modelos simulacion redes

7/23/2019 Modelos Simulacion Redes

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Postgrado en Drenaje Urbano 2013

Modelos de simulacin de redes dedrenaje. Modelo SWMM 5

Rodrigo Concha Jopia

Instituto de Investigacin FLUMEN

E.T.S. Ing. de Caminos, Canales y PuertosUniversitat Politcnica de Catalunya UPC

Modelos de simulacin: qu son?

Herramientas computacionales desimulacin de los procesoshidrolgicos, hidrulicos y decalidad de la escorrenta

Tambin se conocen comocdigos de clculo o herramientasde clculo

Uso necesario de un PC ( olaptop)

En estricto rigor no son modelos:estn basados en modeloshidrolgicos, hidrulicos y decalidad de la escorrenta


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Modelos de simulacin: para qu?

Conocer el comportamiento hidrulico de la red de drenaje bajo ciertascondiciones Qu sucede si cambia la pendiente de ciertos tramos?

Efectos de remanso?

Entrada en carga?

Se produce inundacin en la calle?

Redes de drenaje: caractersticas

Redes unitarias yseparativas


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Redes de drenaje: caractersticas Redes arborescentes y

malladas

Redes soterradas(alcantarillado) y superficiales


Elementos comunes en una red de alcantarillado: conductos y pozos

No olvidar:es una red!!!


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Elementos especiales enuna red de drenaje Aliviaderos

Depsitos deretencin/antiDSU

Bombeos

Compuertas


Sistema de captacin de laescorrenta superficialformado por imbornales osumideros

Elementos crticos quedeterminan el flujo queingresa a la red de

drenajeo que sale de ella!


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Hidrulica del flujo en las redes de drenaje

En general, en lmina libre

Algunas veces se tiene flujo en presin

Hidrulica del flujo en las redes de drenaje Variacin de las caractersticas del flujo (caudal, calado, velocidad, etc.)

respecto al tiempo: Flujo No Permanente

La lluvia: principal razn del Flujo No Permanente en las redes de drenaje

P(t)Q(t)


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Flujo No Permanente Qu implica el

considerar este tipo deflujo en un modelo dered? reflejo ms

aproximado de larealidad

mayor complejidad declculo

se requiere mayornivel de detalle en los

datos de la red uso necesario de una

herramienta de clculo

Flujo no permanente Consideraciones que

solo se pueden teneren cuenta en rgimende flujo no permanente Laminacin de

caudales

No unicidad entrecalado y caudal

Volumen delhidrograma

Aguasarriba

Aguasabajo

DisminucindelQp

RetrasodelQp


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Flujo no permanente

Consideraciones quesolo se pueden teneren cuenta en rgimende flujo no permanente Laminacin de

caudales



y

QQmx

ymx

Rgimenpermanente

yuniforme

Flujo no permanente

Consideraciones quesolo se pueden teneren cuenta en rgimende flujo no permanente Laminacin de

caudales



Q

t

t0 tf


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Flujo no permanente: ecuaciones Descrito mediante dos ecuaciones expresando los principios de:

Conservacin de la masa

Conservacin de la cantidad de movimiento (equilibrio de fuerzas)

Conservacindelamasa

Equilibriodefuerzas

Flujo no permanente: ecuaciones de Saint Venant

Propuestas por AJC Barr de Saint Venant en 1871

2 ecuaciones diferenciales no lineales, de tipo hiperblico

Describen el flujo unidimensional no permanente en lmina libre

Sin solucin analtica

donde:

B, ancho superficial del flujo; y, calado; Q, caudal; A, rea de la seccin transversal del flujo; g,aceleracin de gravedad; S0, pendiente de fondo; Sf, prdida unitaria de energa por friccin; t,tiempo; x, distancia


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Ecuaciones de Saint Venant: simplificaciones

