Introduccion Al SWMM

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INTRODUCCIÓN AL CÓDIGO SWMM 5.0

1.

INTRODUCCIÓN

2

2.

ESQUEMA DE MODELIZACIÓN

4

2.1. 2.2. 2.2.1. 2.2.2.

2.3. 2.3.1. 2.3.2. 2.3.3. 2.3.4.

3.

3.1.1. 3.1.2. 3.1.3.

3.2. 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4.

3.3. 3.4. 3.5. 3.6.

Objetos visuales Objetos no visuales

6 12

MÉTODOS DE CÁLCULO

15

Transformación lluvia-escorrentía Infiltración Tránsito de caudales Otros procesos

16 16 16 17

17

MENÚ PRINCIPAL

18

Menú View Menú Project Menú Report

18 18 18

LA BARRA DE HERRAMIENTAS

19

Barra de herramientas estándar Barra de herramientas mapa Barra de herramientas animación Barra de herramientas objeto

19 19 20 20

LA BARRA DE ESTADO EL PANEL DE NAVEGACIÓN EL MAPA DEL ÁREA DE ESTUDIO LAS VENTANAS DE EDICIÓN DE PROPIEDADES

21 21 22 23

EJEMPLO DE APLICACIÓN 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5.

5.

4 5

EL ENTORNO GRÁFICO 3.1.

4.

MODELO CONCEPTUAL DE LA RED DE DRENAJE ELEMENTOS DEL SISTEMA DE DRENAJE EN SWMM

23

DESCRIPCIÓN DEL EJEMPLO OPCIONES Y PROPIEDADES POR DEFECTO ESQUEMATIZACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO EDICIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LOS OBJETOS OPCIONES DE ANÁLISIS Y EJECUCIÓN

23 26 26 27 28

VISUALIZACIÓN DE RESULTADOS

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1. INTRODUCCIÓN El modelo de gestión de aguas pluviales EPA SWMM (Storm Water Management Model) de la Agencia de Protección del Medioambiente de los Estados Unidos (USEPA, U.S. Environmental Protection Agency), es un código numérico que permite simular el comportamiento hidrológico-hidráulico de un sistema de drenaje urbano, tanto en términos de cantidad de agua como en la calidad de la misma. Este modelo lleva más de treinta años de uso en los Estados Unidos y se ha difundido por todo el mundo, siendo una herramienta de cálculo reconocida a nivel mundial. El SWMM puede utilizarse como modelo de planificación o como modelo de diseño. Los modelos de planificación se utilizan para asentar de forma global los problemas de la escorrentía urbana así como para estimar la efectividad y los costes de una posible mejora. Se caracteriza por escalones de tiempo relativamente largos (horas) y tiempos de simulación largos (meses y años), es decir, simulación continua. Se requieren pocos datos y su complejidad matemática es baja. El modelo de planificación puede utilizarse para identificar los sucesos hidrológicos que sean de especial interés para el diseño u otros propósitos, los cuales serán después analizados en detalle utilizando un modelo de diseño. El SWMM puede utilizarse también como modelo de diseño orientado hacia una simulación detallada de un único suceso de lluvia, proporcionando una descripción completa de la circulación de caudales y contaminantes, desde el momento en el que cae la lluvia, se introduce y circula a través del sistema de alcantarillado y llega hasta el medio receptor. Como tal, puede ser útil para la predicción de caudales y concentraciones de contaminantes en cualquier punto en el sistema de alcantarillado e ilustrar, de forma exacta y detallada, la manera en que las opciones de diseño le afectarán. Este modelo es una herramienta muy útil para determinar las intervenciones más adecuadas para resolver los problemas de inundaciones y contaminación en áreas urbanas. El modelo de diseño se utiliza generalmente para la simulación de un suceso de lluvia único, y se caracteriza por escalones de tiempo cortos (minutos) y duraciones de la simulación cortas (horas). Los datos que se requieren pueden ser desde moderados hasta muy extensos, dependiendo del uso particular que se le dé al modelo. Otra aplicación del SWMM es como modelo de funcionamiento real. Los modelos de funcionamiento se utilizan para tomar decisiones de control en tiempo real durante los sucesos de lluvia. Los datos de la lluvia se introducen al programa desde las estaciones telecomandadas, y el modelo se utiliza para predecir la respuesta del sistema a corto plazo. El SWMM presenta los resultados de caudales y concentraciones de contaminantes frente al tiempo y los resúmenes de los totales de la simulación diarios, mensuales, anuales y totales (para simulación continua). Desde sus inicios, hasta la versión 5, el programa estaba estructurado en bloques de cálculo donde cada bloque simulaba numéricamente algún proceso hidrológico o hidráulico en particular. Estos bloques eran el RUNOFF, que simulaba la transformación lluvia-escorrentía y los procesos de acumulación y lavado de contaminantes, el TRANSPORT, que simulaba el Autor/es: Jose Anta Álvarez

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tránsito de los caudales y la contamianción por la red de saneamiento con el método de la onda cinemática; el EXTRAN, que realizaba únicamente el tránsito de cauales en régimen no permanente 1D (ecuaciones de Saint Venant); el bloque STORAGE/TREATMENT, empleado para modelizar sistemas de control y tratamiento de reboses. Estos bloques se empleaban con otros de apoyo como el RAIN, el COMBINE o el STATISTICS.

