APROXIMACIÓN AL DRENAJE DUAL
URBANO MEDIANTE EPA SWMM 5.0
Rodrigo Concha Jopia
Barcelona, 5 diciembre 2007
Presentación
* Problemática del Drenaje Dual Urbano
* Aspectos de modelación del Drenaje Dual
* Herramienta de cálculo: EPA SWMM 5.0
* Consideraciones y Simulación del Drenaje Dual
con EPA SWMM 5.0
* Conclusiones
Problemática del
Drenaje Dual Urbano
El viejo y recurrente problema de las
inundaciones en medios urbanos…
Flujo en calles
Salida de pluviales
hacia la superficie
Problemática del
Drenaje Dual Urbano
¿Qué es el
Drenaje Dual
Urbano?
Inundación vía pozos
Drenaje urbano
considerando los flujos
simultáneos que se
producen en la superficie
del medio urbano y en la
red de drenaje subsuperficial, además de la
“interacción” entre estos
flujos
Problemática del
Drenaje Dual Urbano
Puntos de intercambio de flujo (interacción)
entre los flujos de aguas pluviales:
sumideros, imbornales o rejas de captación
pozos de la red de alcantarillado
Rejas de captación
Problemática del
Drenaje Dual Urbano
Mejor aproximación al fenómeno de las
inundaciones en medios urbanos…
01/01/2007 09:01:00
SC6
SC16
SC7
J7
SC1
J1
C7
J6
J16
SC9
SC3
J18
C16
C6
C1
C18
SC8
J17
SC2
J2
J19
C4
SC15
J14 C22
C9
J3
C3
SC5
J4
J15
J9
C8
C2
Out1
C21
SC14
C19
C5 J5
C15
SC4
J8
SC11
J100
SC10
C17
C10
C20
J20
SC12
J10
SC13
J11
C11
J12
C12
J13
C13
C14
C23
Out2
¡Metodologías convencionales entregan escasa información sobre este fenómeno!
Modelación del Drenaje Dual
Flujo simultáneo en
dos “capas”:
superficial y
subterránea
Interacción entre el
flujo superficial y el
flujo en la red de
alcantarillado
Modelación del Drenaje Dual
Flujo simultáneo
en dos “capas”:
superficial y subterránea
* Aproximaciones tipo
1D/1D ó 2D/1D ( flujo
superficial/flujo en
alcantarillado
* Resolución de las
ecuaciones de Saint Venat
en 1D y 2D para
caracterizar los flujos
Modelación del Drenaje Dual
Interacción bi-direccional entre el flujo superficial
y el flujo en la red de alcantarillado
Fase1
Fase 2
Fase 3
Flujo libre hacia la red de
alcantarillado
Flujo “sumergido” hacia la
red de alcantarillado
Flujo hacia la superficie ( por
ejemplo, hacia una calle)
Modelación del Drenaje Dual
Flujo desde la superficie hacia la red de alcantarillado: VERTEDERO
Q vertedero  C d  L  h
Sin embargo,…
n
Modelación del Drenaje Dual
Experiencias realizadas en la UPC para caracterizar la captación de flujo
mediante rejas…
E 
Q int
Q
Captación de la reja en función
de su EFICIENCIA HIDRÁULICA
Modelación del Drenaje Dual
Eficiencia hidráulica
Q
E  A  
 y



B
• E : eficiencia
• Q: caudal de paso (l/s)
• y: calado (mm)
• A , B: coeficientes
característicos de la reja
Modelación del Drenaje Dual
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
%
Modelación del Drenaje Dual
Generalización de la ecuación potencial a través de la hipótesis de
velocidad uniforme en la sección transversal del flujo

Ecuación para una típica calle del barrio del Eixample de Barcelona
3Ix 2 

1

(
1

) 
Q
y
E '  A · calle 

x

I
y
2
x

1  (1 
) 


y

B
Ecuación para una típica calle del barrio de Gràcia de Barcelona


Q

1
calle
E '  A ·


x

I
2
x
 y
1  (1 
) 


y
B
Modelación del Drenaje Dual
Flujo desde la red de alcantarillado hacia la superficie: ORIFICIO
Q orificio  Cd  A  2  g  h
Herramienta de cálculo:
EPA SWMM 5.0
SWMM 5.0 es un modelo numérico que permite simular el comportamiento hidrológico,
hidráulico y de calidad de un sistema de drenaje urbano
Herramienta de cálculo:
EPA SWMM 5.0
Cronología de EPA SWMM…






1971 - SWMM I (M&E, UF, WRE)
1975 - SWMM II (UF)
1981 - SWMM 3 (UF & CDM)
1983 - SWMM 3.3 (PC Version)
1988 - SWMM 4 (UF & CDM & OSU)
2004 – SWMM 5 (EPA & CDM)
Herramienta de cálculo:
EPA SWMM 5.0
Nueva versión es
más “amigable”
Herramienta de cálculo:
EPA SWMM 5.0
Escorrentía superficial: depósito no lineal
I (t )  O (t ) 
dS
dt
Q  A R
2
3

