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Diseño de los sistemas de saneamiento integral con tanques de tormenta para el control de contaminación
en medio fluvial: el ejemplo de Lugo José Piñeiro Aneiros
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
Jefe de la Unidad de Servicios de Dirección de proyectos y obras para la Dirección técnica de la Confederación Hidrográfica Miño-Sil (Proyfe SL)
Introducción A lo largo de las últimas décadas las metodologías empleadas para el diseño y dimensionamiento de los sistemas de saneamiento han experimentado una gran evolución, asociada al desarrollo de las herramientas y medios informáticos disponibles en el mercado, y a la posibilidad que éstos ofrecen de modelizar el comportamiento de estos sistemas y del propio medio receptor.
En el caso concreto de las cuencas del norte de España, los trabajos desarrollados por la extinta Confederación Hidrográfica del Norte durante los años 80 y 90 del siglo XX, en los saneamientos de las cuencas asturianas del Nalón, Nora y Noreña, de la bahía de pasajes en San Sebastián, etc.…habían sentado unas bases teóricas firmes, cuya fiabilidad se ha demostrado con el paso del tiempo.
No obstante, la evolución natural experimentada por las tecnologías y tendencias técnicas en este campo, así como el análisis crítico de las actuaciones realizadas a lo largo de estos años por ésta y otras administraciones, han permitido la optimización de la forma en la que hoy en día la actual Confederación Hidrográfica del Miño-Sil aborda y resuelve estas necesidades en las grandes urbes gallegas
En los siguientes apartados se expone cómo se ha producido y en qué ha consistido esta evolución en la forma de diseñar los sistemas integrales de saneamiento en medio fluvial en el ámbito de la Confederación Hidrográfica del Miño-Sil (antes Confederación Hidrográfica del Norte), tomando como hilo conductor de todo ello lo realizado durante la ejecución de los proyectos y obras de mejora de saneamiento de la ciudad de Lugo, desarrollados entre 1998 y 2010.
Antecedentes
Actuación de “Mejora de saneamiento de Lugo”
Lugo es una ciudad cuya ubicación, sobre el promontorio natural que domina la confluencia de los ríos Miño y Fervedoira, le ha permitido disfrutar de un entorno de gran riqueza natural desde sus orígenes. No obstante, el fuerte desarrollo industrial que experimentó la ciudad en la segunda mitad del siglo XX, ligado al florecimiento del sector alimenticio y acompañado por el consiguiente crecimiento urbano, provocó que, a comienzos de la década de los noventa, viviese una delicada situación medioambiental, marcada por la fuerte degradación de su entorno fluvial.
La causa principal de esta crítica realidad radicaba en las deficiencias que presentaba la red de infraestructuras de saneamiento construida durante los años ochenta, y entre las que cabe citar:
el pésimo estado de conservación de toda la red general existente, con multitud de puntos de vertido incontrolado a los cauces fluviales
la evidente falta de capacidad hidráulica de los colectores en servicio, carentes de cualquier tipo de dispositivos de regulación de los caudales en tiempo de lluvia
el inadecuado diseño de algunos elementos de la red, con multitud de puntos negros en su trazado, y
la manifiesta incapacidad hidráulica y de tratamiento de la depuradora existente.
Todas estas carencias y problemas, unidos al incipiente crecimiento urbano de la ciudad y a la aparición de unos objetivos de calidad cada vez más rigurosos en la legislación vigente (Directiva 91/271/CEE), motivó la declaración como obra de interés general de la Mejora de Saneamiento de Lugo (Ley 22/1997).
Como resultado de esta declaración, y con el fin de disponer las bases para la financiación y desarrollo de este plan de actuación, en diciembre de 1999 se suscribió un Protocolo General de colaboración entre el Ministerio de Medio Ambiente, la Xunta de Galicia y la Confederación Hidrográfica del Norte (actualmente Confederación Hidrográfica del Miño-Sil), en virtud del cual se acordó que la financiación correría en un 85 % a cargo de la Confederación Hidrográfica del Norte, a través del Fondo de Cohesión de la Unión Europea, y el 15% restante sería aportado por Xunta de Galicia.
A partir de la firma de este Protocolo la Confederación Hidrográfica del Norte desarrolló un estudio detallado de la situación existente y de las posibles soluciones a adoptar, que desembocó en la definición de los proyectos de cinco actuaciones concretas, cuya ejecución supondría la renovación integral del sistema general de saneamiento de la ciudad, tras una inversión total de 103 millones de euros:
Acondicionamiento y ampliación de los colectores de las cuencas de los ríos Rato, Chanca y Fervedoira (finalizada en julio 2004)
Acondicionamiento de los colectores generales del río Chanca (finalizado en julio 2004)
Colector general del río Miño en Lugo. Tramo N-VI (finalizado en abril 2008)
Colector general del río Miño den Lugo. Tramo N-VI – E.D.A.R (finalizado en abril de 2008)
Nueva estación depuradora de aguas residuales de Lugo (finalizada en diciembre de 2010)
Esquema de las actuaciones incluidas en la “Mejora de Saneamiento de Lugo”
No obstante, tal y como se apuntaba en la introducción de este texto, las diferentes fases en que se llevaron a cabo la redacción y ejecución de los proyectos durante estos últimos diez años, han obligado a la progresiva actualización de las técnicas de diseño y construcción empleadas.
A lo largo del presente artículo se expondrá detalladamente cómo este hecho ha convertido a la ciudad de Lugo en un referente a la hora de estudiar la evolución de la ingeniería de saneamiento en medios fluviales durante la última década.
Por otro lado, veremos cómo la reciente redacción en 2010 de un nuevo proyecto destinado a solventar los problemas existentes en la margen derecha del río Miño, y en el que se han introducido técnicas de simulación de calidad de los vertidos en medio fluvial, hace que, el sistema de saneamiento de la ciudad de Lugo pueda ser tomado, en los próximos años, como una referencia a la hora de diseñar este tipo de infraestructuras en el resto de ciudades no costeras del norte de España.
Ríos Rato, Chanca y Fervedoira Río Chanca Río Miño N-VI Río Miño N-VI / E.D.A.R.