ESTRUCTURA DEL SWMM RUNOFF

EXTRAN

TRANSPORT

STORAGE/ TREATMENT

MODELO DE SIMULACIÓN DEL MEDIO RECEPTOR

Estructura de bloques del SWMM v4.4. EPA SWMM fue inicialmente desarrollado en lenguaje FORTRAN entre los años 1969 y 1971, y tal vez fue uno de los primeros modelos numéricos desarrollado especialmente para sistemas de drenaje urbanos. Desde entonces, SWMM ha sido objeto de numerosas mejoras y actualizaciones. El SWMM no incluye un modelo del medio receptor. Sin embargo, los resultados obtenidos en otros bloques pueden ser introducidos en modelos como el WASP y el DYNHYD. En el año 2002, la EPA’s Water Supply and Water Resources Division y la firma consultora CDM acordaron desarrollar una versi´on de SWMM completamente reescrita. De este modo se desarrolló un nuevo código escrito en C (frente a las versiones anteriores escritas en Fortran) que cuenta con una interfaz gráfica para Windows. Al mismo tiempo, un riguroso programa de certificación de calidad fue desarrollado para asegurar que los resultados numéricos producidos por el nuevo SWMM 5 fueran compatibles con aquellos obtenidos del anterior SWMM 4.4. En octubre del 2004 la nueva versión de SWMM, SWMM 5, es entregada a dominio publicó en conjunto con el nuevo manual de usuario, los códigos de programación y otros documentos relacionados con la nueva versión. La m´as reciente actualizaci´on de SWMM 5 (a febrero de Autor/es: Jose Anta Álvarez

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2006) corresponde a la versión SWMM 5.0.009, la cual puede ser descargada libremente de la siguiente dirección: http://www.epa.gov/ednnrmrl/models/swmm/index.htm Además, el Grupo Multidisciplinar de Modelización de Fluidos de la Universitat Politécnica de Valencia realizó la traducción oficial del programa al castellano. La nueva versión (5.0.005b) y el manual de usuario se pueden descargar de: http://www.gmmf.upv.es/

2. ESQUEMA DE MODELIZACIÓN 2.1. MODELO CONCEPTUAL DE LA RED DE DRENAJE En SWMM 5 la red se considera como un conjunto de elementos y flujos (los OBJETOS) situados en una serie de CAPAS. Cada capa representa un proceso hidrológico-hidráulico y son el equivalente a la estructura de bloques de las versiones anteriores.

Esquema de capas del SWMM 5 Autor/es: Jose Anta Álvarez

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Estos módulos y sus correspondientes objetos de SWMM son los siguientes: ► El Módulo Atmosférico, desde la cual se analiza la lluvia caída y los contaminantes depositados sobre la superficie del suelo, que se analiza en el Módulo de Superficie del Suelo. SWMM utiliza el objeto Pluviómetro (Rain Gage) para representar las entradas de lluvia en el sistema. ► El Módulo de Superficie del Suelo, que se representa a través de uno o más objetos cuenca (Subcatchment). Estos objetos reciben la precipitación del Módulo Atmosférico en forma de lluvia o nieve; y generan flujos de salida en forma de infiltración para el Módulo de Aguas Subterráneas y también como escorrentía superficial y cargas de contaminantes para el Módulo de Transporte. ► El Módulo de Aguas Subterráneas recibe la infiltración del Módulo de Superficie del Suelo y transfiere una parte de la misma como flujo de entrada para el Módulo de Transporte. Esta módulo se modela utilizando los objetos Aquifers (Acuíferos). ► El Módulo de Transporte contiene una red con elementos de transporte (canales, tuberías, bombas y elementos de regulación) y unidades de almacenamiento y tratamiento que transportan el agua hacia los Nudos de Vertido (outfall) o las estaciones de tratamiento. Los flujos de entrada de este Módulo pueden provenir de la escorrentía superficial, de la interacción con el flujo subterráneo, de los caudales sanitarios correspondientes a periodos sin lluva, o de hidrogramas de entrada definidos por el usuario. Los componentes del Módulo de Transporte se modelan con los objetos Nudos y Líneas. En un determinado modelo de SWMM no es necesario que aparezcan todos los Módulos descritos anteriormente. Por ejemplo, un modelo puede tener tan solo el Módulo de Transporte, utilizando como entradas unos hidrogramas previamente definidos.

2.2. ELEMENTOS DEL SISTEMA DE DRENAJE EN SWMM EPA SWMM 5 representa los diversos elementos del sistema de drenaje (conductos, pozos, depósitos, etc.) y los procesos hidrológicos-hidráulicos que ocurren en el sistema (precipitación, infiltración, etc.) mediante Objetos. SWMM 5 considera dos tipos de objetos:

- Visuales, los cuales pueden ser visualizados por el usuario en el área de trabajo de SWMM. En general los objetos visuales representan elementos físicos del sistema de drenaje o procesos hidrológicos dentro de este. - No visuales, los cuales no se encuentran en el área de trabajo del programa. Estos objetos describen características y procesos adicionales dentro del sistema de drenaje.

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A continuación se presentan los objetos de más uso al momento de realizar un modelo con EPA SWMM 5. Estos se pueden consultar en el manual de usuario.

2.2.1. Objetos visuales En la Figura siguiente se representan los componentes físicos que pueden presentarse en un sistema de drenaje de aguas pluviales. Estos componentes u objetos pueden representarse dentro del mapa de SWMM. Los siguientes apartados describen cada uno estos objetos.

