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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
Problemática del Drenaje Dual Urbano
¿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
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…
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
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
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)
Modelación del Drenaje Dual
Flujo desde la superficie hacia la red de alcantarillado: VERTEDERO
nvertederoQ Cd L h
Sin embargo,…
Modelación del Drenaje Dual
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
Modelación del Drenaje Dual
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
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
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·'
Modelación del Drenaje Dual
Modelación del Drenaje Dual
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
Herramienta de cálculo:EPA SWMM 5.0
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…
Herramienta de cálculo:EPA SWMM 5.0
Nueva versión es más “amigable”
Escorrentía superficial: depósito no lineal
n
SRAQ
dtdS
tOtI
032
)()(
Herramienta de cálculo:EPA SWMM 5.0
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
Herramienta de cálculo:EPA SWMM 5.0
Propagación del flujo: tres opciones pero la mejor es…
Ecu. deContinuidad
Ecu. deMomentum
Herramienta de cálculo:EPA SWMM 5.0
Reguladores del flujo: vertederos, orificios,…
hgACQ d 25.12 fDgACQ d
OrificioTotalmente sumergido
Orificio Parcialmente sumergido
Ecuaciones para cálculo del caudal por vertederos
Herramienta de cálculo:EPA SWMM 5.0
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)
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0
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 5.0Ejemplo de simulación: tramo de calle
Colector de 0.5
(m)
Consideraciones y simulación con
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)
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0Características de la reja de captación
Dirección del flujo
Consideraciones y simulación con
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
Consideraciones y simulación con
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
Consideraciones y simulación con
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 ????
Consideraciones y simulación con
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
Consideraciones y simulación con
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-)
Consideraciones y simulación con
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)
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0Resultados: Hidrogramas
Consideraciones y simulación con
EPA SWMM 5.0Resultados: Hidrogramas
Consideraciones y simulación con
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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