Caudal de diseño del interceptor 1.852 l/s 1.900 l/s 1.980 l/s 3.400 l/s
Colectores de nueva construcción:
- en zanja 7.513,34 3.086,84 6.439,67 1.862,98 18.902,83 ml
- en microtúnel con hinca 289,67 178,84 581,01 1.474,90 2.524,42 ml
Rehabilitación de antiguos colectores 4.038,65 0 866,49 0 4.905,14 ml
Impulsiones 0,00 0 81,21 0 81,21 ml
Longitud total colectores 11.841,66 3.265,68 7.968,38 3.337,88 26.413,60 ml
Pozos de registro 162 38 147 31 378 ud
Arquetas de control 7 1 0 5
Bombeos 0 0 1 0
Aliviaderos 7 1 7 1
Capacidad de retención de los aliviaderos 2.035 18 11.575 450 14.078 m3
TOTAL
13 ud
1 ud
16 ud
Principales cifras de la actuación de “Mejora de saneamiento de Lugo”
Punto de partida: la concepción de un sistema integral de saneamiento en la Confederación Hidrográfica del Norte
En la planificación y diseño inicial que se hizo en el año 1998 de las actuaciones mencionadas en el apartado anterior, se tomaron como punto de partida las bases conceptuales del esquema general de saneamiento que la Confederación Hidrográfica del Norte había desarrollado con éxito en el resto del norte de España.
La concepción de este sistema de saneamiento consistía en líneas generales en la construcción de una nueva red general unitaria formada por una serie de colectores secundarios, que interceptasen los caudales de aguas residuales y pluviales canalizadas por la red municipal en las diferentes sub-cuencas de la ciudad, para incorporarlos posteriormente a una serie de interceptores generales que trasladarían estos caudales a una nueva E.D.A.R.
En la conexión a estos colectores generales se limitaría el caudal incorporado mediante dispositivos de control, disponiendo en estos puntos de incorporación tanques de retención para las aguas más contaminadas, asumiendo como admisible el alivio de éstas cuando su dilución fuese suficiente para ser vertidas al medio receptor, y enviando la fracción más contaminada a la EDAR.
Esquema formal del sistema integral de saneamiento empleado en el diseño del saneamiento de Lugo por la Confederación Hidrográfica del Norte
Esta filosofía de saneamiento implicaba el reconocimiento de dos aspectos básicos:
a) Empleo de un sistema de tipo unitario, por dos razones:
En primer lugar, por el hecho contrastado a través de las mediciones realizadas en otras actuaciones ya terminadas de que las aguas de escorrentía urbana están contaminadas, como consecuencia de su discurrir por la superficie de las calles de las ciudades; y por tanto deben de ser conducidas a una línea de tratamiento adecuada, similar en muchos casos al tratamiento primario de una EDAR
En segundo lugar, porque al tratarse de actuaciones que tratan de resolver los problemas de ciudades plenamente consolidadas, el sistema unitario es una realidad que es imposible reconvertir a separativo, tanto desde el punto de vista económico como funcional: es prácticamente imposible evitar la realización de conexiones entre redes en un sistema separativo, ya sea por razones de defectos en el diseño (conexiones de pluviales a las redes de residuales de los edificios), en la construcción (incremento de caudales de infiltración) o en la explotación de la red (inspección de conexiones fraudulentas o erróneas).
b) La consideración del medio receptor como elemento condicionante del diseño
Es decir, que el diseño del sistema de saneamiento debe de establecerse en función de la capacidad del admisión del medio receptor, teniendo en cuenta el conjunto de cargas contaminantes que, ya sea por la actividad humana o por los fenómenos naturales, pueden ser introducidos, con el tratamiento necesario, en dicho medio.
Esto exigía considerar una zonificación del medio afectado por los vertidos, en función de los diferentes usos del mismo (preservación de la propia vida natural, usos humanos como baño, cría de moluscos, etc), de la que deriva el establecimiento de unos objetivos de calidad asociados a cada zona/uso, y que dan lugar a unos valores limitativos de los parámetros de contaminación en cada punto de ese medio receptor.
A lo largo de este artículo, veremos que el mayor grado de evolución en el diseño de los sistemas de saneamiento se ha experimentado en cómo se ha tenido en cuenta este último aspecto, a través de un conocimiento cada vez más exacto y fiable del comportamiento del medio ante los vertidos.
Evolución en la forma de diseñar el saneamiento de la ciudad de Lugo
En el desarrollo del plan de mejora de saneamiento de la ciudad de Lugo se pueden distinguir cuatro etapas si se analiza desde el punto de vista de la evolución de la forma de diseñar y dimensionar el propio sistema, y que coinciden a su vez con el propio desarrollo temporal que han tenido las actuaciones que constituyen este plan.
a) Primera etapa
Correspondiente al desarrollo del esquema general de la actuación y a la redacción de los dos proyectos constructivos correspondientes al saneamiento de la cuenca de los río Rato y Fervedoira (1999-2000), así como a la propia ejecución de ambos proyectos.
b) Segunda etapa
Correspondiente a la fase de redacción de los proyectos del Colector General del río Miño, en sus dos tramos: N-VI y N-VI EDAR (2001-2002)
c) Tercera etapa
Correspondiente a la fase de ejecución de los proyectos de la etapa anterior, durante la cual se introdujeron varias mejoras y optimizaciones en cuanto al diseño del sistema (2005-2008)
d) Cuarta etapa
Correspondiente a la fase de redacción de un nuevo proyecto de ampliación del sistema de saneamiento construido en estos diez años como resultado de la necesidad de resolver los problemas surgidos en la margen derecha del río Miño como fruto de un crecimiento urbano no planificado inicialmente en esta zona (2010-2011)
En este desarrollo temporal la construcción de la nueva EDAR ha de situarse dentro de la primera etapa dado que, aunque su proyecto y ejecución se desarrolló con posterioridad (entre 2003 y 2010), los parámetros de diseño y dimensionamiento que definen su papel dentro del sistema integral de saneamiento de la ciudad fueron marcados en la primera fase manteniéndose inalterados hasta la finalización de las obras de construcción.
Primera etapa: Saneamiento de la cuenca del río Fervedoira
Actuaciones incluidas en esta primera etapa
Esta primera etapa, en la que se desarrolló el nuevo esquema general de saneamiento que resolvería las carencias y problemas que tenía la red de saneamiento de Lugo a finales de los años noventa y se redactaron los dos proyectos de colectores generales de la cuenca del río Fervedoira; se caracterizó por la aplicación directa de los criterios de dimensionamiento que en ese momento tenía la Confederación Hidrográfica del Norte.