Ejemplo de objetos visuales en una red de drenaje Los Pluviómetros (Rain Gages) suministran los datos de entrada de las precipitaciones que ocurren sobre una o varias de las cuencas definidas en el área de estudio. Los datos de lluvia pueden ser definidos por el usuario mediante series temporales de datos o provenir de un archivo externo al programa. En la actualidad SWMM dispone de diferentes formatos de archivos de datos de lluvia, así como un formato estándar definido por el usuario. Las cuencas (subcatchments) son unidades hidrológicas de terreno cuya topografía y elementos del sistema de drenaje conducen la escorrentía directamente hacia un punto de descarga. El usuario del programa es el encargado de dividir el área de estudio en el número adecuado de cuencas e identificar el punto de salida (outlet) de cada una de ellas. Los puntos de salida (outlet) de cada una de las cuencas pueden ser bien nudos del sistema de drenaje o bien otras cuencas. Autor/es: Jose Anta Álvarez

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Las cuencas pueden dividirse en subáreas permeables y subáreas impermeables. La escorrentía superficial puede infiltrarse en la parte superior del terreno de las subáreas permeables, pero no a través de las subáreas impermeables. Las áreas impermeables pueden dividirse a su vez en dos subáreas: una que contiene el almacenamiento en depresión y otra que no lo contempla. El flujo de escorrentía desde un subárea de la cuenca puede fluir hacia otra subárea o por el contrario dos subáreas pueden drenar directamente hacia la salida de la cuenca. La infiltración de lluvia de las zonas permeables de una determinada cuenca sobre la parte superior del suelo no saturado puede describirse utilizando tres modelos diferentes: ► El modelo de infiltración de Horton. ► El modelo de infiltración de Green-Ampt. ► El modelo de infiltración basado en el Número de Curva del SCS. Para modelar la acumulación, redistribución y deshielo de las precipitaciones que caen en forma de nieve en una cuenca, es necesario crear un objeto de Modelación de Nieve (Snow Pack object). Para modelar el flujo de aguas subterráneas entre un acuífero situado por debajo de la cuenca y un nudo del sistema de drenaje, es necesario establecer los parámetros de Aguas Subterráneas (Groundwater parameters) de la cuenca. La acumulación y el arrastre de contaminantes desde las cuencas pueden asociarse con los Usos del Suelo (Land Uses) asignados a la cuenca. En relación a la red de drenaje representada en la figura, ésta es representada en SWMM 5 por dos tipos genéricos de objetos: objetos tipo Node (nodo) y tipo Link (conector). Existen diversos tipos de nodos: - Junctions (uniones), cuya funcion en el esquema de SWMM 5 es el de unir dos o más links. Este tipo de objeto puede representar los pozos de un sistema de alcantarillado, el cruce de calles, la unión de dos o mas canales de drenaje, o algún nodo de conexión. La información básica que se debe suministrar a una unión en SWMM 5 corresponde a su cota de fondo y a su altura hasta la superficie de terreno. - Outfalls (descargas), que dentro del esquema de SWMM 5 corresponden a nodos terminales de la red, donde se definen las condiciones de contorno aguas abajo cuando se utiliza el método de la Onda Dinámica para propagar el flujo en la red. Dichas condiciones de contorno pueden ser del tipo calado critico o calado normal del conducto que conecta con el Outfall, elevación fija de la lámina de agua en el nodo, tabla de mareas o una serie temporal entre la elevación de la lámina de agua y el tiempo. Un nodo de descarga sólo puede tener un conducto que lo conecta, y requiere como principales datos la cota de fondo y el tipo de condición de contorno a emplear.

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- Storage Units (elementos de almacenamiento), son nodos que tienen capacidad de almacenamiento. Físicamente pueden representar desde sistemas de almacenamiento pequeños como reducidas cuencas hasta sistemas grandes como lagos. Las propiedades volumétricas de un sistema de almacenamiento se representan como una tabla o una función que indica la superficie de almacenamiento en función de la altura del mismo: Area(depth) = A 0 + A1·depth A 2 - Los divisores de flujo (Flow dividers) son nudos del sistema de transporte utilizados para dividir el flujo en dos conductos de salida de modo definido por el usuario. Estos divisores de caudal tan solo pueden tener dos conductos en la descarga de los mismos. Se encuentran activos tan solo cuando se analiza el fenómeno mediante el modelo de la Onda Cinemática (Kinematic Wave) y se tratan como simples nudos cuando se emplea el modelo de la Onda Dinámica (Dynamic Wave). Existen cuatro tipos de divisores, definido cada uno de ellos a partir del modo en que se reparten los caudales de entrada: ƒ ƒ ƒ ƒ

Cutoff divider, deriva todo el flujo de entrada cuando este es mayor que un valor umbral definido por el usuario Overflow divider, deriva todo el flujo cuando el colector situado aguas abajo enrta en carga Tabular divider, deriva el flujo de entrada en función de una curva de gasto introducida por el usuario en forma de tabla Weir divider, calcula el flujo empleando la ecuación de un vertedero.

Los elementos de conexión links pueden ser conductos o elementos especiales como vertederos, aliviaderos u orificios. - Conduits (conductos), representan tuberías, conductos o canales superficiales (como cunetas) por las que circula el flujo. Se caracterizan por su longitud, forma y rugosidad. En la figura siguiente se presentan los tipos de sección incorporadas en el SWMM. Además, también se puede definir una sección irregular.

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Secciones transversales implementadas en el SWMM

- Las bombas (pumps) son líneas elementos incluidos en el sistema de drenaje para elevar el agua. Se representan en el programa como un tipo de líneas con una curva característica. La curva de la bomba describe la relación que existe entre el caudal en la bomba y las condiciones de contorno en los nudos de entrad ay salida de la misma. Existen cuatro formas diferentes de representar el comportamiento de una bomba representados en la figura siguiente. Además, la puesta en marcha y parada de las bombas puede ser controlada dinámicamente a través de las Reglas de Control (Control Rules) definidas por el usuario.

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Tipos de funcionamiento de las bombas - Los Flow regulators representan estructuras hidráulicas de regulación de flujo. En SWMM estos elementos se representan con un link entre dos nodos. Además, en estos elementos se pueden considerar una válvula de retorno. Si un elemento regulador se instala en un SCTR funciona como tal aunque le método de cálculo sea el de la onda cinématica. Existen tres tipos, los orificies, los weirs y los outlets: ƒ

Los orificios (orificies) son aberturas en muros, en la base de pozos o en depósitos. Pueden ser circulares o rectangulares y pueden funcionar como totalmente sumergidos (con desagüe libre o anegado) y parcialmente sumergidos.