Con todos los trminos: Onda Dinmica

Quitando los trminos inerciales: Onda Difusiva

Quitando los trminos inerciales y de presin: Onda Cinemtica

0

0

0

Analizar la importancia relativa de cada una de las fuerzas actuantes

Estudio de un caso particular. Canal lineal con dos pendientes: 0.005 y 0.0001

Dos hidrogramas de entrada aguas arriba (dos modelos) para cada pendiente

Ecuaciones de Saint Venant: equilibrio de fuerzas


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Resultados de la influencia de las fuerzas para los dos hidrogramas en elcaso de pendiente 0.005


Resultados de la influencia de las fuerzas para los dos hidrogramas en elcaso de pendiente 0.0001



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En aquellos casos con reducidas pendientes, o concambios de rgimen en donde aparecenvariaciones importantes de niveles de agua, debenusarse las ecuaciones completas (Onda Dinmica)

Slo en aquellos casos con pendientes fuertes ysin cambios de rgimen, puede aceptarse unasimplificacin (Onda Difusiva u Onda Cinemtica)

Cada vez menos usadas:

pues suponen un escaso ahorro de tiempo declculo

a priori es difcil conocer qu tipo de rgimenhidrulico ocurrir


Aproximaciones con flujo permanente

Se asume un flujo permanente particularizado para el caudal mximode paso M. permanente uniforme

M. permanente gradualmente variado


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M. Permanente uniforme

Relacin nica calado / caudal. Uso de bacos de dimensionamientoque consideran frmulas empricas (Manning, Chezy, etc.) No considera las influencias del resto de la red

No considera la longitud del colector

Tipo de flujo poco frecuente

Fcil de calcular

Diseos infradimensionados o sobredimensionados

M. Permanente gradualmente variado

Curva de remanso para el caudal mximo de circulacin Considera las influencias de otros colectores a travs de la condicin de

contorno de clculo Tiene en cuenta la longitud del colector Diseos ms ajustados y por tanto econmicos Suele estar algo del lado de la seguridad con respecto al clculo en

rgimen no permanente (10-15%)


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M. no permanente vs M. permanente

La formulacin de rgimen no permanente incluye el movimientopermanente como un caso particular

Ecuacin de la Curva de Remanso ms algo

Mayores diferencias cuando los hidrogramas de entrada presentancambio ms grandes de caudal/tiempo

M. Permanente vs M. no permanente:caso de una red de conductos

Diferencias de trabajar con hidrogramas o con la suma de loscaudales punta


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Resultados en caudal muy diferentes, segn se sumenhidrogramas o caudales mximos

M. Permanente vs M. no permanente:

caso de una red de conductos

Beneficios de usar Flujo no permanente

Podemos establecer una serie desituaciones hidrulicas donde eluso del flujo no permanente esbeneficioso: Laminacin de caudales en un

conducto largo Volumen asociado al hidrograma Red de alcantarillado, mallada o

arborescente, con variosconductos Diseo y operacin de depsitos

de retencin, bombeos, etc Fenmenos locales, curvas, etc.

con flujo 1D 2D


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Consideraciones finales sobre el uso delrgimen no permanente

Mejor aproximacin de la realidad

Diseos ms ajustados y econmicos

Datos de entrada: hidrogramas Q(t) ydatos fsico geomtricos de la red

Se requiere un buen nivel de calidaden los datos de entrada para obtener

buenos resultados

Condiciones a exigir a una herramienta desimulacin de redes en no permanente

Permitir el clculo de redes arborescentes y malladas;unitarias o separativas; soterradas o superficiales


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Inclusin de todo tipo de condiciones de contorno habituales: externas (entrada de caudal, salida a travs de pozos, niveles de

desage aguas abajo )

internas (nudos de unin de colectores, cambios de rgimen)

Condiciones a exigir a una herramienta de

simulacin de redes en no permanente

Admisin de todo tipo deflujos: rpidos y lentos

Representar la entrada encarga de la red mtodo de la ranura de

Preissmann (Preissmann slot)

ecuaciones de perturbacinnodal

Admisin de todo tipo degeometras de seccintransversal



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Existencia de mdulos grficos que permitan el anlisis de resultados