Diseño de los colectores
El diseño de los colectores se realizó conforme a las “Especificaciones técnicas Básicas para proyectos de conducciones generales de Saneamiento” que había redactado la propia Confederación Hidrográfica del Norte en 1995.
Según estas especificaciones, el cálculo de caudales de diseño se realizó conforme a las fórmulas incluidas en la siguiente tabla:
Caudal de lluvia → QP (Varios Métodos)
Caudal de infiltración → amQDQF
Caudal usos domésticos → 400.86
250 aam
PobQD
400.86
350 hhm
PobQD
s
l
Caudal Punta y Caudal mínimo:
Si 7,06,22 mmpm QDQDQDslQD
Si mmpm QDQDQDslQD 8,051,52
mQDQD 5,0min
sl
Caudal de usos industriales
→ Dotación: 1 a 1,5 Hasl
Caudal Punta y Caudal mínimo:
mp QIQI 6,1
mQIQI 25,0min
(método racional)
Fórmulas de cálculo de caudales
De forma que el caudal máximo en el colector secundario es:
QFQPQIQDQ hp
hp max
Por otro lado el caudal máximo de entrada al interceptor se limitó a:
hm
hhm QI
PobQDQ
3
1000
16max
Manteniendo siempre un caudal mínimo de paso al interceptor de:
aa QIQDQ minminmin
lo que suponía en líneas generales que de los aproximadamente 100-125 l/s cada 1000 habitantes que se generan en cualquier cuenca de una ciudad, tan sólo se enviarían a la EDAR unos 20 l/s cada 1000 habitantes (aprox. 5 veces el caudal medio), de los cuales 3-4 l/s (cada 100 habitantes) corresponderían al caudal medio de aguas residuales.
Teniendo en cuenta que los tratamientos biológicos de las EDAR diseñadas por la Confederación se diseñaban para un caudal en torno a los 8-9 l/s cada 1000 hab. (aprox. 2 veces el caudal medio) éstas deberían ser capaces de tratar un caudal importante de aguas de lluvia, lo que obliga a disponer un a línea de tratamiento primario convenientemente “sobre-dimensionada” para tratar adecuadamente los 10-12 l/s cada mil habitantes excedentes.
Diseño y dimensionamiento de los tanques-aliviaderos
En cuanto al diseño de los tanques, se optó igualmente por la tipología clásica que había desarrollado la propia Confederación a los largo de los últimos años., y cuyo dimensionamiento estaba muy centrado en la idea de recoger las aguas de escorrentía de los primeros momentos de cada episodio de lluvias, a fin de evitar el choque de contaminación que previsiblemente causarían estas aguas de primer lavado (first- flush) en el medio receptor.
En definitiva, se trataba de un tanque en el que se situaban las cámaras de retención en derivación de modo que las primeras aguas de la escorrentía se almacenaran en ellas aliviándose los excesos que llegaran posteriormente, de forma que una vez finalizado el aguacero, las aguas retenidas se incorporasen al interceptor general, que las conduce a la EDAR.
En la siguiente modelización se puede ver de forma más detallada el funcionamiento de este tipo de tanque-aliviadero:
1. Tiempo seco: Todo el caudal que entra en el tanque circula por el canal central y sale por el colector de salida hacia la E.D.A.R.
2. Tiempo de lluvia: El caudal de entrada es superior al de salida, controlado por un elemento regulador de caudal (compuerta o válvula vortex), por lo que el nivel en el canal central aumenta hasta alcanzar el nivel del muro de separación entre canal central y cámaras de retención, momento en el cual se produce en ellas la acumulación exceso de caudal de entrada.
3. Tiempo de lluvia: Una vez que el tanque está al máximo de capacidad de retención, si sigue subiendo el nivel debido a la abundante entrada de caudal, el tanque de tormentas comienza a verter al canal de alivio a través de un tamiz que retiene los flotantes, saliendo directamente hacia el cauce receptor.
4. Tiempo de lluvia: Una vez que el caudal de entrada disminuye y se hace inferior al de salida, el nivel del agua en el interior de las cámaras desciende paulatinamente hasta que se vacían. Una vez sucedido esto y mediante unas electroválvulas, los limpiadores basculantes se llenan de agua, que en su descarga produce una ola que arrastra todo el sedimento presente en las cámaras de retención a un canal que los conduce hacia el canal central y de ahí, por el colector de salida, se dirigen hacia la E.D.A.R.
COLECTOR DE ENTRADA
Qe COLECTOR DE
SALIDA
Qs
CANAL CENTRAL
CÁMARAS DE RETENCIÓN
COLECTOR DE ENTRADA
QeCOLECTOR DE
SAL IDA
Qs
CANAL CENTRAL
CÁMARAS DE RETENCIÓN
CÁMARA DE AL IVIO
COLECTOR DE ALIVIO
Qa NIVEL DE ALIVIO
COLECTOR DE ENTRADA
Qe COLECTOR DE
SALIDA
Qs
CÁMARAS DE RETENCIÓN
VOL QUETE S DE AUTOLIMPIE ZA
DE CÁMARAS DE RETENCIÓN
COLECTOR DE ENTRADA
QeCOLECTOR DE
SALIDA
Qs
REGULACI
CANAL CENTRAL
ÓN DE CAUDAL (COMPUERTA O
VÁLVULA VORTEX)
1
2
3
4
Esquema de funcionamiento de la tipología tradicional de un tanque-aliviadero de la Confederación Hidrográfica del Norte
En cuanto al volumen de los mismos, y si bien la propia Confederación Hidrográfica del Norte estaba empezando a impulsar en algunos saneamientos costeros el empleo de los primeros modelos de simulación del comportamiento del medio receptor ante las denominadas descargas de sistemas unitarios (DSU), en el caso de saneamientos en medio fluvial las técnicas disponibles en ese momento no permitían nada más que la aplicación de ciertas fórmulas deterministas basadas en algunos estudios empíricos existentes en otras cuencas.
En concreto, el parámetro de diseño en cuanto al volumen del tanque de retención se establecía en función de la superficie neta de su cuenca drenada, y adoptando un volumen específico estándar de 4 m3/Haneta, en el caso de poblaciones difusas que en el caso de zonas de población densa, como Lugo, se aumentaba a los 9 m3/Haneta.