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Esquema de un orificio sumergido libre, orificio sumergido anegado y semisumergido Además, pueden incorporarse reglas de control para modificar el área del orificio lo que permite al usuario modelar la regulación de compuertas automáticas. ƒ

Los aliviaderos (weirs) que se pueden implementar en el SWMM son de cuatro tipos:

Cuando los aliviaderos están confinados, éstos podrían entrar en carga. En este caso el SWMM cambia la ecuación del vertedero por la de un orificio automáticamente. ƒ

Por último, los outlets son nuevos elementos incorporados en la versión 5 del SWMM que permiten incorporar una curva de gasto (tabular o potencial) en que no puede ser caracterizada por un orificio o un vertedero. Un ejemplo típico puede ser el de una válvula vórtex en un depósito de tormenta.

Finalmente, indicar que existe otro tipo de objeto visual, el rótulo para el mapa (Map Labels). Las etiquetas del Mapa son textos de tipo opcional que pueden añadirse al Mapa de Trabajo de SWMM para poder identificar los objetos o regiones del mapa. Las etiquetas pueden dibujarse mediante cualquiera de las fuentes de Windows, editarlas libremente y arrastrarlas a cualquier posición del mapa. Autor/es: Jose Anta Álvarez

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2.2.2. Objetos no visuales En esta categoría de objetos se encuentran diversos elementos que representan diferentes procesos hidrológicos tales como la evaporación (objeto Climatology ), acumulación y fusión de nieve (objeto Snow Pack ), y movimiento de las aguas subterráneas (objeto Aquifer ). También es posible definir algunas variables meteorológicas tales como la temperatura del aire y la velocidad del viento, ambas con el fin de ayudar en los cálculos de precipitación de nieve y fusión de ésta durante la estimación de la escorrentía superficial.

Pestañas de introducción de la temperatura y la evaporación También existen diferentes objetos no visuales relacionados con la red de drenaje tales como Transects, los que permiten definir secciones transversales irregulares en los conductos o External Inflows , que corresponden a flujos externos que entran en la red de drenaje a través de los nodos . De este modo, además de las entradas de caudal provenientes de la escorrentía y de las aguas subterráneas de las cuencas, los nudos del sistema de drenaje pueden recibir otros tres tipos de aportes externos de caudal: o Aportes directos de caudal (Direct Inflows). Se trata de series temporales de valores de caudales que entran directamente en el nudo definidos por el usuario. Pueden utilizarse para representar el modelo hidráulico de caudales y calidad de agua en ausencia de cálculos de escorrentía (tal como puede ocurrir en sistemas en los que no se definen cuencas). o Caudales de tiempo seco (Dry Weather Inflows). Existen continuas entradas de caudal que reflejan las contribuciones que los caudales de aguas negras realizan al sistema de Autor/es: Jose Anta Álvarez

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drenaje. Puede considerarse estos caudales como unos caudales de referencia de los conductos o canales. Estos caudales se representan mediante un caudal de entrada medio que puede ajustarse de forma periódica, bien mensualmente, diariamente y de hora en hora mediante la aplicación de unos patrones (Time Pattern) que multiplican el valor introducido como referencia. o Entradas e Infiltraciones relacionados con las Lluvias (Rainfall-Derived Infiltration/Inflow, RDII). Se trata de caudales que provienen de las aguas de lluvia que se introducen en los sistemas de saneamiento (bien unitarios bien separativos) debido a aportes directos en las conexiones con los pozos de registro, en los colectores de bombeos, en el fondo de los sistemas de drenaje, etc.; así como de las infiltraciones de aguas subsuperficiales a través de roturas en las conducciones, fugas en las conexiones, malas conexiones de los pozos de registro, etc. Los caudales RDII pueden calcularse para los datos de una determinada lluvia basándose en una serie de hidrogramas unitarios que establecen la respuesta a corto plazo, medio plazo y largo plazo en cada uno de los períodos de tiempo de la lluvia definida. Los caudales RDII pueden también definirse como ficheros externos de caudales RDII. Un hidrograma unitario contiene hasta tres de estos hidrogramas, uno para la respuesta a corto plazo, otro para la respuesta a medio plazo y otro para la respuesta a largo plazo. Un grupo de hidrogramas unitarios puede tener hasta 12 hidrogramas unitarios diferentes, uno para cada uno de los meses del año. Cada grupo de hidrogramas unitarios se considera como un objeto individual en SWMM, al cual se asigna un nombre único con el nombre del indicativo de lluvia que contiene los datos de precipitaciones necesarios. Cada hidrograma unitario, tal como muestra la figura siguiente, se define mediante tres parámetros: R: fracción del volumen de lluvia que se incorporan al sistema de alcantarillado. K: la relación entre el tiempo de anulación de los valores del hidrograma unitario y el tiempo que tarda en ocurrir el valor máximo. T: tiempo transcurrido desde el inicio de la lluvia hasta que se alcanza el valor máximo del hidrograma unitario en horas.

Definición de hidrogramas unitarios

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Las entradas de caudal de aporte directo, de tiempo seco y de RDII son propiedades asociadas a cada tipo de nudo del sistema de saneamiento (conexiones, nudos de vertido, divisores de caudal, y unidades de almacenamiento) y puede especificarse al editarse las propiedades del nudo. También es posible emplear los caudales de salida generados de un determinado sistema de saneamiento situado aguas arriba como entrada de otro sistema situado aguas abajo. Para ello es necesario utilizar archivos como interface de intercambio de dicha información. Más detalles acerca de este punto pueden verse en el apartado 11.8 del manual de usuario. Las Control Rules consisten en reglas que gobiernan la operación de los reguladores de flujo o bombas durante el transcurso de la simulación. En el Apéndice C.3 del manual se describe con detalle el formato que deben tener estas reglas de control y el funcionamiento del editor especial empleado para ello.