S0
n
Herramienta de cálculo:
EPA SWMM 5.0
Propagación del flujo: tres opciones pero la mejor es…
Dynamic Wave
resolución de las ecuaciones completas de Saint Venant del flujo
no permanente UNIDIMENSIONAL (1D)
A
t
Q 2
 
A
Q


t
x



 g A

Q
x
H
x
0
 g  A  S f  g  A  hL  0
Ecu. de
Continuidad
Ecu. de
Momentum
Herramienta de cálculo:
EPA SWMM 5.0
Reguladores del flujo: vertederos, orificios,…
Ecuaciones para cálculo del
caudal por vertederos
Orificio
Parcialmente
sumergido
OrificioTotalmente
sumergido
Q  Cd  A 
2 g h
Q  Cd  A 
2g D  f
1 .5
Herramienta de cálculo:
EPA SWMM 5.0
Nuevo elemento regulador incorporado: OUTLET
Tabla h v/s Q
ó
Q (h)  A  h
B
Permite aplicar la función
potencial obtenida (UPC) para la
caracterización de las rejas
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Opción de EPA SWMM 5.0
para considerar la inundación superficial
No realista!!!
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Zp(NN,1)
Zp(NN,2)
JN
JN+1
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Consideraciones
•Esquema NO DEBE PERDER
flujo (salida del flujo de la red
de alcantarillado representado
en el esquema)
•Utilización de las propuestas
de captación de flujo obtenidas
en laboratorio (UPC)
•Distinción entre una reja de
captación y un pozo
(hidráulicamente)
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Ejemplo de simulación: tramo de calle
Colector de 0.5 (m)
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
•Pendiente transversal acera: 1%
•Pendiente transversal media calzada: 2%
•Nacera: 0.020; Ncalzada: 0.016
•Lluvia de proyecto de Barcelona (Tr=10)
180
Intensity (mm/h)
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00
Time (h:m)
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Características de la reja de captación
Dirección del flujo
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Representación de la captación: rejas mediante Vertederos
Q verted ero  C d  L  h
Determinación de L
SLOPE %
CW
5
2.72
1
2.10
0.1
1.35
5/3
 Q ca p ta d o
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Representación de la captación: rejas mediante Outlets
Q
E  A  
 y



B
Rating Curve CInlets01
0.14
Q captado  E  Q
Outflow (CMS)
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
Tabla h v/s Qcapt
0.2
Head (m)
0.4
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Representación de la transferencia de flujo desde la red
hacia la superficie: rejas y pozos mediante Orificios
Q  CA 2 gh
Q  CA
2 gh f
Coeficiente de
descarga C ????
1 .5
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Discretización de las áreas aportantes: acera y media calzada
Variabilidad espacial
de la transformación
lluvia-escorrentía
Cada rejilla capta el
flujo proveniente
desde aguas arriba
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Esquema en SWMM 5.0 de una red de drenaje dual
01/01/2006 00:01:00
Pozos
Calle
ST Up end
SideWalk
ST Down end
Street
Half Street lane
Inlet1
Inlet2
Mh1
SEW Up end
Colector
Inlet3
Inlet4
Inlet5
Mh3
Mh2
Inlet6
Inlet7
Mh4
Sewer
Rejillas
(Q+)
Inlet8
SEW Down end
Rejillas
(Q-)
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Datos usados en las simulaciones
•Cada tramo de
conducto/calle tiene 25 m
•t = 10 s
•Tiempo simulado: 3 hr
•Resolución de las
ecuaciones de Saint
Venant completas
•Hidrogramas de entrada
en la cabecera del
esquema (tanto en la calle
como en el colector)
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Resultados: Hidrogramas
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Resultados: Hidrogramas
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
Resultados: Niveles en la calle
Node Depth
Node Mh1ST
Node Inlet1ST
Node Inlet2ST
Node Mh2ST
0.1
0.08
Calados en
puntos de
intercambio
de flujo para
So=5%
0.06
0.04
0.02
0.0
0
0.5
1
1.5
Elapsed Time (hours)
2
2.5
3
Conclusiones y futuros estudios







Se ha desarrollado una nueva metodología para el estudio del
flujo dual en redes de drenaje urbano
Esta metodología de representar la entrada y salida mediante
elementos distintos asegura patrones de flujo estables
Representación de rejillas mediante Outlets entrega mayor
estabilidad numérica en los resultados
Flujo en calle puede ser mejor representado utilizando un
modelo 2D
Futuro estudio experimental de la transferencia de flujos entre
la superficie y la red de drenaje
Determinar coeficientes de descarga de Vertederos y Orificios
en base a experimentación ¡NO VALORES TABULADOS!
Posible acople a modelo CARPA..????
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EPA SWMM 5.0 - HydroLatinAmerica