Por otro lado, de cara a obtener la superficie mínima del tanque, se imponía que:
asc
neta
v
StopelluviaS
)(min ; considerando una Vasc minima de 25 m/h
Parámetros de diseño de la estación depuradora de aguas residuales
Como consecuencia de la aplicación de los criterios que la Confederación Hidrográfica del Norte ya había aplicado a principio de los años 90 del siglo pasado en los saneamientos de las cuencas asturianas, el nuevo saneamiento de la ciudad de Lugo fue concebido desde su comienzo como un auténtico “sistema” en el que colectores, tanques-aliviaderos y EDAR constituían un conjunto inseparable, en el que cada uno de estos elementos realizaba una función específica pero condicionada a la realizada por el resto del sistema de cara a conseguir un único objetivo: la protección del medio receptor.
En este sentido la concepción del papel que la EDAR debía jugar en este sistema se fijó desde un comienzo a través de la imposición de unos parámetros de diseño que se mantuvieron hasta el final de la actuación.
Desde el punto de vista de su capacidad de tratamiento, el papel que debía jugar la nueva EDAR venía condicionado por la decisión tomada sobre el caudal a incorporar a los interceptores generales, y que tal y como se apuntó con anterioridad se situaba en tono a cinco veces el caudal medio, o lo que es lo mismo, en torno a los 20 l/s cada 1000 habitantes (fórmula de Liverpool).
Este caudal de entrada a la planta era el hecho que condicionaba el dimensionamiento hidráulico de la EDAR. Este hecho, unido a que el tratamiento biológico suele dimensionarse para un caudal máximo de entre 1,6 o 2 veces el caudal medio, obligaba necesariamente a incluir una línea de tratamiento primario muy completa capaz de tratar el caudal excedente: 10-12 l/s cada mil habitantes.
Así, en el caso concreto de Lugo, la EDAR fue diseñada para admitir un caudal máximo de 4300 l/s en su línea de pretratamiento y primario; y un caudal máximo de 1770 l/s en el tratamiento secundario, equivalente a dos veces el caudal medio (885 l/s)
En cuanto al resto de parámetros de diseño el nivel de tratamiento ha venido condicionado por la minimización del impacto al medio receptor, tanto en las líneas de agua y fangos como en el propio desarrollo y diseño del resto de elementos de la nueva planta; así:
En la línea de agua, las restrictivas condiciones de vertido existentes en el tramo del río Miño en el que se ubica la planta, y que imponían la condición de zona sensible debido a la presencia de un embalse a escasos kilómetros aguas abajo, obligó a la incorporación de un tratamiento biológico de fangos activos de tercera generación, capaz de eliminar el fósforo y el nitrógeno por vía biológica.
En lo relativo a la línea de fangos, la idea de lograr la minimización, valorización y reutilización (agricultura, combustible, etc…) del residuo procedente de la depuración del agua, obligó a optar por la instalación de un sistema de secado térmico que lograse una sequedad mínima del 95% en el residuo final.
Y en lo relativo a la protección del medio ambiente, la propia Declaración de Impacto ambiental de las obras obligó a incluir las siguientes medidas: cubrición y desodorización de todos los posibles focos de olores; insonorización de los equipos susceptibles de causar un impacto sonoro negativo, inclusión de un riguroso programa de control ambiental, aplicación de medidas de restauración y conservación ambiental del entorno y realización de un detallado estudio paisajístico y estético del conjunto de la instalación de cara a lograr la perfecta integración del mismo en un entrono de gran riqueza natural.
Segunda etapa: proyectos de saneamiento de la cuenca del río Miño
Actuaciones incluidas en esta segunda etapa
Con la redacción de los proyectos correspondientes a los dos tramos del Colector General del río Miño, se produjeron nuevos cambios en la forma de diseñar el sistema.
Diseño de los colectores
En cuanto a la forma de diseñar las conducciones se mantuvieron los criterios “clásicos” empleados en los proyectos anteriores.
Dimensionamiento de los tanques de retención
Sin embargo, a la hora de fijar el volumen de los tanques-aliviaderos, fue donde se aplicó una nueva metodología con la idea de mejorar el comportamiento conjunto del sistema de saneamiento y reducir el impacto de los vertidos al medio receptor.
En definitiva, se trató de afinar el cálculo del volumen que debían tener los tanques-aliviaderos para conseguir minimizar la posible afección al medio receptor, debido a que los estudios realizados en los últimos años sobre las instalaciones construidas hasta el momento estaban demostrando que, si bien los tanques lograban retener el primer lavado de las calles, en muchos casos la contaminación asociada a la limpieza de los propios colectores secundarios en momentos de lluvia o a las propias características de algunas cuencas, motivaban que su volumen no fuese suficiente para evitar un impacto inaceptable al medio receptor con cada suceso de lluvia.
No obstante, y como todavía no existía un desarrollo suficientemente fiable de cara a poder modelizar fácilmente el medio fluvial desde el punto de vista del impacto de la contaminación, pero sí que empezaban a existir modelos comerciales de simulación de los propios sistemas de saneamiento, se optó por seguir la tendencias marcadas por algunas normativas de reciente creación en ese momento y aplicar criterios exclusivamente hidráulicos en los puntos de emisión, lo cual suponía diseñar una red de colectores y tanques que para un determinado año de lluvias medias garantizase un determinado número máximo de aliviados al medio receptor, en este caso concreto 25 alivios o suceso DSU para un año medio.
Esta nueva forma de dimensionar el volumen del tanque suponía un gran avance, ya que permitía considerar el comportamiento conjunto del volumen de los colectores secundarios y de los propios tanques para retener las puntas de caudal y evitar con ello que se redujese drásticamente el número de vertidos al medio; y por otro lado afinar el cálculo de los caudales de aguas pluviales a través de un modelo numérico de transformación lluvia-escorrentía (Infoworks, SWMM, etc…), obteniendo una solución a medida de las características de cada cuenca, en lugar de un valor basado en un fórmula empírica pero totalmente determinista.
No obstante, y como es lógico, esto supuso un claro aumento de los volúmenes específicos de los tanques en estos nuevos proyectos, pasando a valores de entre 25- 60 m3/Ha neta y volúmenes de hasta 3600 m3, en el caso concreto de Lugo.
En las siguientes tablas se aprecian estas diferencias, e igualmente se observa el claro aumento que experimentó el volumen de retención de estos nuevos tanques, respecto a los construidos en la cuenca del río Fervedoira.
