ANÁLISIS DE CUENCAS URBANAS
USANDO EPA SWMM 5.0
Rodrigo Concha Jopia
Grupo de Investigación
FLUMEN UPC
Email:
[email protected]
1
ASPECTOS A TRATAR









Introducción
Capacidades y limitaciones de EPA SWMM 5.0
Estructura de EPA SWMM 5.0
Pasos en el desarrollo de un proyecto con EPA SWMM
5.0
Entorno gráfico de EPA SWMM 5.0: Objetos visuales y
no visuales
Algunos modelos utilizados por EPA SWMM 5.0
Ejemplo: Cuenca en Sant Boi de Llobregat, Barcelona
Recursos e información adicionales para los usuarios
de EPA SWMM 5.0
Resumen y conclusiones
2
INTRODUCCIÓN
¿Qué es EPA SWMM 5.0?
SWMM
Storm
Water
Management
Model

Desarrollado por la Environmental Protection Agency
(EPA) de los Estados Unidos (US)
3
INTRODUCCIÓN
Uno de los primeros
modelos numéricos de
simulación hidrológico
– hidráulico especial
para drenaje urbano
 Diferentes grupos de
desarrollo (Gobierno,
Universidades,
Empresas) a lo largo
de su historia
 Continuo desarrollo
desde 1969
 Código de referencia
en USA
 Miles de usuarios a
nivel mundial

4
SWMM a través del tiempo…






1971
1975
1981
1983
1988
2004
- SWMM 1 (M&E, UF, WRE)
- SWMM 2 (UF)
- SWMM 3 (UF & CDM)
- SWMM 3.3 (PC Version)
- SWMM 4 (UF & CDM & OSU)
– SWMM 5 (EPA & CDM)
5
Capacidades Hidrológicas de
SWMM 5.0





Precipitación variable en
tiempo y espacio
Simulación de procesos de
evaporación, acumulación y
derretimiento de nieve, e
interceptación por
encharcamiento
Simulación de la infiltración
Simulación de la escorrentía
superficial mediante modelo
de depósito no lineal
Aporte de escorrentía
superficial entre subcuencas
6
Capacidades Hidráulicas de
SWMM 5.0







Manejo de redes de drenaje, sin
limitación de tamaño y/o forma
Diversas secciones transversales para
los conductos
Modelación de bombeos, reguladores
de flujo, depósitos de retención
Uso de reglas de control para
controlar bombeos y reguladores
Incorporación de flujos externos a la
red definidos por el usuario
(escorrentía, flujos de aguas
residuales)
Modelación de diversos regímenes
hidráulicos tales como remansos,
entrada en carga e inversión del flujo
Modelación en régimen permanente y
no permanente
7
Capacidades de SWMM 5.0 en
modelación de la Calidad de las aguas






Acumulación de
contaminantes (Buildup)
sobre las subcuencas
Remoción de contaminantes
durante episodios de lluvia
(Washoff)
Reducción en la
acumulación de
contaminantes debido a
limpieza de calles
Reducción de
contaminantes en la
escorrentía debido a BMP’s
Propagación de los
contaminantes a través de
la red de drenaje
Funciones de tratamiento
definidas por el usuario
8
Algunas aplicaciones de SWMM 5.0




Diseño de diversos elementos de una red de
drenaje urbano
Estudio y creación de modelos de cuenca
urbana
Control de vertidos en tiempo de lluvia desde
redes unitarias, y de redes separativas
Evaluación de BMPs y LIDs (Low Impact
Developments) para cumplir con objetivos de
sostenibilidad
9
Limitaciones de EPA SWMM 5.0






