Operational stormwater performance of building integrated green walls

Resumen Técnico: Desempeño Operativo de la Escorrentía de Aguas Pluviales en Muros Verdes Integrados en Edificios

Planteamiento del Problema
La densificación urbana y la intensificación de las lluvias convectivas están aumentando la presión sobre los sistemas de drenaje. Aunque las Soluciones basadas en la Naturaleza (SbN), como los muros verdes, ofrecen un enfoque descentralizado para gestionar la escorrentía de los tejados mediante el uso del espacio de la fachada, la orientación cuantitativa para su diseño sigue siendo inmadura. La literatura existente reporta tasas de retención por evento único que varían ampliamente entre el 55% y el 100%, pero estos valores son difíciles de transferir a contextos de diseño porque a menudo carecen de un reporte consistente de la humedad inicial del sustrato, la magnitud de la tormenta y los periodos de sequía antecedentes. Además, muchos estudios dependen de supuestos de "inicio en seco" (sustrato completamente vacío), lo que puede representar condiciones favorables y no operativas en lugar de escenarios realistas donde las tormentas siguen a periodos de sequía cortos. Existe una brecha crítica en la comprensión de cómo los estados de almacenamiento antecedente se traducen en la capacidad de retención disponible a través de diferentes arquitecturas de muros y eventos de tormentas consecutivas.

Metodología
Este estudio emplea un flujo de trabajo de laboratorio-a-modelo-a-diseño para evaluar muros verdes alimentados por la escorrentía de tejados.

• Configuración Experimental: Se realizaron experimentos a escala real en el Laboratorio Green Sponge Buildings (GSB) en Noruega sobre dos sistemas de muros verdes modulares contrastantes:
  • GW1 (Tipo Tanque): Un sistema comercial con reservorios integrados y sustrato mineral, que exhibe un comportamiento de "llenado y desborde" (fill-and-spill).
  • GW2 (Sustrato Poroso): Un sistema con elementos prefabricados absorbentes que forman una superficie continua y de drenaje libre, permitiendo el flujo a través de la estructura antes de la saturación total.
    Ambos muros fueron instrumentados con medidores de flujo y celdas de carga (pesando los muros a 1 Hz) para verificar independientemente los volúmenes retenidos y la evapotranspiración, abordando las incertidumbres de medición comunes en estudios basados únicamente en el flujo de salida.
• Modelado: Se desarrolló un modelo de dos zonas parsimonioso (zonas de retención y detención) con un paso de tiempo de un minuto. El modelo incorpora una relación muro-tejado ($\lambda = A_{muro}/A_{tejado}$) como la principal variable de diseño.
• Escenarios de Simulación:
  • Evaluación del Modelo: El modelo fue calibrado contra los eventos observados en el GSB Lab para ambos tipos de muro.
  • Tormentas de Diseño: Se utilizaron simulaciones de eventos únicos con datos de la curva IDF (Intensidad-Duración-Frecuencia) de Oslo para periodos de retorno de 2 a 100 años.
  • Tormentas Repetidas: Se simularon cadenas de cinco tormentas de 2 años idénticas con intervalos entre eventos que variaron de 3 horas a 15 días para evaluar la recuperación de la retención mediante la evapotranspiración (utilizando datos de GLEAM y coeficientes de cultivo FAO-56).
  • Análisis de Incertidumbre: Se utilizó un enfoque de Muestreo de Hipercubo Latino (LHS) ($N=500$) para cuantificar la incertidumbre de la predicción, muestreando la profundidad de la tormenta, los periodos de sequía antecedentes, los coeficientes de cultivo y la capacidad de almacenamiento.