O Ceao 400 San Fiz 1.354
San Lorenzo 470 A Tolda 2.654
Paradai 470 Fingoi 617
Sagrado Corazón 250 O Valiño 559
Rato 305 Bombeo Puente Romano 784
Fervedoira 80 A Cheda 1.454
O Portiño 60 Casás 3.696
San Mamede 450
VOL. TOTALES (m3) 2.035 11.118
Cuenca del río MiñoCuenca de los ríos Rato y Fervedoira
Comparativa de los volúmenes de retención en m3 de los tanques-aliviaderos construidos en la ciudad de Lugo
Tercera etapa: ejecución de la cuenca del río Miño La tercera fase que experimentó el diseño del sistema de saneamiento de la ciudad de Lugo, se produjo durante la fase de ejecución de las obras correspondientes a los dos tramos de los colectores generales del río Miño en Lugo.
Cambios en el diseño de los tanques de retención
En este caso la solución final se encontraba dimensionada, y por tanto el avance tecnológico no se consiguió en la forma de dimensionar los tanques o colectores, sino en el estudio de la propia configuración de las cámaras de retención de los tanques.
Tras la puesta en marcha de las obras de la primera fase, se observó que las cámaras de retención se limpiaban de forma satisfactoria mediante el sistema de volquetes de autolimpieza instalados en ellas; sin embargo, en contraposición, la denominada cámara central acumulaba gran cantidad de sólidos creando una capa de difícil limpieza.
COLECTOR DE ENTRADA
Qe COLECTOR DE
SALIDA
Qs
CÁMARAS DE RETENCIÓN
VOLQUETES DE AUTOLIMPIEZA DE CÁMARAS
DE RETENCIÓN
Infografía de la tipología de tanque empleado por la Confederación Hidrográfica del Norte, y de su sistema de autolimpieza
Ante este problema de mantenimiento surgió la idea de cambiar la disposición de las cámaras de forma que el canal central se pudiese limpiar con los citados volquetes, a tal efecto se idearon dos nuevas configuraciones de tanque, frente a la tradicional: un tanque con cámara única y un tanque con deflector.
Infografías de los tres tipos de tanques estudiados en esta fase
El tanque con cámara única consistía en eliminar la separación entre la cámara central y las cámaras de retención, permitiendo disponer los volquetes de forma transversal al canal principal. Se trataba de un diseño mucho más sencillo y económico al tanque tradicional, pero que evidentemente impedía separar las lluvias más contaminadas de los primeros momentos.
VACIADO
LLENADO
Infografía del tanque con cámara única, esquema del llenado y fotografía del “tanque-aliviadero de SanFiz”
En el caso del tanque con deflector, suponía una combinación de los dos anteriores, basado en incorporar a las ventajas del tanque de cámara única la posibilidad de separar el volumen de aguas más contaminado de los primeros momentos del aguacero del correspondiente al final el mismo, supuestamente con una menor carga contaminante, con la diferencia de que el llenado de esta cámara de retención se realizada desde la parte inferior en lugar de la parte superior.
VACIADO
LLENADO
Infografía del tanque con deflector, esquema de llenado, y fotografía del “tanque-aliviadero del Puente romano”
Evidentemente, la nueva disposición de las cámaras, permitía situar los canales de los limpiadores basculantes en perpendicular al canal central, facilitando la limpieza de toda la superficie del tanque con las consiguientes ventajas de cara al mantenimiento y a la futura explotación de la instalación (minimización de olores, reducción de las resuspensiones de sedimentos…), pero la duda radicaba en si estas tipologías podían mejorar o emperorar la eficiencia del tanque desde el punto de vista del control de la contaminación vertida al medio receptor, es decir, se trataba de saber cuál de las tres tipologías ofrecía un mejor rendimiento para un mismo volumen de tanque, y que en este caso concreto ya había sido fijado en la fase de proyecto mediante la limitación del número máximo de vertidos admisibles en un año de lluvias medio.
Para ello se desarrolló “Análisis de la influencia de la configuración de los volúmenes de almacenamiento en los depósitos de detención-aliviadero de los colectores generales del Miño en Lugo”, mediante la colaboración de la dirección técnica de las obras y el GEAMA (Grupo de Ingeniería del Agua y del Medio Ambiente) de la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad de A Coruña.
El estudio realizado consistió en crear un modelo hidráulico y de contaminación de la red de colectores generales del río Miño que pudiese ser aplicado a distintas configuraciones de las cámaras del tanque de tormentas, para evaluar cuál de ellas ofrecía unas mejores tasas de retención de la contaminación.
Para ello, lo primero fue crear un modelo de las cuencas de aportación y de la nueva red de saneamiento, sobre la que poder aplicar diferentes lluvias de diseño (entre las que se escogieron la correspondiente al periodo de retorno T=2 años, la lluvia máxima del año 1993 y una lluvia intermedia), y con ello lograr transfórmalas en escorrentía mediante el SWMM; obteniendo los hidrogramas de entrada a cada uno de los tanques.
Esquema del modelo hidráulico credo en el SWWM para este estudio
A continuación, se crearon unos polutogramas sintéticos, a partir de los datos extraídos de las mediciones realizadas por el PROMEDSU, definiendo dos posibles casos en función de la relación hidrograma-polutograma: que se produjese un efecto de primer lavado en las cuencas (polutograma adelantado al caudal), o bien, que este efecto no tuviese lugar (polutograma acompañando al hidrograma).
Croquis con los diferentes tipos de situaciones hidrograma-polutograma estudiados
Ejemplo del hidrograma y polutograma de diseño adoptados para una lluvia de periodo de retorno 2 años y punta adelantada un70%
Estos hidrogramas y polutogramas se aplicaron a los tres modelos diferentes de configuración de las cámaras de los aliviaderos: el tanque tradicional que había estado empleando la Confederación Hidrográfica del Norte, el tanque con cámara única y el tanque con deflector.
De los resultados obtenidos se extrajeron las siguientes conclusiones:
Los mejores rendimientos de retención de masa de contaminación se conseguían con los tanques con unos volúmenes específicos mayores, en torno a 60 m3/Ha neta.
La tipología que lograba mejores rendimientos de retención de contaminación era el tanque con deflector, si bien la diferencia entre esta tipología y la demás disminuía al aumentar el volumen de tanque, entre un 5% y un 2%;.