Ejemplo del editor de reglas de control en SWMM 5

El programa SWMM permite estudiar la generación, entrada y transporte de cualquier número de contaminantes definidos por el usuario. Para ello es necesario definir un contaminante (Pollutants) indicando su nombre, unidades, concentración en el agua de lluvia, en el agua subterránea y en los procesos de infiltración y entrada directa. Además, se puede introducir un coeficiente de decaimiento si el contaminante se reduce con una cinética de primer orden (DBO5 o DQO). Es posible también introducir cargas de contaminante en el sistema de saneamiento mediante series temporales de caudales de entrada, así como mediante los caudales de tiempo seco. La acumulación y arrastre de contaminantes desde las áreas de las cuencas se determinan a partir de los usos del suelo (Land Uses) asignados a dichas áreas. Los usos del suelo son categorías de las actividades desarrolladas o bien características superficiales del suelo asignadas a las cuencas. Algunos ejemplos de posibles usos del suelo son: uso residencial, industrial, comercial y no urbanizado. Las características superficiales del suelo incluyen parámetros tales como césped, pavimentos, terrazas, suelos sin uso, etc. Los usos del suelo se utilizan únicamente para considerar los fenómenos de acumulación y arrastre de contaminantes en las cuencas. Autor/es: Jose Anta Álvarez

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El usuario de SWMM dispone de múltiples opciones para definir los usos del suelo y asignar los mismos a las áreas de las cuencas. Una aproximación consiste en asignar una mezcla de usos del suelo para cada cuenca, lo que origina que todos los usos del suelo de la cuenca tengan las mismas características permeables e impermeables. Otra aproximación consiste en crear cuencas que tengan tan solo un único uso del suelo, de forma que se pueden especificar características de las áreas permeables e impermeables diferentes en cada cuenca y lógicamente en cada uso del suelo. Los procesos que definen cada uno de los usos del suelo son los de acumulación de contaminante en la superficie (buildup), lavado del contaminante (washoff), y limpieza de calles (street sweeping). En la definición de los usos de suelo se puede asignar directamente una CMS a cada contaminante, obviando los fenómenos antes descritos e incluso introducir el rendimiento de eliminación asociado al uso de una Técnica de Gestión de la Escorrentía Urbana. En los nodos y en las unidades de almacenamiento se pueden introducir procesos de tratamiento de la contaminación (Treatment) en función de parámetros como el tiempo de retención hidráulico (HRT) o las concentraciones de otro contaminante. Otros objetos no visuales son las Curves. Estos objetos definen relaciones entre dos variables de forma tabular. Existen seis tipos de curvas: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Storage curve, describen la curva de llenado de una unidad de almacenamiento a partir de la relación entre calado y volumen. Diversion curve, relaciona el caudal derivado y el caudal de entrada en un nodo tipo tabular divider. Tidal curve, sirve para introducir el régimen de mareas como condición de contorno en un outfall. Pump curve, relaciona las variables caudal, altura y volumen en función del tipo de bomba empleada en la simulación. Rating curve, describe la curva de gasto calado-caudal para un outlet. Control curve, para introducir un tipo de regla de control especial denominada modulated control rule.

Los objetos visuales time series permiten introducir o importar una serie de datos (precipitaciones, temperatura, caudales o concentraciones de tiempo seco). Finalmente, los objetos Time series, permiten introducir los patrones de variación para los caudales y contaminantes de tiempo seco.

2.3. MÉTODOS DE CÁLCULO SWMM es un modelo de simulación basado en fenómenos físicos, que utiliza una solución discreta en el tiempo del fenómeno. En su formulación emplea los principios de conservación de la masa, de la energía y de la cantidad de movimiento siempre que es posible. En este apartado se describen brevemente los diferentes métodos empleados por SWMM para Autor/es: Jose Anta Álvarez

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modelar tanto la cantidad como la calidad de la escorrentía derivada de la lluvia a lo largo de los siguientes procesos físicos.

2.3.1. Transformación lluvia-escorrentía La transformación lluvia escorrentía se simula con el modelo del depósito no lineal, que es un modelo que se basa en el de la onda cinemática y en el principio de conservación de la masa. Los parámetros que se requieren son la pendiente de la subcuenca, el ancho característico, el área, la rugosidad y la detención superficial. En la figura siguiente se presenta el esquema conceptual de este modelo. LLUVIA NIEVE

EVAPORACION

Q = W 1.49/n (d-dp)5/3S1/2 d dp

INFILTRACION

Esquema del depósito no lineal.

2.3.2. Infiltración Para el cálculo de la infiltración se pueden emplear tres alternativas: la fórmula de Horton, la de Green-Ampt y el método del SCS del número de curva.

2.3.3. Tránsito de caudales EPA SWMM 5 permite elegir entre tres diferentes metodologías de calculo del flujo en la red de drenaje. La primera, denominada como Steady Flow Routing, consiste en asumir que en cada intervalo de tiempo de cálculo las condiciones del flujo no cambian; es decir, se tiene flujo permanente. La segunda metodología es denominada como Kinematic Wave (onda cinemática), y en esta se considera la variabilidad temporal del flujo. Este método resuelve la ecuación de Conservación de la Masa y una aproximación de la ecuación de Conservación de la Cantidad de Movimiento. El tercero de estos métodos consiste en la resolución de las ecuaciones completas de Saint Venant (Conservación de la Masa y Cantidad de Movimiento), denominado como método de la Onda Dinámica (Dynamic Wave). Este método es el físicamente más correcto, aunque requiere un mayor tiempo de proceso computacional.

