Grupo de Investigación FLUMEN, Universitat Politècnica de Catalunya 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

Elementos de drenaje superficial Imbornales, rejillas en serie, rejillas continuas, macro-rejas, 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%)

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

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.)

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) Ecuación para media calzada de menos de 3 de ancho (ejemplo: barrio de Gràcia de Barcelona

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

Hidráulica del flujo en cuneta Fórmula de Izzard para relacionar el caudal Q y el calado y Cf: 0.376 n: rugosidad de Manning Ix: pendiente transversal Iy: pendiente longitudinal

Criterios de riesgo asociados a flujo en calle Calado máximo ymax Velocidad máxima vmax Estabilidad al vuelco v·y < 0.45 m2/s Estabilidad al deslizamiento v2·y < 1 m3/s2

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: 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 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.