Por tanto, para grandes tanques la configuración óptima era la de cámara única, ya que el incremento de rendimiento no justificaba su mayor coste económico, siendo la óptima para tanques más pequeños la de dos cámaras con deflector.
Resultados obtenidos en el estudio en porcentaje de masa de contaminación retenida por los tanques para cada una de las hipótesis planteadas
Frente a esta configuración, la nueva disposición de las cámaras, aparte de mejorar las tasas de retención de contaminación tal y como reflejan las conclusiones del estudio realizado, permitía situar los canales de los limpiadores basculantes en perpendicular al canal central, facilitando la limpieza de toda la superficie del tanque con las consiguientes ventajas de cara al mantenimiento y a la futura explotación de la instalación (minimización de olores, reducción de las resuspensiones de sedimentos…).
Otras conclusiones para el futuro
A partir del estudio realizado por el GEAMA, también se pudieron extraer otras conclusiones importantes de cara al diseño de nuevos proyectos, ya que las modelizaciones realizadas permitieron obtener la relación existente en cada cuenca, entre el número de vertidos que se producirían en un año medio en un determinado tanque en función del volumen específico en m3/Haneta adoptado en cada caso:
Relación entre el número de vertidos en un año de lluvias medio y el volumen específico del tanque
Y a su vez, relacionar igualmente el volumen específico de cada unos de los tanques estudiados con el porcentaje de escorrentía capturada por dicho tanque, lo cual supone una medida de la contaminación retenida.
Relación entre el porcentaje de escorrentía retenida en un año de lluvias medio y el volumen específico del tanque
En ambos casos se observó que llegado un punto, el aumento del volumen específico del tanque no suponía una mejora de cara a la eficiencia del tanque en cuanto a retención de contaminación procedente de escorrentía.
Cuarta etapa: proyecto de saneamiento de la margen derecha del río Miño Cuando prácticamente se encontraban finalizadas todas las actuaciones que constituían el nuevo sistema general de saneamiento de la ciudad, y dado que había pasado una década desde la redacción del “Estudio para la definición del esquema general de la Mejora del Saneamiento en Lugo”, se decidió analizar los posibles desajustes que se habían producido entre la planificación realizada en 1999 y la evolución real del crecimiento de la ciudad en algunas zonas.
La mayor y única disparidad relevante que se detectó se encontraba en la margen derecha del río Miño, donde las obras ejecutadas en base al Plan General de Urbanismo, vigente desde 1999, preveían únicamente un crecimiento circunscrito al entorno de barrio de San Lázaro-A Ponte, cuya red general de saneamiento se encontraba ejecutada por completo por otras entidades, y únicamente se preveía su conexión al nuevo colector general del río Miño, en su tramo N-VI, a través de la nueva “Estación de Bombeo-Aliviadero” del Puente Romano.
Sin embargo la realidad observada fue que a lo largo de estos últimos años, el desarrollo urbano no había coincidido con la planificación urbanística, detectándose un fuerte crecimiento poblacional de las zonas situadas en esta margen derecha del río Miño, aunque relativamente alejadas del barrio de San Lázaro-A Ponte y, por tanto, fuera de su cuenca hidrológica, en torno al polígono industrial de A Louzaneta.
Situación de la cuenca de “A Louzaneta”
Como consecuencia de todo ello se había ido generando un serio problema de saneamiento en esta parte de la ciudad, que hacía necesaria la redacción de un nuevo proyecto, cuyo objetivo fuese la planificación y dimensionamiento de las nuevas infraestructuras de saneamiento y drenaje necesarias para resolver el problema.
Actuación de ampliación del sistema de saneamiento integral de Lugo, a partir del “Proyecto de colectores generales del rio Miño en Lugo. Tramo N-VI 2ª fase”
Nueva concepción en la forma de diseñar en medio fluvial: diseño ambiental integrado
A la hora de comenzar la redacción de este proyecto, se optó por aplicar las últimas tendencias en materia de diseño de saneamientos en el medio fluvial, aprovechando las nuevas herramientas informáticas que el mercado era capaz de ofrecer en este momento, y que actualmente permiten valorar los impactos de los alivios de todo el sistema de saneamiento sobre los medios acuáticos fluviales, en base al uso de modelos numéricos de simulación, tanto de la red de colectores y de infraestructuras de control y tratamiento de reboses, como de medio natural fluvial; simulando tanto su hidráulica como la contaminación-calidad de las aguas.
Este tipo de diseño ambiental integrado de los sistemas de saneamiento y su medio receptor, se había convertido en una realidad en el diseño de saneamientos litorales, a través de programas como el AquaMap, desarrollado por la Confederación Hidrográfica del Norte, y ante la existencia de normativas relativas al cumplimiento de objetivos de calidad bacteriológicos en el medio marino. Sin embargo, la experiencia existente en el diseño de sistemas de saneamiento y drenaje en entornos fluviales no era tan amplia. De hecho las referencias son muy escasas, y aunque se han realizado estudios que han modelizado el medio acuático fluvial y las presiones que reciben, se ha analizado con escenarios de tiempo seco; mientras que apenas han sido estudiados los impactos transitorios generados por vertidos de carácter intermitente en tiempo de lluvia
Evidentemente esto suponía dar un gran paso adelante en la forma de dimensionar un saneamiento en medio fluvial, dejando atrás el enfoque de establecer estándares de emisión (fijar frecuencias de rebose en un año, o un nivel de tratamiento mínimo en el flujo vertido, etc., ya comentados anteriormente), que presentan el problema de que suelen ser criterios adoptados de forma genérica y no analizan verdaderamente las repercusiones de las DSU sobre el sistema acuático específico que se intenta proteger; para pasar a una metodología consistente en establecer objetivos de calidad ambiental (EQS, “Environmental Quality Standards” según la Directiva Marco), en donde se evalúa, mediante técnicas de modelización, el impacto concreto que se produce sobre el medio acuático, y se analiza si es tolerable para él.
No obstante en esta nueva metodología es necesario disponer de estándares de calidad del agua del sistema acuático afectado, y además, dichos estándares deben tener en cuenta que dicho impacto puede ser de carácter transitorio e intermitente.
