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7/23/2019 Modelos Simulacion Redes
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19-03
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
Redes de drenaje: caractersticas
Elementos comunes en una red de alcantarillado: conductos y pozos
No olvidar:es una red!!!
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Redes de drenaje: caractersticas
Elementos especiales enuna red de drenaje Aliviaderos
Depsitos deretencin/antiDSU
Bombeos
Compuertas
Redes de drenaje: caractersticas
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
No unicidad entrecalado y caudal
Volumen delhidrograma
y
QQmx
ymx
Rgimenpermanente
yuniforme
Flujo no permanente
Consideraciones quesolo se pueden teneren cuenta en rgimende flujo no permanente Laminacin de
caudales
No unicidad entrecalado y caudal
Volumen delhidrograma
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
Ecuaciones de Saint Venant: equilibrio de fuerzas
Resultados de la influencia de las fuerzas para los dos hidrogramas en elcaso de pendiente 0.0001
Ecuaciones de Saint Venant: equilibrio de fuerzas
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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
Ecuaciones de Saint Venant: equilibrio de fuerzas
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
Condiciones a exigir a una herramienta desimulacin de redes en no permanente
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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.
Condiciones a exigir a una herramienta desimulacin de redes en no permanente
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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
Esteemailnodebellevarasunto(SINASUNTO)yslosedebeescribirlosiguienteenelcuerpodel:
SUBSCRIBESWMMUSERS[Nombre][Apellido]
Porejemplo:
SUBSCRIBESWMMUSERSJuanRamos
Ms informacin sobre SWMM 5.0
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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Ms informacin sobre SWMM 5.0
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