramas de diseño para el cálculo de los órganos de desagüe de las presas

En la presente Tesis se ha llevado a cabo el contraste y desarrollo de metodologías que permitan mejorar el cálculo de las avenidas de proyecto y extrema empleadas en el cálculo de la seguridad hidrológica de las presas. En primer lugar se ha abordado el tema del cálculo de las leyes de frecuencia de caudales máximos y su extrapolación a altos periodos de retorno. Esta cuestión es de gran relevancia, ya que la adopción de estándares de seguridad hidrológica para las presas cada vez más exigentes, implica la utilización de periodos de retorno de diseño muy elevados cuya estimación conlleva una gran incertidumbre. Es importante, en consecuencia incorporar al cálculo de los caudales de diseño todas la técnicas disponibles para reducir dicha incertidumbre. Asimismo, es importante hacer una buena selección del modelo estadístico (función de distribución y procedimiento de ajuste) de tal forma que se garantice tanto su capacidad para describir el comportamiento de la muestra, como para predecir de manera robusta los cuantiles de alto periodo de retorno. De esta forma, se han realizado estudios a escala nacional con el objetivo de determinar el esquema de regionalización que ofrece mejores resultados para las características hidrológicas de las cuencas españolas, respecto a los caudales máximos anuales, teniendo en cuenta el numero de datos disponibles. La metodología utilizada parte de la identificación de regiones homogéneas, cuyos límites se han determinado teniendo en cuenta las características fisiográficas y climáticas de las cuencas, y la variabilidad de sus estadísticos, comprobando posteriormente su homogeneidad. A continuación, se ha seleccionado el modelo estadístico de caudales máximos anuales con un mejor comportamiento en las distintas zonas de la España peninsular, tanto para describir los datos de la muestra como para extrapolar a los periodos de retorno más altos. El proceso de selección se ha basado, entre otras cosas, en la generación sintética de series de datos mediante simulaciones de Monte Carlo, y el análisis estadístico del conjunto de resultados obtenido a partir del ajuste de funciones de distribución a estas series bajo distintas hipótesis. Posteriormente, se ha abordado el tema de la relación caudal-volumen y la definición de los hidrogramas de diseño en base a la misma, cuestión que puede ser de gran importancia en el caso de presas con grandes volúmenes de embalse. Sin embargo, los procedimientos de cálculo hidrológico aplicados habitualmente no tienen en cuenta la dependencia estadística entre ambas variables. En esta Tesis se ha desarrollado un procedimiento para caracterizar dicha dependencia estadística de una manera sencilla y robusta, representando la función de distribución conjunta del caudal punta y el volumen en base a la función de distribución marginal del caudal punta y la función de distribución condicionada del volumen respecto al caudal. Esta última se determina mediante una función de distribución log-normal, aplicando un procedimiento de ajuste regional. Se propone su aplicación práctica a través de un procedimiento de cálculo probabilístico basado en la generación estocástica de un número elevado de hidrogramas. La aplicación a la seguridad hidrológica de las presas de este procedimiento requiere interpretar correctamente el concepto de periodo de retorno aplicado a variables hidrológicas bivariadas. Para ello, se realiza una propuesta de interpretación de dicho concepto. El periodo de retorno se entiende como el inverso de la probabilidad de superar un determinado nivel de embalse. Al relacionar este periodo de retorno con las variables hidrológicas, el hidrograma de diseño de la presa deja de ser un único hidrograma para convertirse en una familia de hidrogramas que generan un mismo nivel máximo en el embalse, representados mediante una curva en el plano caudal volumen. Esta familia de hidrogramas de diseño depende de la propia presa a diseñar, variando las curvas caudal-volumen en función, por ejemplo, del volumen de embalse o la longitud del aliviadero. El procedimiento propuesto se ilustra mediante su aplicación a dos casos de estudio. Finalmente, se ha abordado el tema del cálculo de las avenidas estacionales, cuestión fundamental a la hora de establecer la explotación de la presa, y que puede serlo también para estudiar la seguridad hidrológica de presas existentes. Sin embargo, el cálculo de estas avenidas es complejo y no está del todo claro hoy en día, y los procedimientos de cálculo habitualmente utilizados pueden presentar ciertos problemas. El cálculo en base al método estadístico de series parciales, o de máximos sobre un umbral, puede ser una alternativa válida que permite resolver esos problemas en aquellos casos en que la generación de las avenidas en las distintas estaciones se deba a un mismo tipo de evento. Se ha realizado un estudio con objeto de verificar si es adecuada en España la hipótesis de homogeneidad estadística de los datos de caudal de avenida correspondientes a distintas estaciones del año. Asimismo, se han analizado los periodos estacionales para los que es más apropiado realizar el estudio, cuestión de gran relevancia para garantizar que los resultados sean correctos, y se ha desarrollado un procedimiento sencillo para determinar el umbral de selección de los datos de tal manera que se garantice su independencia, una de las principales dificultades en la aplicación práctica de la técnica