Para ello se optó por emplear la referencia más conocida a nivel internacional de “estándares de calidad del agua intermitentes” conocida como “Urban Pollution Management” (UPM), de la “Foundation for Water Research” (1998), en Gran Bretaña; y cuya novedad reside en que establece los estándares de calidad en el río en función de la dosis, la duración y la frecuencia de los sucesos de contaminación (concentración de oxígeno; amonio…)
En resumen, y tal y como se muestra en la siguiente figura, esta nueva metodología consistía en predecir el comportamiento del río en términos de dosis/duración y frecuencia de ciertos contaminantes decisivos para la vida piscícola (oxigeno disuelto, amonio) , en unas determinadas condiciones de tiempo de lluvia que reprodujeses la situación crítica de funcionamiento del nuevo sistema de saneamiento, y con los resultados obtenidos poder compararlo con unos estándares de calidad que fijan cuantitativamente los valores máximos admisibles con la vida piscícola de esos sucesos transitorios (UPM).
v.s.
Esquema de la metodología de diseño ambiental integrado para el parámetro de oxígeno disuelto según los valores fijados por la Urban Pollution Management
Metodología de diseño empleada
La metodología empleado en el diseño de este proyecto de ampliación del saneamiento de Lugo fue la siguiente:
a) Elaboración de un predimensionamiento previo de la solución definitiva adoptada para la ampliación del sistema de saneamiento. Lo cual supone básicamente dimensionar los colectores y el nuevo tanque-aliviadero definido.
b) Comprobación de su validez en términos de impacto sobre el medio receptor a través de la aplicación del método UPM; y vuelta al paso a) en caso de que no se cumpliesen los estándares de calidad establecidos por esta metodología.
Predimensionamiento del sistema de saneamiento
Para este predimensionamiento se confeccionó un modelo hidráulico con el programa SWMM que incorporase la solución adoptada en el nuevo tramo, junto con el resto del sistema; y a partir de él se dimensionaron los diámetros de los colectores y el volumen del tanque definido en la solución final.
Para el cálculo de caudales de diseño se empleó un hietograma de bloques alternos obtenido para un periodo de retorno de 10 años y una duración de 2 horas; al que se añadió en cabecera de cuenca los
caudales de guas residuales domésticas e industriales, así como una estimación del caudal de infiltración, conforme las fórmulas tradicionalmente empleadas por la Confederación Hidrográfica del Norte.
Imagen del modelo hidráulico del sistema de saneamiento e la ciudad realizado en SWMM
Se realizó un tanteo de los diámetros considerando que la capacidad útil de la conducción en colectores secundarios viene fijada por la situación en la que se produce la inundación de la tapa de los pozos de registro; y que en el interceptor se debe de garantizar su funcionamiento al 75% de llenado.
En cuanto al volumen del tanque, se realizó una serie de tanteo sucesivos hasta lograr que el modelo hidráulico elaborado garantizase un número máximo de 20 alivios en el año de lluvias medio, en este caso el año 2008; considerando como alivios independientes aquellos sucesos de vertido separados más de 24 horas, 12 horas y 6 horas (3 hipótesis diferentes)
Para elegir este año medio, se consideraron únicamente las últimas series con registros diezminutales, y se eligió aquel año que cumpliese que la precipitación total acumulada y el número de días de lluvia al año entre el 90% y el 110% de la media de todos ellos.
Así, en ese caso concreto se obtuvo un volumen de tanque-aliviadero de 4500 m3, considerando la tipología de cámara única conforme a las conclusiones de los estudios realizados anteriormente, capaz de retener el 90% de la escorrentía anual; y con una tasa de volumen específico de 43,3 m3/Haneta
Análisis del impacto del medio receptor: aplicación del método UPM
Una vez que existías una solución definida y dimensionada, se trataba de validar ese dimensionamiento a través de la comprobación de que con esta solución, el sistema de saneamiento de ciudad no iba a provocar unos impactos inadmisibles, o que por lo menos, estos serían mucho menores a los actuales.
Para ello, lo primero fue confeccionar un modelo conjunto del sistema de saneamiento de la ciudad y su medio receptor: el rio Miño. Este modelo debía predecir el comportamiento del río a nivel de concentración de oxígeno y amonio en cada punto, y en cada momento, para luego poder compararlo con los estándares de calidad UPM.
Esquema del modelo hidráulico y de contaminación-calidad de las aguas elaborado para el sistema de saneamiento de Lugo y su medio receptor
La modelización del medio emisor y del sistema de saneamiento se elaboró mediante el programa SWMM; y a partir del mismo, se caracterizó la hidráulica de los vertidos al medio receptor para un año de lluvias medio.
Para poder asignar un polutograma a cada uno de esos vertidos, fue necesario hacer una campaña de caracterización del rebose de uno de los tanques construidos. En base a esta caracterización se pretendía establecer la pauta en cuanto al nivel de atenuación de la contaminación en los vertidos que eran capaces de lograr este tipo de infraestructuras. Para ello se contó con la colaboración del GEAMA
Se decidió caracterizar los DSU que se produjesen en el denominado tanque-aliviadero de “Casás”: de 3.900 m3 de capacidad (31,4 m3/Haneta); con una configuración de cámara única; y con regulación del caudal hacia la EDAR mediante una compuerta motorizada.
Para caracterizar el funcionamiento de este depósito se decidió realizar una instrumentación independiente de la existente con el fin de no modificar o dañar los equipos y su programación. La nueva instrumentación del depósito-aliviadero debía permitir caracterizar con precisión suficiente el comportamiento hidráulico (caudal de entrada, nivel de agua en el interior del depósito, caudal de salida hacia EDAR, caudal de salida por el aliviadero) y la contaminación vertida por el aliviadero.
Croquis que representa la colocación de la instrumentación de control
En cada suceso de llenado y vertido se tomaron muestras cada 5 minutos; dado que la variación de la contaminación era baja, debido al gran volumen del depósito, se generaron nuevas muestras mezclando 3 botellas consecutivas; esta nueva “muestra” de 3 litros permitió hacer un gran número de analíticas y ensayos. Por lo tanto, cada DSU se ha caracterizado, en los mejores casos, mediante 8 muestras separadas por intervalos de 15 minutos. En total se caracterizaron 8 sucesos de vertido a través de aliviadero.
Ejemplo de los datos registrados en uno de los sucesos medidos
Los ensayos de DBO se han realizado hasta la DBO20 con el fin de poder calcular las constantes cinéticas de degradación (K1) del agua de la DSU, de gran interés para su introdución en el modelo de calidad de aguas del río.
También se realizó una caracterización sencilla de las aguas residuales de tiempo seco, tomando 24 muestras durante dos días laborables con tiempo seco.