Condiciones a exigir a una herramienta de

simulacin de redes en no permanente

Incluir el clculo hidrolgico de la cuenca Lluvia

Prdidas de lluvia

Interaccin con niveles freticos

Se podran incluir modelos de calidad de la escorrenta (carga contaminante) Acumulacin

Lavado y arrastre

Transporte Tambin se podran considerar la modelacin de algunos Sistemas de DrenajeUrbano Sostenible (BMPs, LIDs, SUDS, TEDUS) Zanjas filtrantes, cunetas filtrantes, balsas de laminacin, pavimentos porosos, etc.



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Opciones de modelacin de las redes de

alcantarillado

1. Opcin habitual:escorrenta de calles ytejados conectada a unpozo (100% entra)

2. Opcin nueva: modelarsimultneamente las callesy la red de alcantarillado(modelo dual)

Opcin 1: toda la escorrenta entra en lared Aceptable en procesos de

calibracin / validacin (lluviasmoderadas), o en aquellaszonas donde hay suficientessumideros

Puede suponer un cierto erroren caso de zonas con falta desumideros y donde laescorrenta no entra en la red

Considerar siempre modelosque permitan cuantificar almenos el volumen de agua quesale de la red

Hidrulicamente se modelaslo la red de alcantarillado


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Opcin 2: modelo dual Considerar en el mismo modelo las calles, la red de alcantarillado y el

sistema de captacin (sumideros/imbornales) Diagnstico conjunto red de drenaje y sistema de captacin Mayor aproximacin a la realidad Anlisis adicional del estado de flujo en la calle (situaciones de riesgo

para el peatn)

Herramientas de clculo ms habituales

Mike Urban

InfoWorks

SOBEK

CANOE

SWMM 5

Herramientas que utilizan SWMM 5 para el clculo:

XPSWMM PCSWMM

H2OMAP SWMM/InfoSWMM/InfoSWMM 2D

Storm and SanitaryAnalysis

SewerGEMS/CivilStorm


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MIKE-URBAN

Desarrollo del Instituto Hidrulico de Dinamarca (DHI)

http://www.dhisoftware.com/

InfoWorks

Diversos paquetes: InfoWorks ICM e InfoWorks SD/2D

http://www.innovyze.com/


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SOBEK

Suite de diversos paquetes: 2D/ Calidad/ Control

http://www.deltaressystems.com/hydro/products

CANOE

Desarrollo francs (LGCIE- SOGREAH) Diferentes mdulos de clculo

http://www.alison-envir.com/v2/index.php


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SWMM 5.0

SWMMStormWaterManagementModel

Herramientadeclculoquepermitesimulareldrenajedelasaguas

pluvialesdeunncleourbano

Procesos modelizados por SWMM 5.0

Lluvia/Nieve

Acumlacin/

derretimiento

Volumen total

precipitado

Evaporacin/

Infiltracin

Aguas

subterrneas

Escorrenta

superficial

Propagacin enlaredde

drenaje

Arrastre decarga

contaminante

Flujos

residuales

RDII

Tratamiento/Salida del

sistema

Acumulacin de

carga

contaminante


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Precipitacin variable en tiempo yespacio

Simulacin de la evaporacin Acumulacin y derretimiento de nieve Encharcamiento en la superficie de la

cuenca Infiltracin hacia las capas sub-

superficiales Generacin de la escorrenta superficial

Capacidades hidrolgicas de SWMM 5.0

Manejo de redes de drenaje de tamaoilimitado

Diferentes secciones transversales para losconductos

Modelacin de bombeos, reguladores deflujo, depsitos de retencin

Permite la incorporacin de flujos externos

Modelacin de diferentes tipos de flujo:remansos, entrada en carga, inversin delflujo, entre otros

Modelacin en rgimen permanente y nopermanente

Capacidades hidrulicas de SWMM 5.0


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Acumulacin de contaminantes (Buildup)sobre la superficie de la cuenca