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2.3.4. Otros procesos Otros procesos menos habituales como la modelización de acuíferos sencillos, el derretimiento de nieve, estimación de inundaciones o el transporte de contaminantes también están incorporados en el SWMM.

3. EL ENTORNO GRÁFICO La ventana principal de EPA SWMM presenta el aspecto mostrado en la figura siguiente. Ésta cosiste en los siguientes elementos de interacción con el usuario: un Menú Principal (Main menú), varias Barras de Herramientas (Toolbars), una Barra de Estado (Status bar), un Mapa del Área de Estudio (Study Area Map), un panel de navegación (Browser Panel) el Editor de Propiedades (Property Editor).

Interfaz gráfica del SWMM 5

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3.1. MENÚ PRINCIPAL El menú principal contiene una serie de opciones para controlar el programa. Las que nos específicas del entorno Windows© son el menú View, el menú Project y el menú Report.

3.1.1. Menú View La opción Backdrop se emplea para la introducción de fondos como parcelarios, callejeros o planos topográficos que pueden servir como referencia visual o incluso, si se dota al plano de coordenadas y se activa la opción Auto-Length (on) de la barra de estado, para incorporar directamente propiedades físicas como longitudes o áreas. Otra opción interesante de este menú es la de consultas (Querys) que permiten la búsqueda de objetos que cumplan una serie de criterios geométricos (ej. pendiente de conducto) o de flujo (ej. velocidad o nivel de agua). Es importante señalar que la búsqueda de las propiedades geométricas la realiza en el paso de tiempo que actual de la simulación (esto se verá con detalle al hablar del panel de navegación). Por último, en el comando Map options se pueden configurar las propiedades visuales de los objetos mostrados en el mapa (grosores, tamaño de los nudos, tipo de relleno de las subcuencas).

3.1.2. Menú Project Aquí se encuentran las opciones del proyecto que se analiza como Details, que muestra el archivo de datos del modelo, Calibration data, que permite introducir ficheros con un formato específico para calibrar los parámetros del modelo a partir de la comparación con datos reales. La opción Defaults permite establecer las preferencias para una serie de valores por defecto que tomará el SWMM. Este debe ser el primer paso a la hora realizar un nuevo modelo y permite especificar opciones para los identificadores de los elementos o las caracteristicas que toman por defecto las subcuencas y los nudos.

3.1.3. Menú Report Presenta una serie de opciones para representar los resultados de las simulaciones de tipo gráfico o en forma de tablas.

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3.2. LA BARRA DE HERRAMIENTAS La barra de herramientas (Toolbars) contiene un conjunto de diferentes botones de acceso rápido para ser usados en operaciones de creación de un proyecto SWMM 5. Estos botones pueden ser agrupados en cuatro categorías de barras de herramientas: estándar (Est´andar Toolbar), de mapa (Map Toolbar), de objetos (Object Toolbar), y de animación (Animation Toolbar ).

3.2.1. Barra de herramientas estándar

3.2.2. Barra de herramientas mapa

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3.2.3. Barra de herramientas animación La barra de animación contiene controles para crear animaciones del Mapa del Área de Estudio y todos los gráficos de perfil a través del tiempo, es decir, actualiza automáticamente el código de colores del mapa y el perfil de la lámina de agua conforme el tiempo de simulación avanza o retrocede. En la figura adyacente se muestra la barra de animación y la función de sus distintos controles.

3.2.4. Barra de herramientas objeto

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3.3. LA BARRA DE ESTADO

3.4. EL PANEL DE NAVEGACIÓN El panel de navegación, que se ubica al costado izquierdo dentro de la pantalla principal de SWMM 5, contiene dos fichas que pueden ser activadas por separado. Una de ella es la ficha Data, bajo la cual se despliegan las diversas categorías de objetos disponibles en un proyecto de SWMM 5, y los nombres de los objetos individuales pertenecientes a la categoría actualmente seleccionada.

Bajo la otra ficha, llamada Map, se encuentran propiedades que pueden se activadas en el mapa del área de estudio cuando se ha realizado una simulación. Estas propiedades permiten destacar variables de algunos objetos en periodos de tiempo elegidos por el usuario.

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3.5. EL MAPA DEL ÁREA DE ESTUDIO Esta es la mayor ventana de la interfaz gráfica del SWMM y proporciona un plano esquemático de los objetos que componen una cuenca y su sistema de drenaje. Algunas de sus características son: ƒ ƒ

ƒ ƒ ƒ ƒ

La ubicación de los objetos y de las distancias entre ellos no tiene por qué coincidir necesariamente con su escala física. Las propiedades seleccionadas de estos objetos, como puede ser la calidad del agua en los nudos o el caudal en las líneas, pueden ser presentadas siguiendo un código de colores. El código de colores queda descrito en una leyenda, que debe ser presentada y editada. Se pueden añadir nuevos objetos al Mapa, y los ya existentes pueden ser editados, borrados o cambiados de posición. Se pueden utilizar imágenes de fondo (como planos callejeros o mapas topográficos) detrás del Mapa para utilizarlas de referencia. Los nudos y las líneas pueden representarse con distintos tamaños, se pueden representar flechas de dirección del flujo, símbolos de los objetos, etiquetas de los identificativos y los valores numéricos de las distintas variables. El mapa puede ser impreso, copiado al portapapeles de Windows o exportado como un archivo del tipo DXF o un metaarchivo Windows (EMF).