Como resultado de estas mediciones se obtuvo que el tanque-aliviadero de Casás, con su disposición en línea, permite un gran rendimiento como infraestructura de reducción de impactos sobre el río Miño por DSUs. El depósito, además de controlar del orden del 90% de la escorrentía caída en la cuenca, atenúa, cuando hay vertido, el valor medio de concentración de la contaminación vertida entre un 72% (SS) y un 92% (N-NH4+). Se aprecia, asimismo, que la atenuación de la contaminación bacteriológica no llega a un orden de magnitud, porque sigue siendo un agua que genera impactos si es importante controlar la contaminación bacteriológica de las aguas (baño, cultivos marinos,…).
DQO (mg/L) DBO5 (mg/L) N-NH4+ (mg/L) SS (mg/L) CF (UFC/100 mL)
DSU aliviadero 119 58 0,83 132,5 4,10E+06 CM tiempo seco 430 254 26,5 118,4 2,10E+07
CMS (base de datos) 593 300 11 471 1,60E+07
CMAX (base de datos) 1320 620 24 1143 4,30E+07
Atenuación respecto a CMS 80% 81% 92% 72% 74%
Comparación de valores de concentraciones de contaminación de interés en el análisis del funcionamiento del depósito-aliviadero de Casás.
Finalizado este estudio, disponíamos de un modelo que permitía conocer la hidráulica y la contaminación de los vertidos a los que daría lugar el nuevo sistema de saneamiento de la ciudad en un año de lluvias medias; y únicamente quedaba confeccionar el modelo del medio receptor.
Para ello, se optó por emplear el modelo bidimensional Iber (Turbillón), desarrollado conjuntamente en la UDC, CEDEX, CIMNE y el grupo Flumen de la UPC. Este modelo permite simular la hidráulica bidimensional en aguas someras, modelizando igualmente la calidad de las aguas en términos de oxígeno disuelto, temperatura, coliformes fecales y sustancias solubles.
Para caracterizar el medio se partió de: una topografía del cauce, de los caudales medios diarios del año 2008 registrados por la red SAICA de la Confederación Hidrográfica del Miño-Sil; de los valores medios mensuales de los últimos ocho años en oxigeno disuelto, nitrógeno amoniacal y temperatura (igualmente registrados por la red SAICA); junto con unas constantes cinéticas obtenidas de la bibliografía especializada.
Con todo ello se estudiaron dos escenarios: uno con el nuevo tanque y otro sin el nuevo tanque; y se decidió establecer un punto de control, inmediatamente aguas debajo de la posición escogida para el futuro tanque-aliviadero; obteniendo tras correr el modelo el numero de incumplimientos en ese punto que se darían para un año medio en términos de oxígeno disuelto y nitrógeno amoniacal/amonio.
La comparación de los valores obtenidos con los estándares UPM, permitió verificar que:
Los valores obtenidos en la simulación realizada mostraban que los niveles de oxígeno disuelto no generaban una mejora muy apreciable con la incorporación del nuevo volumen de regulación. Esto era debido a que el río ya viene condicionado por los vertido existentes aguas arriba desde otros depósitos y a que el valor de concentración de OD asignado al agua de rebose había sido de 4 mg/L, por falta de datos. En consecuencia en una situación en la que el río estuviese en una situación de caudales bajos y la lluvia fuese intensa, y se produjesen caudales importantes por los aliviaderos, el río quedaría condicionado por dichos vertidos en cuanto a oxígeno disuelto; de lo cual se desprende que es fundamental analizar las concentraciones de oxígeno disuelto con la que entran las aguas de los vertidos desde los depósitos-aliviaderos al medio receptor
Valores límite para el oxígeno según la metodología UPM e incumplimientos para algunos de estos umbrales en las series analizadas.
Respecto a la simulación realizada de los valores de nitrógeno amoniacal se puede decir que el nuevo depósito-aliviadero de Louzaneta, con un volumen específico de 43 m3/Haneta, permitiría mantener la calidad del agua del medio receptor en estándares aptos para vida de salmónidos, situación que no se mantendría en el caso en que el aliviadero no dispusiese de capacidad de almacenamiento, de forma que en este caso sólo cumpliría estándares de aguas aptas para vida de ciprínidos.
SALMÓNIDOS CIPRÍNIDOS MARGINALES
1H 6H 24H 1H 6H 24H 1H 6H 24H
1 MES 1.6 0.2 0.1 8.3 2.0 0.3 11.2 3.7 0.9
3 MESES 3.3 0.5 0.2 18.5 5.8 0.9 22.8 8.3 2.3
1 AÑO 4.0 0.6 0.3 23.0 8.3 1.6 33.0 14.6 7.1
Valores límite para el amonio según la metodología UPM e incumplimientos para algunos de estos umbrales en las series analizadas
En definitiva, este análisis ambiental integrado ha permitido cuantificar en qué medida la construcción del nuevo depósito-aliviadero para la cuenca de la Louzaneta, supone una clara disminución de las presiones del sistema de saneamiento y drenaje de Lugo sobre el rio Miño; algo que a priori era esperable, pero estaba cuantificado.
No obstante, ha de tenerse en cuenta que el estudio realizado en este caso concreto, es un primer intento de implantar este tipo de metodologías en el diseño de sistemas de saneamiento en medio fluvial, y por tanto más allá de los resultados, lo más importante son los nuevos conocimientos obtenidos de cara a futuras aplicaciones.
Referencias Anta J., Beneyto M., Cagiao J., Temprano J., Piñeiro J., González J., Suárez J. y Puertas J. (2007) Analysis of combined sewer overflow spill frecuency / volumen in north of Spain. 32nd Congress of IAHR, the International Association of Hydraulic Engineering &Research, Venice (Italy)
Anta J., Suárez J., Puertas J., Piñeiro J., González J., Maestro J. y Aguirre F. (2008) “Influencia del volumen y configuración de las cámaras de los depósitos del sistema unitario de los colectores generales del Miño en Lugo” I Jornada de Ingeniería del Agua, Madrid
Piñeiro, J., Aguirre, F., Ures, P., Torres, D., Anta, J, Puertas, J. y Suárez, J. (2011) Análisis de las DSU en un depósito de tormentas en el sistema de saneamiento integral de Lugo. XXI Jornadas Técnicas AEAS- Cartagena 2011.