Lavado y arrastre de contaminantes(Washoff) de la cuenca

Propagacin de los contaminantes a travsde la red de drenaje

Aplicacin de funciones de tratamiento endiversos puntos de la red (ejemplo:depsitos antiDSU)

Capacidades en calidad de la escorrenta de

SWMM 5.0

Generalidades sobre SWMM

Uno de los primeros modelosnumricos de simulacin hidrolgico hidrulico desarrollado para drenajeurbano

Diferentes grupos de trabajo(Gobierno, Universidades, Empresas) alo largo de su historia

Continuo desarrollo desde 1969 Cdigo de referencia en USA/Canad Miles de usuarios a nivel mundial


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SWMM a travs del tiempo

1971SWMM1(M&E,UF,WRE)

1975SWMM2(UF)

1981SWMM3(UF&CDM)

1983SWMM3.3(PCVersion)

1988SWMM4(UF&CDM&OSU)

2004 SWMM5(EPA&CDM)

Objetos en SWMM 5.0

Objetos Visuales:representan diversoselementos que componen elsistema de drenaje, y puedenser visualizados en la interfazde usuario de SWMM 5.0

Objetos No Visuales :

diversas clases de datos novisuales en la interfaz deSWMM 5.0, los cualesdescriben procesosadicionales necesarios en lamodelizacin

ObjetosVisualesenSWMM5.0


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Esquema de modelacin conceptual

usado por SWMM 5.0 CAPA ATMOSFRICA

Generacin de laprecipitacin, representadapor objetos Rain Gages

CAPA DE TERRENO

Representada por objetosSubcatchments

Procesos hidrolgicos/calidad

Infiltracin Escorrenta superficial

Esquema de modelacin conceptualusado por SWMM 5.0

CAPA DE AGUASSUBTERRNEAS

Representada por objetosAquifers

CAPA DE TRANSPORTE

Contiene a la red de drenaje Representada por objetos

Nodes y Links


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Parmetros claves de los objetos Subcatchments

Representacin Node-Link de una red de drenaje enSWMM (de Roesner et al.,1992)

Nodos (Node)

Conectores (Links)


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Algunos mtodos de clculo utilizados en

SWMM 5.0: Propagacin del flujo en la red Steady Flow (Flujo permanente uniforme)

Uso de la ecuacin de Manning Simple traslacin de los hidrogramas Aplicable slo en redes arborescentes

0

SSf

Kinematic Wave (Onda Cinemtica)

Atenuacin y retraso del hidrograma debido alalmacenamiento en el conducto

Aplicable slo en redes arborescentes con flujossupercrticos

0

0

SS

xQ

tA

f

Algunos mtodos de clculo utilizados enSWMM 5.0: Propagacin del flujo en la red


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Dynamic Wave (Onda Dinmica)

Resuelve las ecuaciones completas de Saint Venant del flujo nopermanente unidimensional

Representacin de efectos de remanso, flujo en carga,almacenamiento en el tramo e inversin del flujo

Aplicable a cualquier tipologa de red Solucin numrica de tipo explcita (Q en conductos y H en nodos) Requiere intervalos de tiempo pequeos (entre 1 y 60 segundos)

0

0

2

Lf hAgSAgx

HAg

x

AQ

t

Q

x

Q

t

A

Algunos mtodos de clculo utilizados en

SWMM 5.0: Propagacin del flujo en la red

Opciones de inundacin nodal (Nodal Flooding) enSWMM 5.0

Todo el flujo en exceso queentra en el nodo, es perdidopor el sistema

Todoelflujoenexcesoqueentraenelnodoesmantenidosobreste,hastaquelosconductosadyacentesrecuperansucapacidaddetransporte;entonceseseflujovuelveareintroducirsealaredgradualmente


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Sitio web de SWMM 5.0

http://www.epa.gov/nrmrl/wswrd/wq/models/swmm/

Informacin y archivos tiles para ser descargados

Programadeinstalacin,manualdeusuario,manualdeaplicaciones,cdigosfuentes,listadeactualizaciones,convertidordearchivosetc.

