Calibración hidrodinámica de una estructura de biorretención estándar, sin vegetación, para la determinación del espesor óptimo de la capa de almacenamiento para un evento de lluvia típico de una zona urbana de Bogotá

Abstract

In the intent to propose a standard bioretention system in Bogota city and in order to apply the inverse solution methodology on Hydrus – 1D, it is mandatory to determine each θ_s; θ_r; α;n and k_s parameters in van Genuchten – Mualem function, without considering the hysteresis phenomenon, for standard bioretention system composing soils, as well as required components and dimensions to implement the bioretention structure in Bogota. The objective function formulation on Hydrus – 1D comes out from measurements of capillary pressure and soil water saturation, namely, setting up the soil water retention curve (h vs. θ).

First, a bioretention structure general dimensioning was carried out based on current urban landscaping regulations and recommendations given by the sewage - system service provider in Bogota city. Soil composing and design were performed after information gathering and previous investigation on bioretention systems dimensioning that are convenient to apply in Bogota city.

To give an adequate interpretation of the vadose zone, a soil column experimental prototype was built to be able to control and measure the intervening parameters in the subsoil unidimensional flow description, such as capillary pressure, soil water saturation, inflow and outflow. While developing this project, thirteen sensor - based devices were built to measure the inverse model required parameters. It is important to underline that all the designed instrumentation was based on low cost electronic development. In addition, the whole instrumentation system is controlled by an Arduino Mega PLC and was designed and built as a personal initiative by the author of this work. For signal processing and data capturing, a commercial Lab View version intuitive program was designed, to be able to create a user-friendly interface to make real-time sensor visualisation and control.

Finally, all the hydrodynamic van Genuchten – Mualem function parameters (θ_s; θ_r; α;n and k_s), without any hysteresis phenomenon considerations, were determined for the soils under study by using a Hydrus-1D inverse model and laboratory results. In addition, several direct models were run in order to determine both bioretention structures’ operation condition retention time and outflow. A storage layer in the base of the structure, which is made up by rocks to settle an appropriate retention volume, was suggested after computing model results. A Hydrus-1D direct model was also made as an application example for an urban zone in Bogotá in order to observe the structure’s behaviour and the runoff - peak mitigation percentage under normal functioning conditions, using hydrological data from the study region given by the water and sewage - service provider in Bogotá city.

Con la finalidad de proponer un sistema de biorretención estándar para la ciudad de Bogotá y de aplicar la metodología de solución inversa en Hydrus-1D, se requiere determinar los parámetros θ_s; θ_r; α;n y k_s de la función de van Genuchten-Mualem sin considerar histéresis para los suelos que componen un sistema de biorretención estándar, así como las dimensiones y componentes necesarios para la implementación de dicha estructura de biorretención en la ciudad de Bogotá. La formulación de la función objetivo en Hydrus-1D parte de las mediciones de la presión capilar y del contenido volumétrico de agua en el suelo, es decir, la construcción de la curva h vs. θ.

En primer lugar, se realizó el dimensionamiento general de la estructura de biorretención con base en la normatividad actual de paisajismo urbano y algunas recomendaciones dadas por el operador del servicio de alcantarillado de la ciudad de Bogotá. Los componentes y diseño de los suelos que se utilizaron fueron producto de la recopilación de información de diversos manuales e investigaciones previas realizadas para el dimensionamiento de sistemas de biorretención y que son aplicables para la ciudad de Bogotá.

Para poder interpretar el flujo en la zona no saturada, se realizó la construcción de un prototipo experimental del tipo columna de suelo, el cual permitió controlar y medir las variables que intervienen en la descripción unidimensional del flujo a través del sub-suelo como son: presión capilar, contenido volumétrico de agua, caudal de entrada y caudal de salida. En esta tesis se construyeron 13 instrumentos basados en sensores que miden las diferentes variables requeridas en el modelo inverso. Cabe aclarar que toda la instrumentación concebida se basó en el desarrollo de electrónica de bajo costo. La totalidad de la instrumentación se controla desde un PLC Arduino Mega y fue desarrollada como iniciativa propia del autor. Para el tratamiento de las señales y captura de datos se diseñó un programa intuitivo en la versión comercial de Lab View, software que permite crear una interfaz amigable para la visualización y control de todos los sensores en tiempo real.

Finalmente, se determinaron los parámetros hidrodinámicos θ_s; θ_r; α;n y k_s de la función de van Genuchten-Mualem, sin considerar histéresis, de los suelos de estudio mediante un modelo inverso desarrollado en Hydrus-1D y ensayos de laboratorio. También se realizaron diversos modelos directos para determinar el tiempo de retención y el flujo de salida para la condición de operación de la estructura de biorretención. Con los resultados de este modelo se propuso una capa que sirve de almacenamiento en el fondo de la estructura, que se compone de rocas que permiten establecer un adecuado volumen de retención. También se realizó un modelo directo en Hydrus-1D como ejemplo de aplicación para una zona urbana de Bogotá, con el fin de observar el comportamiento de la estructura y el porcentaje de mitigación del pico de escorrentía superficial en condiciones normales de funcionamiento, utilizando datos hidrológicos propios de la zona de estudio suministrados por el operador del servicio de acueducto y alcantarillado de la ciudad de Bogotá.