Captación de la escorrentía superficial.
Modelación mediante SWMM 5.0
y ejemplo de cálculo
Rodrigo Concha Jopia
Grupo de Investigación FLUMEN, Universitat Politècnica de Catalunya
Inundaciones en zonas urbanas
¿Por qué una calle se inunda?




Sistema de drenaje superficial insuficiente
Obstrucción de los elementos de captación y
de la red de drenaje
Caudales procedentes de ríos o arroyos
desbordan en las llanuras de inundación
El agua sobresale de los pozos de
alcantarillado debido a la entrada en presión
de la red
Problemas asociados a un deficitario
sistema de captación

Alteración de los límites hidrológicos de las
subcuencas urbanas
C
A
SISTEMA DE CAPTACION
INSUFICIENTE
DIRECCION DEL FLUJO
B
14
D
12
10
LIMITES HIDROLOGICOS DE LAS
SUBCUENCAS
Elementos de drenaje superficial
Imbornales, rejillas en serie, rejillas continuas, macrorejas, elementos de captación compuestos, etc.
¿Cómo podemos obtener informaciones sobre la
eficiencia hidráulica de los elementos de captación?


Normativa: EN124
Ensayos
UPC campaña experimental
(desde 1997)
• Escala 1:1
• Dimensiones de la plataforma:
5.5 m x 3 m
• Rango caudales: hasta 200 l/s
• Pendientes transversales: (0%-4%)
• Pendientes longitudinales: (0%-10%)
E 
Q int
Q
Eficiencia hidráulica

Rendimientos bajos para altas pendientes longitudinales y
altos caudales de paso

Ecuación potencial
• E : eficiencia
• Q: caudal de paso (l/s)
• y: calado (mm)
• A , B: coeficientes
característicos de la reja
Q
E  A  
 y



B
Generalización de la ecuación potencial para
otras rejas no ensayadas previamente
Los parámetros característicos (A, B) pueden
obtenerse a partir de la geometría de las rejillas
(numero de barras longitudinales, transversales,
diagonales, área de huecos, longitud, ancho, etc.)
A 
0 . 39
 0 . 35
Ag
B  0 . 36 
p
L
W
 0 . 13
 n t  1
0 . 01
 n l  1
0 . 11
 n d  1
0 . 03
p 
Ag
Atotal
%
Generalización de la ecuación potencial
para distintas geometrías de calle
Generalización de la ecuación potencial a través de la hipótesis
de velocidad uniforme en la sección transversal del flujo

Ecuación para media calzada de más de 3 de ancho (ejemplo:
barrio del Eixample de Barcelona)
3Ix 2

1  (1 
)
Q
y
calle
E '  A ·

x Ix 2
y

1  (1 
)

y








B
Ecuación para media calzada de menos de 3 de ancho (ejemplo:
barrio de Gràcia de Barcelona

Q
1
calle
E '  A ·

x Ix 2
y

1  (1 
)

y







B
Fenómeno de colmatación de rejas y rejillas
Factor de seguridad para el cálculo
de la eficiencia

Para considerar posibles fenómenos de colmatación que
limitan la eficiencia, se considera un coeficiente de seguridad
igual a 2
1.0
Gráfica E-Q/y
0.9
0.8
0.7
0.6
E 0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.00
0.13
0.39
0.75
1.19
Q/y
1.74
2.49
3.20
3.88
4.52
Hidráulica del flujo en cuneta

Fórmula de Izzard para relacionar el caudal Q y el calado y
Q 
C
8
f
nIx
1
 y 3 I y2
• Cf: 0.376
• n: rugosidad de
Manning
• Ix: pendiente
transversal
• Iy: pendiente
longitudinal


Z ona
Zona
de de
inundación
inundación
peligrosa
peligrosa
v·y = 0.45 m ² /s
C riterio de D enver

Calado máximo
ymax
Velocidad
máxima vmax
Estabilidad al
vuelco
v·y < 0.45 m2/s
Estabilidad al
deslizamiento
v2·y < 1 m3/s2
V elocidad (m /s)

C riterio de M endoza
Criterios de riesgo asociados a flujo en calle
v²·y = 1 m ³/s
ZZona
ona dede
inundació
no
inundación
peligrosa
no peligrosa
C alado (m )
Caudal de estabilización

Para una geometría de calle determinada, establecido un
espaciamiento, después de un cierto tramo de calle se
alcanza una longitud de estabilización del caudal...
...o sea el caudal por la calle no aumenta de manera indefinida.
Fases de diseño de un sistema de
drenaje superficial





Estudio de la eficiencia de los elementos de captación
Análisis de la cuenca para lluvias con periodos de retorno
(T) de 10 y 100 años (por ejemplo)
Elección de los criterios de riesgo asociados al flujo en
calles
Diseño del sistema de captación según criterios de riesgo
elegidos para una lluvia con T = 10 años
Comprobación del comportamiento hidráulico de las
calles para una lluvia con T = 100 años
Escala de estudio