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3.6. LAS VENTANAS DE EDICIÓN DE PROPIEDADES Estas ventanas se activan cuando el usuario desea introducir o editar algunos valores de los parámetros que posee cada objeto. El contenido de cada ventana de edición depende del tipo de objeto que se desee editar; así, una ventana de edición de un conducto presentara una mayor cantidad de casillas a ser completadas que una ventana de edición de un nodo. Para más detalles de esta ventana y otras opciones se puede consultar el manual de usuario o la ayuda en línea del programa.

4. EJEMPLO DE APLICACIÓN Para realizar una modelización hacen falta una serie de pasos de cara a presentar y discretizar de un modo correcto el sistema de drenaje a resolver. Estos pasos son: -

Determinación de las propiedades por defecto de los objetos visuales Esquematización de la red y el área de estudio Edición de las propiedades de los objetos que componen el sistema Elección propiedades de análisis Simulación Presentación de resultados

Este último paso requiere un poco más de detalle por lo que se analizará en el apartado 5 de este tema introductorio.

4.1. DESCRIPCIÓN DEL EJEMPLO El ejemplo consiste en realizar la simulación del sistema de drenaje de la cuenca urbana esquematizada en la figura siguiente:

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N.5 S.1

N.1

S.4 S.2 T.5 T.1

S.3

N.2

T.2 N.3

S.5

S.6 T.3

N.4

T.4 O.1

Esquema de la cuenca ejemplo En la figura anterior se aprecia que la cuenca está zonificada en 5 subcuencas. Cada una de estas cuencas envía la escorrentía a un pozo de registro. En las tablas se presentan las características de las cuencas y pozos de registro que se deben introducir en el modelo. DATOS DE LAS SUBCUENCAS: Nodo de salida N.1 N.2 N.3 N.3 N.4 N.4

Subcuenca S.1 S.2 S.3 S.4 S.5 S.6

Área (ha) 10 8 9 12 6 5

Ancho (m) 500 900 225 240 200 200

Pendiente (%) 2 6 4 5 1 3

Impermeab. (%) 60 75 80 20 75 80

DATOS DE LOS POZOS: POZO P.1 P.2 P.3 P.4 P.6 O.1

Elevación fondo (m) 14.5 13.9 6.9 0.15 7.9 0

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Profundidad máxima (m) 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 Fecha: Marzo 2006

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Otros datos importantes para definir las subcuencas son los coeficientes de rugosidad de Manning. Se adoptará 0.025 para las áreas impermeables y 0.15 para las permeables. El valor de la detracción inicial se ha estimado en 0.7 mm y 2 mm para las áreas impermeables y permeables respectivamente. Por otra parte el porcentaje de área impermeable sin detención supeficial adoptado será de 40%. Para modelizar la infiltración se empleará la ecuación de Horton con los siguientes parámetros característicos: máxima infiltración (75 mm/h), mínima infiltración (25 mm/h), coeficientes de recuperación e infiltración (0.001). La red de drenaje está compuesta por tubos de hormigón, n=0.015, y de sección circular. En la tabla siguiente se presentan sus características. DATOS DE LOS TUBOS Nodo de entrada N.1 N.2 N.3 N.4 N.5

Conducto T.1 T.2 T.3 T.4 T.5

Nodo de salida N.2 N.3 N.4 0.1 N.3

Longitud

D (m)

500 900 225 240 200

0.8 0.8 1.5 1.5 1

La precipitación utilizada en este ejemplo es una lluvia real de un día de duración. En la figura siguiente se ha dibujado el registro de lluvias. Por otra parte, en el nudo P-6 se introduce un caudal constante proveniente de una cuenca aguas arriba de valor 200 L/s. LLUVIA (mm/h) 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5

0: 10 1: 20 2: 30 3: 40 4: 50 6: 00 7: 10 8: 20 9: 30 10 :4 0 11 :5 0 13 :0 0 14 :1 0 15 :2 0 16 :3 0 17 :4 0 18 :5 0 20 :0 0 21 :1 0 22 :2 0 23 :3 0

0

Lluvia de ejemplo

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4.2. OPCIONES Y PROPIEDADES POR DEFECTO Una vez abierto el SWMM vamos a Project>>Defaults para establecer las propiedades por defecto de los identificadores de los elementos, las subcuencas y los conductos. En primer lugar, en la pestaña ID Labels, ajustamos los prefijos de los objetos visuales.

Del mismo modo, se establecen las opciones por defecto para las otras dos pestañas:

4.3. ESQUEMATIZACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO El siguiente paso es dibujar el esquema de la red, con sus subcuencas, nodos y tuberías, en el Study Area Map. Para ello se empleará la barra de herramientas Objetcs toolbar. En primer lugar se dibujarán las subcuencas. Para ello se hace un click en el icono . Luego, dibujamos a estima (no estamos empleando la opción auto-length on) las subcuencas. Se

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seguirá el orden del esquema para que así quede la numeración de la cuencas de un modo correcto. Una vez introducidas las subcuencas, procedemos a insertar los nodos (pozos de registro), . Una vez colocados todos los nodos se colocará el punto de vertido

empleando el icono de la red, el outfall

.

Para completar la esquematización de la red, solo quedan colocar los tubos nodo de aguas arriba al de aguas abajo.

, desde el

El último elemento necesario para poder analizar el sistema de drenaje será el pluviómetro, insertado con el icono

.

Es importante destacar que si bien este método de dibujar objetos es una de las novedades de la versión SWMM 5, esta metodología es sólo una forma de crear un proyecto. Cuando se tienen proyectos que involucran una mayor cantidad de elementos es más conveniente preparar un archivo de entrada externo a SWMM 5. Este archivo externo es un archivo de texto con un formato especial, que describe los elementos del proyecto de una determinada forma. En el apéndice D del manual de usuario de EPA SWMM 5 se encuentra toda la información relativa a esta forma de crear archivos de entrada.