Resultados Clave

• Desempeño del Modelo: El modelo de dos zonas reprodujo con precisión los volúmenes retenidos observados para ambos tipos de muro (GW1: NSE = 0.99; GW2: NSE = 0.97), validando el enfoque para distinguir comportamientos hidráulicos específicos de la arquitectura.
• Diferencias de Arquitectura:
  • GW1 (Tanque): Exhibe una alta capacidad de retención ($h_{ret} = 38.0$ mm) con un mecanismo de "llenado y desborde". Logra una retención casi total para tormentas frecuentes con relaciones muro-tejado modestas.
  • GW2 (Poroso): Tiene una menor capacidad ($h_{ret} = 11.25$ mm) y un drenaje temprano ($\theta = 0.30$). Proporciona una retención parcial, pero requiere áreas de muro significativamente mayores para alcanzar objetivos de retención elevados.
• Impacto de las Condiciones Antecedentes: El estudio encontró que la fracción de almacenamiento pre-tormenta ($f_0$) es la variable explicativa dominante para la varianza de la retención ($R^2 \approx 0.97$).
  • Bajo condiciones antecedentes realistas de Oslo (fracciones de almacenamiento inicial promedio de 0.87 para GW1 y 0.64 para GW2), los supuestos de inicio en seco sobreestiman significativamente el desempeño.
  • Para una tormenta de 10 años con $\lambda = 1.0$, los supuestos de inicio en seco sobreestimaron la retención mediana en 89 puntos porcentuales para el muro tipo tanque y 30 puntos porcentuales para el muro poroso.
• Tormentas Repetidas: La retención se degrada rápidamente en eventos consecutivos con intervalos cortos entre eventos (por ejemplo, 3–6 horas) debido a que la evapotranspiración no puede restaurar la capacidad entre tormentas. El GW2 se degrada más rápido que el GW1 debido a su menor volumen de almacenamiento.
• Implicaciones de Diseño:
  • Para cumplir con el requisito de Oslo de retener los primeros 10 mm de lluvia: el GW1 requiere una relación muro-tejado ($\lambda$) de $\approx 0.26$ (inicio en seco) o $\approx 0.54$ (50% pre-llenado). El GW2 requiere $\lambda \approx 2.33$ (inicio en seco) y no puede alcanzar una retención cercana al total dentro de rangos de fachada prácticos si está pre-llenado.
  • La reducción del flujo pico no siempre refleja la retención de volumen; una vez que se excede la capacidad, la zona de detención aún puede amortiguar los flujos pico incluso si la retención de volumen es limitada.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que el desempeño operativo de la escorrentía de aguas pluviales en muros verdes no puede definirse por un solo porcentaje de retención o un tipo de sustrato únicamente. Los autores afirman que:

1. El Estado Antecedente es Crítico: El diseño y el reporte de desempeño deben considerar explícitamente la arquitectura del muro, la relación muro-tejado y el almacenamiento antecedente (humedad pre-tormenta). Depender únicamente de la retención en inicio en seco conduce a un sesgo de optimismo significativo en el diseño.
2. La Arquitectura Dicta la Función: Los muros tipo tanque son adecuados para la retención casi total de eventos frecuentes, mientras que los muros porosos con drenaje temprano actúan principalmente como medidas de retención parcial, a menos que se combinen con almacenamiento adicional (por ejemplo, cisternas).
3. Orientación de Diseño: El estudio proporciona un flujo de trabajo transferible para dimensionar muros verdes alimentados por escorrentía de tejados. Establece que, para eventos frecuentes o moderados, los muros verdes pueden servir como controles de fuente integrados en edificios efectivos, pero no son una protección autónoma contra eventos de inundación pluvial raros debido al aumento abrupto de la superficie de fachada requerida conforme aumenta la profundidad de la tormenta.
4. Reporte Regulatorio: Los autores recomiendan que las afirmaciones regulatorres y los reportes de desempeño utilicen percentiles condicionados por el estado antecedente o declaren explícitamente los supuestos de pre-llenado, en lugar de usar valores de inicio en seco, los cuales deben tratarse solo como límites superiores.

El estudio concluye que, si bien los muros verdes ofrecen una vía viable para modernizar las envolventes de los edificios para la gestión de aguas pluviales, su eficacia operativa está gobernada por la interacción entre la capacidad de almacenamiento, las relaciones de fachada-tejado y la recuperación realista del almacenamiento entre eventos.