de las series parciales. Por otra parte, la aplicación practica de las leyes de frecuencia estacionales requiere interpretar correctamente el concepto de periodo de retorno para el caso estacional. Se propone un criterio para determinar los periodos de retorno estacionales de forma coherente con el periodo de retorno anual y con una distribución adecuada de la probabilidad entre las distintas estaciones. Por último, se expone un procedimiento para el cálculo de los caudales estacionales, ilustrándolo mediante su aplicación a un caso de estudio. The compare and develop of a methodology in order to improve the extreme flow estimation for dam hydrologic security has been developed. First, the work has been focused on the adjustment of maximum peak flows distribution functions from which to extrapolate values for high return periods. This has become a major issue as the adoption of stricter standards on dam hydrologic security involves estimation of high design return periods which entails great uncertainty. Accordingly, it is important to incorporate all available techniques for the estimation of design peak flows in order to reduce this uncertainty. Selection of the statistical model (distribution function and adjustment method) is also important since its ability to describe the sample and to make solid predictions for high return periods quantiles must be guaranteed. In order to provide practical application of previous methodologies, studies have been developed on a national scale with the aim of determining a regionalization scheme which features best results in terms of annual maximum peak flows for hydrologic characteristics of Spanish basins taking into account the length of available data. Applied methodology starts with the delimitation of regions taking into account basin’s physiographic and climatic characteristics and the variability of their statistical properties, and continues with their homogeneity testing. Then, a statistical model for maximum annual peak flows is selected with the best behaviour for the different regions in peninsular Spain in terms of describing sample data and making solid predictions for high return periods. This selection has been based, among others, on synthetic data series generation using Monte Carlo simulations and statistical analysis of results from distribution functions adjustment following different hypothesis. Secondly, the work has been focused on the analysis of the relationship between peak flow and volume and how to define design flood hydrographs based on this relationship which can be highly important for large volume reservoirs. However, commonly used hydrologic procedures do not take statistical dependence between these variables into account. A simple and sound method for statistical dependence characterization has been developed by the representation of a joint distribution function of maximum peak flow and volume which is based on marginal distribution function of peak flow and conditional distribution function of volume for a given peak flow. The last one is determined by a regional adjustment procedure of a log-normal distribution function. Practical application is proposed by a probabilistic estimation procedure based on stochastic generation of a large number of hydrographs. The use of this procedure for dam hydrologic security requires a proper interpretation of the return period concept applied to bivariate hydrologic data. A standard is proposed in which it is understood as the inverse of the probability of exceeding a determined reservoir level. When relating return period and hydrological variables the only design flood hydrograph changes into a family of hydrographs which generate the same maximum reservoir level and that are represented by a curve in the peak flow-volume two-dimensional space. This family of design flood hydrographs depends on the dam characteristics as for example reservoir volume or spillway length. Two study cases illustrate the application of the developed methodology. Finally, the work has been focused on the calculation of seasonal floods which are essential when determining the reservoir operation and which can be also fundamental in terms of analysing the hydrologic security of existing reservoirs. However, seasonal flood calculation is complex and nowadays it is not totally clear. Calculation procedures commonly used may present certain problems. Statistical partial duration series, or peaks over threshold method, can be an alternative approach for their calculation that allow to solve problems encountered when the same type of event is responsible of floods in different seasons. A study has been developed to verify the hypothesis of statistical homogeneity of peak flows for different seasons in Spain. Appropriate seasonal periods have been analyzed which is highly relevant to guarantee correct results. In addition, a simple procedure has been defined to determine data selection threshold on a way that ensures its independency which is one of the main difficulties in practical application of partial series. Moreover, practical application of seasonal frequency laws requires a correct interpretation of the concept of seasonal return period. A standard is proposed in order to determine seasonal return periods coherently with the annual return period and with an adequate seasonal probability distribution. Finally a methodology is proposed to calculate seasonal peak flows. A study case illustrates the application of the proposed methodology.