aproximaciÓn al drenaje dual urbano mediante epa swmm 5.0 rodrigo concha jopia barcelona, 5...

APROXIMACIÓN AL DRENAJE DUAL URBANO MEDIANTE EPA SWMM

5.0

Rodrigo Concha JopiaRodrigo Concha JopiaBarcelona, 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


¿Qué es el Drenaje Dual

Urbano?

Drenaje urbano considerando los flujos

simultáneos que se producen en la

superficie del medio urbano y en la red de

drenaje sub-superficial, además de la

“interacción” entre estos flujos

Inundación vía pozos


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


Mejor aproximación al fenómeno de las inundaciones en medios urbanos…

SC1

SC2

SC3

SC4

SC5

SC6 SC7

SC8

SC9

SC10

SC11

SC12

SC13

SC14

SC15

SC16

C1

C2

C3

C4 C5

C6

C7

C8

C9

C10

C11C12

C13C14

C15

C16

C17

C18

C19

C20

C21

C22

C23

J1

J2J3

J4 J5

J6

J7

J8

J9

J10

J11J12

J13

J14

J15

J16

J17

J18

J19

J20

J100

Out1

Out2

01/01/2007 09:01:00

¡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


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


Interacción bi-direccional entre el flujo superficial

y el flujo en la red de alcantarillado

Fase1

Flujo libre hacia la red de alcantarillado

Fase 2

Flujo “sumergido” hacia la red de alcantarillado

Fase 3

Flujo hacia la superficie ( por ejemplo, hacia una

calle)


Flujo desde la superficie hacia la red de alcantarillado: VERTEDERO

nvertederoQ Cd L h

Sin embargo,…


Experiencias realizadas en la UPC para caracterizar la captación de flujo mediante rejas…

Q

QE int

Captación de la reja en función de su EFICIENCIA HIDRÁULICA

Eficiencia hidráulica

• E : eficiencia

• Q: caudal de paso (l/s)

• y: calado (mm)

• A , B: coeficientes característicos de la reja


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.)

W

LB

nnnpA

A dltg

36.0

11139.0 03.011.001.0

13.035.0

W

LB

nnnpA

A dltg

36.0

11139.0 03.011.001.0

13.035.0

%total

g

A

Ap

Generalización de la ecuación potencial para otras rejas no ensayadas previamente


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

Ecuación para una típica calle del barrio de Gràcia de Barcelona

B

x

x

calle

yIxyI

yQ

AE

2

2

)1(1

)3

1(1·'

B

x

calle

y

Ixy

QAE

2)1(1

1·'



2orificioQ Cd A g h

Flujo desde la red de alcantarillado hacia la superficie: ORIFICIO

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


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)

Cronología de EPA SWMM…


Nueva versión es más “amigable”

Escorrentía superficial: depósito no lineal

n

SRAQ

dtdS

tOtI

032

)()(


Dynamic Waveresolución de las ecuaciones completas de Saint Venant del flujo no permanente UNIDIMENSIONAL (1D)

0

0

2

Lf hAgSAgx

HAg

x

AQ

t

Q

x

Q

t

A


Propagación del flujo: tres opciones pero la mejor es…

Ecu. deContinuidad

Ecu. deMomentum


Reguladores del flujo: vertederos, orificios,…

hgACQ d 25.12 fDgACQ d

OrificioTotalmente sumergido

Orificio Parcialmente sumergido

Ecuaciones para cálculo del caudal por vertederos


Nuevo elemento regulador incorporado: OUTLET

BhAhQ )(

Tabla h v/s Q

ó

Permite aplicar la función potencial obtenida (UPC) para la caracterización de las rejas

Consideraciones y simulación con

EPA SWMM 5.0Opción de EPA SWMM 5.0

para considerar la inundación superficial

No realista!!!

JN

JN+1

Conduit (N)

Surface Gutter (NN)

Zp(NN,1)

Zp(NN,2)


EPA SWMM 5.0


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)


EPA SWMM 5.0Ejemplo de simulación: tramo de calle

Colector de 0.5

(m)


EPA SWMM 5.0

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

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)

Inte

nsit

y (

mm

/h)

•Pendiente transversal acera: 1%

•Pendiente transversal media calzada: 2%

•Nacera: 0.020; Ncalzada: 0.016

•Lluvia de proyecto de Barcelona (Tr=10)


EPA SWMM 5.0Características de la reja de captación

Dirección del flujo


EPA SWMM 5.0Representación de la captación: rejas mediante Vertederos

SLOPE % CW

5 2.72

1 2.10

0.1 1.35

5/3vertedero captadoQ Cd L h Q

Determinación de L


EPA SWMM 5.0Representación de la captación: rejas mediante Outlets

Rating Curve CInlets01

Head (m)0.40.20

Outfl

ow (

CM

S)

0.14

0.12

0.1

0.08

0.06

0.04

0.02

0

captadoQ E Q

Tabla h v/s Qcapt


EPA SWMM 5.0

ghCAQ 25.12 fghCAQ

Representación de la transferencia de flujo desde la red hacia la superficie: rejas y pozos mediante Orificios

Coeficiente de descarga C ????


EPA SWMM 5.0Discretización de las áreas aportantes: acera y media calzada

Variabilidad espacial de la transformación lluvia-escorrentíaCada rejilla capta el flujo proveniente desde aguas arriba


EPA SWMM 5.0Esquema en SWMM 5.0 de una red de drenaje dual

SideWalk

Half Street lane

Street

Sewer

ST Up end

ST Down end

SEW Up end SEW Down end

Inlet1 Inlet2 Inlet3 Inlet4 Inlet6Inlet5 Inlet7 Inlet8

Mh1 Mh2 Mh3 Mh4

01/01/2006 00:01:00

Colector

CallePozos

Rejillas (Q+)

Rejillas (Q-)


EPA SWMM 5.0Datos 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)


EPA SWMM 5.0Resultados: Hidrogramas


EPA SWMM 5.0Resultados: Niveles en la calle

Node Depth

Node Mh1ST Node Inlet1ST Node Inlet2ST Node Mh2ST

Elapsed Time (hours)32.521.510.50

Dep

th (

m)

0.1

0.08

0.06

0.04

0.02

0.0

Calados en puntos de intercambio de flujo para So=5%

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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