No aplicable a nivel de grandes cuencas no
urbanas
Sin rutinas de modelación de transporte de
sedimentos y erosión
No simula la propagación de contaminantes
en el medio receptor ni en el flujo
subsuperficial
No es una herramienta totalmente integrada
respecto a las aguas urbanas
Es una herramienta de análisis, no una
herramienta automática de diseño
Sin conexión integrada con Sistemas de
Información Geográfica (GIS)
10
Estructura del programa:
versiones anteriores
11
Estructura del programa:
SWMM 5.0
Novedad
de la
versión
5.0!!
12
Pasos básicos en el desarrollo de un
proyecto con SWMM 5.0
Dibujar los “objetos”
del sistema de drenaje
13
Pasos básicos en el desarrollo de un
proyecto con SWMM 5.0
Dibujar los “objetos”
del sistema de drenaje
Editar sus
“propiedades”
14
Pasos básicos en el desarrollo de un
proyecto con SWMM 5.0
Dibujar los “objetos”
del sistema de drenaje
Editar sus
“propiedades”
Alternativamente,
crear y editar el
archivo de entrada de
SWMM 5.0 usando el
formato descrito en
anexos del manual de
usuario
15
Pasos básicos en el desarrollo de un
proyecto con SWMM 5.0
Dibujar los “objetos”
del sistema de drenaje
Editar sus
“propiedades”
Ajustar las opciones de
análisis de la
simulación
16
Pasos básicos en el desarrollo de un
proyecto con SWMM 5.0
Dibujar los “objetos”
del sistema de drenaje
Editar sus
“propiedades”
Ajustar las opciones de
análisis de la
simulación
Realizar la simulación
17
Pasos básicos en el desarrollo de un
proyecto con SWMM 5.0
Dibujar los “objetos”
del sistema de drenaje
Editar sus
“propiedades”
Ajustar las opciones de
análisis de la
simulación
Realizar la simulación
Visualizar los
resultados de la
simulación: reporte,
tablas ,gráficos,
perfiles longitudianles
de la lámina de agua,
análisis estadístico
18
Objetos Visuales de SWMM 5.0
19
Propiedades claves de los objetos
“Subcatchment”
20
Representación Node-Link (Nodo-Conector)
de una red de drenaje en SWMM
(Roesner et al., 1992)
Nodos
Conectores
21
Propiedades claves de los objetos
tipo “Node”
22
Propiedades claves de los objetos
“Conduit”
23
Elementos hidráulicos singulares:
Flow Regulators (Links)
Pumps (bombas)
Outlets
Weirs (vertederos)
Orifices (orificios)
24
Objetos NO Visuales de SWMM 5.0
Time series
“Time series” son usados para describir:
- Precipitación
- Evaporación
- Flujos externos
- Niveles de la lámina de agua en nodos “Outfall”
Time Series TS1
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Elapsed Time (hours)
20
22
24
26
28
30
25
Objetos NO Visuales de SWMM 5.0
Curves
“Curves” son usados para describir:
- la variación del área superficial de un nodo “Storage unit” respecto
al calado en su interior (Storage curve)
- la derivación de flujo en un nodo “Tabular Flow divider” (Diversion
curve)
- la variación del caudal a través de un link “Pump” respecto al calado
o volumen del nodo aguas arriba, o la carga entregada por la bomba
(Pump curve)
Pump Curve bombeo3
50
48
Head (m)
46
44
42
40
38
36
0
0.2
0.4
Flow (CMS)
0.6
0.8
26
Objetos NO Visuales de SWMM 5.0
Transects
“Transects” son usados para describir la sección transversal de
canales de sección irregular (cauces naturales)
27
Objetos NO Visuales de SWMM 5.0
Control rules
“Control rules” son usados para definir reglas de operaciones, durante
la simulación, de bombeos, de orificios y de vertederos
28
Modelos utilizados por SWMM
5.0
29
Modelo de Escorrentía Superficial
Depósito no lineal: Continuidad + Manning
1) I (t )  O(t ) 
dS
dt
2) Q  W   d  d p 
5
3
S0

n
S: volumen
Q: escorrentía superficial
W: ancho de la subárea
dp: calado de almacenamiento
So: pendiente media de la subcuenca
N: coeficiente de
d: calado en el depósito
30
Modelos de Infiltración
31
Modelos de Propagación del flujo
en SWMM 5.0

Steady Flow



Regimen permanente uniforme
Simple traslación de los hidrogramas
Aplicable sólo en redes arborescentes
S
f
 S0
32
Modelos de Propagación del flujo
en SWMM 5.0