Lamsrecienteactualizacin


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Ms informacin sobre SWMM 5.0

SWMMUSERS

List Server

FrumdondelosusuariosdeSWMMpuedencompartirexperienciasenelusoyaplicacindeestecdigo

EsgratisyestgestionadoporelDr.WilliamsJames (UniversidaddeGuelph,Ontario)

Trabajamediantecorreoselectrnicosdeconsultas;desdeunaavariasrespuestasatucorreoelectrnico

ParasuscribirsealalistadeusuariosdeSWMM,enviarunemaila

[email protected]

Esteemailnodebellevarasunto(SINASUNTO)yslosedebeescribirlosiguienteenelcuerpodel:

SUBSCRIBESWMMUSERS[Nombre][Apellido]

Porejemplo:

SUBSCRIBESWMMUSERSJuanRamos


SWMM5.0ENCASTELLANO:SWMM5.0vE

VersindesarrolladaporelGMMFdelaUniversidadPolitcnicadeValencia

TraduccindelaversinoriginaldeSWMM5.0

Respectivomanualdeusuarioencastellano

Demomento

no

est

actualizada

alaltimaversindeSWMM5.0

Sepuededescargardesde:

http://www.instagua.upv.es/swmm/


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Grupode

apoyo

para

usuarios

de

SWMM

(en

espaol)

https://groups.google.com/forum/#!forum/swmm espanol

Herramientas relacionadas con el cdigo de clculo deSWMM 5.0: XPSWMM

Setdelluviasdediseo

DiversosmodelosparalatransformacinPQ

DrenajeDual

Importar/exportar

ficherosGIS

Posibilidaddetrabajarconmodelos2D

Procesosdeerosinysedimentacinenloscolectores

http://www.xpsolutions.com/software/xpswmm/


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Herramientas relacionadas con el cdigo de clculo deSWMM 5.0: PCSWMM

MscercanoaSWMM5.0

Gestindeescenarios

DrenajeDual

Importar/exportar ficherosGIS

Datosderadaresdelluvia

Clculoen2Ddelflujosuperficial

EnEuropaesrepresentadoporHydroPraxis:

http://www.chiwater.com/Software/PCSWMM

http://www.hydropraxis.com/en/

InfoSWMM 2Dpermitemodelosbidimensionalesenlasuperficiedelacuenca

Gestindeescenarios

DrenajeDual

Importar/exportar

ficherosGIS

Herramientas relacionadas con el cdigo de clculo de SWMM 5.0:H2OMAP SWMM/InfoSWMM/InfoSWMM 2D

http://www.innovyze.com/


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Herramientas relacionadas con el cdigo de clculo de SWMM 5:Storm and Sanitary Analysis

ImportacindedatosdesdeficherosCAD/GIS

Diversosmodeloshidrolgicos

ImportacindeficherosINP

Vienedentrodela

suite

de

AutoCad Civil

3D

http://www.autodesk.es

Herramientas relacionadas con el cdigo de clculo de SWMM 5:SewerGEMS / CivilStorm

SeweGEMS orientadoaredes

CivilStorm consideralacuencaylasredes

http://www.bentley.com/en-US/


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Resumen y conclusiones

Siempreconsiderarelflujonopermanentecomoopcindesalidaalusarunaherramientadeclculo Amplioabanicodeopcionesdeherramientasdeclculo:depagoydeusopblicoMayoresposibilidadesdesimulacindeprocesos:flujoen2D,calidaddelaescorrenta,etc. SWMM5.0eslanuevaversindelclsicocdigoSWMM UsuariosdeSWMM5.0podranoptarporotroprogramaque

incorporemsprestaciones SWMM5.0esdeusopblicoElprecioesjusto! TcnicosyproyectistasDEBERANutilizarunaherramientadeeste

tipo

en

sus

proyectos

de

saneamiento

urbano

modelos simulacion redes

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