Escala con alto nivel de detalle para discretizar la
cuenca en planos
Representación de un sistema de
captación mediante SWMM 5.0
Flujo en calle se puede aproximar con:

Onda cinemática (“Kinematic Wave”, KW): Simulación
escorrentía en calles con pendientes > 1%, ó

Onda dinámica (“Dynamic Wave”, DW): Simulación
escorrentía en calles con diferentes tipos de pendientes
Elementos de un sistema de drenaje
superficial en SWMM 5.0



Tejados, terrazas, aceras, calles, plazas, etc.:
Subcuencas hidrológicas (“Subcatchments”)
Cunetas / Calles: Conductos (“Conduits”)
Elementos de captación (imbornales,rejas):
- Nodos (“Dividers”)
- Reguladores de caudal (“Outlet”)
Parámetros para definir los elementos de
captación mediante SWMM 5.0
Utilizando la aproximación de la onda cinemática:
 Nodos “dividers” caracterizados a través de una relación
caudal de paso / caudal captado (inflow / outflow en m3/s)
Parámetros para definir los elementos
de captación mediante SWMM 5.0
Utilizando la aproximación de la onda dinámica:

Reguladores de caudal entre dos nodos (“outlets”) caracterizados
a través de tablas carga hidráulica / flujo captado
Ejemplo de cálculo
mediante la aproximación
de la onda cinemática
Situación a analizar


Calle que sufre con una cierta frecuencia inundaciones y que
presenta unos parámetros hidráulicos (velocidad y/o calado) no
aceptables
Características geométricas de la calle:
Ancho Aceras
Carriles de circulación
Ancho Calzada
4
10 m
Bombeo transversal
2%
Pendiente longitudinal
2%
Longitud calle
Cuneta
Caudales de cabecera (z = 100 m)

3m
800 m
Uniforme triangular
ausentes
Sistema de drenaje: Rejilla E413 con espaciamiento L = 200 m
Situación de diagnosis


Representación de mitad de la calle en SWMM 5.0
Sección irregular no-predefinida. Para introducirla:
“categories” →“hydraulics” → “links” → ”transect”
Situación de diagnosis

Caracterización hidráulica de las rejillas de captación E413
para la geometría de calle propuesta en SWMM 5.0
Nodo “divider”
definido según la
eficiencia de la reja
Situación de diagnosis

Representación de la calle y del sistema de drenaje superficial
(Rejilla E413, L=200 m) en SWMM 5.0 con imagen de fondo
(“backdrop”)
Criterios de riesgo
Para una lluvia con periodo de retorno de 10 años, la
Administración, requiere los siguientes estándares
para la calle objeto de estudio:

Vmax < 1.4 m/s

ymax: 0.1 m
Simulación de la situación de diagnosis


Resultados (“Report” → “Status”)
Consideraciones: El criterio de riesgo de velocidad
máxima no se cumple en ningún tramo
Evolución de los calados en la última rejilla
A través de la herramienta “time series plot” :
Fase de prognosis
Dos posibles actuaciones
1.
2.
Colocar, en lugar de la reja existente, otra
estructura de captación
Disminuir el espaciamiento entre las rejillas
Fase de prognosis
Actuación 1
Nueva reja E1021
Espaciamiento L=200 m
Parámetro a cambiar: definición de la nueva curva “divider”
Simulación de la situación de prognosis
según la actuación 1


Resultados (“Report” → “Status”)
Consideraciones: Los valores de los parámetros
hidráulicos están más cerca a los límites pero seguimos
teniendo una velocidad demasiado alta en la primera
subcuenca que necesitaría una ulterior actuación
Fase de prognosis
Actuación 2
Nuevo espaciamiento L = 50 m
Reja a colocar: E413
Parámetros a cambiar:




Área de las subcuencas
Longitud características de las subcuencas
Longitud de los “links T” (tramos de calles)
Cota de los pozos
Simulación de la situación de prognosis
según la actuación 2

Resultados (“Report” → “Status”)

Consideraciones: Se cumplen los criterios de riesgo
pero los parámetros hidráulicos están alejados de los
límites máximos admitidos por los criterios de riesgo
(L=50 m no es el espaciamiento óptimo)
Conclusiones




Se ha presentado el código SWMM 5.0 como herramienta
para estudiar el comportamiento hidráulico de una calle.
El software puede ser utilizado para el diseño de un
sistema de captación en relación a unos criterios de riesgo
asociados al flujo en calles.
SWMM 5.0 permite el análisis conjunto del flujo en calles y
en la red de alcantarillado, considerando las interacciones
entre ambas partes.
El uso de nodos “dividers” o bien de “link” adimensionales
tipo “outlets”, son los medios, juntos a una detallada
discretización de la cuenca, para alcanzar estos objetivos.
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Elementos de un sistema de drenaje superficial en SWMM 5.0