Kinematic Wave



Balance entre la fuerza de gravedad y la fuerza de fricción
Atenuación y retraso del hidrograma debido al
almacenamiento en el tramo
Aplicable sólo en redes arborescentes con pendientes
fuertes
1)
A
t

Q
x
0
2) S f  S 0
33
Modelos de Propagación del flujo
en SWMM 5.0

Dynamic Wave




Resuelve las ecuaciones completas de Saint Venant del flujo no
permanente unidimensional
Representación de efectos de remanso, flujo en carga,
almacenamiento en el tramo e inversión del flujo
Aplicable a cualquier tipo de red
Requiere intervalos de tiempo pequeños (entre 1 y 60 segundos)
1)
A
t

Q
x
0
Q2 


A
Q
H


2)

 g  A
 g  A  S f  g  A  hL  0
t
x
x
34
Modelos de Propagación del flujo
en SWMM 5.0: Dynamic Wave
SWMM 5.0 utiliza un esquema numérico de
diferencias finitas tipo explícito para resolver…
… las ecuaciones de Saint Venant en cada Conduit, y…
… una ecuación de continuidad en cada Node
35
Comparación de los modelos de
propagación del flujo
36
Opción de inundación nodal
(Nodal Flooding)
Todo el flujo de llegada al
nodo en exceso, es
perdido por el sistema
El flujo de llegada al nodo en
exceso es mantenido sobre el
nodo, y puede ser reintroducido
a la red cuando exista
capacidad disponible
37
Sitio web de EPA SWMM 5.0
http://www.epa.gov/ednnrmrl/models/swmm/
Código fuente del programa (C) y de la
interfaz gráfica (Delphi), disponibles para
descargar GRATIS!!!
38
Información y archivos “útiles”
para ser descargados…
Programa, manual de usuario, códigos
fuentes, convertidor de archivos…
39
Más información sobre SWMM…
SWMM-USERS List Server
-
Forum donde los usuarios de EPA SWMM pueden compartir
experiencias en el uso y aplicación de este código
Es gratis (por supuesto!!) y es operado por el Dr. Williams
James (Guelph, Ontario)
Trabaja mediante emails de consultas; desde una a varias
respuestas a tu correo…
Para suscribirse a la lista de usuarios de SWMM, enviar un
email a [email protected]
- Este email no debe llevar asunto (SIN ASUNTO), y sólo se debe
escribir lo siguiente en el cuerpo de él
SUBSCRIBE SWMM-USERS [Nombre] [Apellido]
Por ejemplo:
SUBSCRIBE SWMM-USERS Juan Ramos
40
Más información sobre SWMM…
SWMM EN CASTELLANO!!
-
Versión en castellano de EPA SWMM 5.0: SWMM v5.0E,
desarrollado por el GMMF de la UPV
Respectivo manual de usuario en castellano
Basada en una
ANTERIOR
actualización de la
versión original
- La más reciente
actualización de EPA
SWMM 5.0 es la
5.0.011…existen
nuevas
prestaciones!!
-
41
Más información sobre SWMM…
Grupo de usuarios en español de SWMM
http://groups.google.es/group/SWMM-Espanol?hl=es&lnk=srg
42
Softwares basados en SWMM
Con interfaces para trabajar con GIS…

XP SWMM – XP Software

Mike SWMM – DHI

InfoSWMM - MWH Soft

PC SWMM – CHI
(www.xpsoftware.com)
(www.dhisoftware.com)
(www.mwhsoft.com)
(www.computationalhydraulics.com)
…pero de pago
43
Resumen y conclusiones
-
-
EPA SWMM 5.0 es la nueva versión pública del
histórico código SWMM
Completamente re-escrita y de código abierto,
incluye diversas mejoras a los algoritmos de
cálculo
Nueva versión incluye la primera interfaz gráfica
de usuario (GUI) de EPA SWMM.
Posibilidad de crear “tu propia” GUI
Usuarios de SWMM podrían optar por otro
“código” que incorpore conexión con GIS
¡El precio es el correcto!
Técnicos y proyectistas DEBERÍAN USAR AL
MENOS una herramienta de este tipo en sus
proyectos urbanos
44
¡Gracias por vuestra atención!
45
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INTRODUCCION A EPA SWMM 5.0