4.4. EDICIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LOS OBJETOS Después de crear el esquema de la red con sus elementos visuales, se deben dotar a éstos con sus propiedades. Para ello, se debe entrar en la ventana de propiedades de cada objeto, bien haciendo doble click con el botón izquierdo del ratón, o seleccionando el objeto en el panel de navegación ( ). En la figura siguiente se observan las propiedades de los objetos S.1 y N.5.

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Por último, es necesario definir la precipitación. Los datos se pueden importar de un fichero de lluvias (en volumen o intensidad) o introucirse a partir de una Time series definida por el usuario. Entrando en Time Series, se crea una nueva y se importan los datos de un fichero de texto (opción Load), se introducen a mano o se pegan de una hoja de cálculo.

4.5. OPCIONES DE ANÁLISIS Y EJECUCIÓN Antes de proceder a ejecutar la simulación se deben especificar algunas opciones de análisis. Para ello, en el panel de navegación lateral se debe seleccionar la opción Options. Para este ejemplo se emplearán las siguientes opciones

Después de introducir todo el ejemplo en SWMM 5, sólo queda realizar la simulación. Para ello basta hacer un click sobre el icono , o bien seleccionando desde el menú principal Project >>Run Simulation. Inmediatamente después de la simulación aparecerá una ventana donde se indica al usuario que la ejecución se ha realizado sin ningún contratiempo. Los errores de continuidad que Autor/es: Jose Anta Álvarez

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aparecen en la ventana son propios de la metodología numérica sobre la que basa SWMM 5, por lo que son esperables siempre. Sin embargo, un error sobre algún nivel poco razonable, por ejemplo 10 %, debería hacer al usuario cuestionar los resultados obtenidos.

Algunas veces la simulación no se lleva a cabo debido a problemas de planteamiento del esquema del problema. Si existiese alguno de estos problemas, SWMM 5 enviaría un mensaje indicando sobre esto, durante la simulación. Estos problemas o errores durante la simulación consisten generalmente en no definición de algún objeto, errores en el esquema del sistema de drenaje, o errores de lectura de archivos.

5. VISUALIZACIÓN DE RESULTADOS Quizás el cambio más importante de SWMM 5 es el formato de la salida de los resultados de una simulación. Esta nueva versión incorpora diversas formas de visualizar los resultados, donde se incluye un informe del estado de la simulación, gráficos, tablas, perfiles longitudinales de la lamina de agua en la red, mapas de objetos, e incluso posibilidad de analizar estadísticamente los resultados. Una primera manera de conocer los resultados de la simulación es a través del Status report , que proporciona un practicó resumen de los resultados de la simulación realizada. Para verlo hay que seleccionar desde el menú principal Report>>Status.

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Otra manera de visualizar resultados es a través de gráficos. Para esto, del menú principal se debe seleccionar Report>>Graph y a continuación el tipo de grafico que se desea. EPA SWMM 5 permite visualizar tres tipos de gráficos: ƒ

gráficos de perfiles longitudinales de la lamina de agua dentro de la red de drenaje (Profile Plot )

ƒ

gráficos de series de tiempo de una variable (Time Series Plots ) Link Flow Link T.1

Link T.2

Link T.3

Link T.4

Flow (CMS)

0.4

0.2

0.0 0

5

10

15

20

25

Elapsed Time (hours)

ƒ

gráficos de dispersión de dos variables (Scatter Plots ).

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Otra forma de visualizar cada uno de estos gráficos es haciendo un click sobre sus respectivos iconos: para crear un Profile Plot, para crear un Time Series Plot, o para crear un Scatter Plot. Para poder exportar los resultados a otro formato se pueden emplear la visualización de datos por tablas (Report>>Table). Existen dos tipos de tabla, By object, es un tipo de tabla en el que se pueden visualizar las propiedades de un objeto, y By variable, en este tipo de tabla se pueden comparar variables (p.ej. caudales por varios tubos de la red). EPA SWMM 5 incorpora una nueva forma de visualizar los resultados sobre el área del mapa de estudio, similar a la de EPANET. Esta nueva forma de visualización consiste en mostrar a través de un código de colores, los diferentes rangos de valores que alcanza una determinada variable en un determinado instante de tiempo de la simulación. Para activar esta forma de visualización hay que seleccionar la ficha Map del panel de búsqueda, luego para cada objeto elegir la variable a ser visualizada, y por ultimo elegir el instante de visualización, moviendo el cursor bajo la barra Time. 01/01/2007 20:25:00

N.5 S.1

N.1

S.4 S.2 T.5 T.1

S.3

N.2

Subcatch Area

T.2

PL1

N.3

4.00 8.00 12.00

S.5

16.00 ha

Link Flow

S.6 T.3

0.10 0.20

N.4

0.30 0.40 CMS

T.4 O.1

Finalmente, EPA SWMM 5 permite al usuario ver un informe estadístico de las series de tiempo de los resultados obtenidos. Este reporte es especialmente útil para simulaciones que involucran largos períodos de simulación, donde se tienen tiempos de simulación del orden de meses o años.

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6. BIBLIOGRAFÍA Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental (2006). Programa Flumen. Curso de Rehabilitación de redes de alcantarillado con SWMM 5, 1ª edición. Universitat Politécnica de Catalunya, Barcelona. Rossman, L.A. (2005). Storm Water Management Model Quality Assurance Report: Dynamic Wave Flow Routing. National Risk Management Research Laboratory, U.S. EPA. Rossman, L.A. (2005). Storm Water Management Model User’s Manual Version 5.0. National Risk Management Research Laboratory, U.S. EPA.

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