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III Jornadas de Ingeniería del Agua La protección contra los riesgos hídricos

© Marcombo S.A., Barcelona, ISBN XXX-X-XXX-XXXXX-X

Estudio de la peligrosidad por inundaciones en el Raval

(Barcelona) mediante modelo 1D-2D

Beniamino Russo Escuela Politécnica de La Almunia (EUPLA), Universidad de Zaragoza

Calle Mayor, s/n, 50100, La Almunia de Doña Godina, Zaragoza

David Suñer Clavegueram de Barcelona S.A. CLABSA

Calle Acer nº 16, 08038 Barcelona

Marc Velasco CETaqua, Centro Tecnológico del Agua

Carretera d’Esplugues 75, 08940 Cornellà de Llobregat, Barcelona

1. Introducción

Barcelona goza de un clima típicamente mediterráneo caracterizado por una precipitación

anual acumulada es de 600 mm, pero con intensidades muy elevadas (la intensidad cinco

minutal para periodo de retorno de 10 años es superior a 200 mm/h). La morfología de la

ciudad presenta zonas en la parte alta de la ciudad con pendientes muy elevadas y zonas

llanas cerca de la costa. La combinación de episodios de lluvias intensas con una morfología

hidrológicamente tan adversa hace que el drenaje de la ciudad tenga una especial relevancia

con zonas y puntos críticos en la parte baja de la ciudad. A raíz de esa problemática, en 1992

se fundó la empresa CLABSA (Clavegueram de Barcelona S.A.) para la modernización de la

gestión del sistema de drenaje de la ciudad que se ha ido mejorando de forma considerable

gracias a tres pilares básicos: el uso de modelos hidráulicos, la construcción de nuevas

infraestructuras y la gestión en tiempo real. Aún así, a pesar de estas mejoras, existen

todavía puntos de la ciudad que presentan riesgos de inundaciones.

En el marco de dos proyectos europeos de I+D+i, CORFU y PREPARED, se ha estudiado en

detalle una de las zonas más problemáticas de la ciudad, la zona del Paralelo - Raval. Esta

zona con aproximadamente 50.000 habitantes en un área de 1.1 Km2 es una de las zonas

más densamente pobladas de Europa con una fuerte tase de superficie impermeable y

numerosos elementos vulnerables (escuelas, hospitales, calles con elevado tráfico vehicular

y peatonal, etc.). Además, en esta zona, los modelos de alcantarillado tradicionales 1D son

incapaces de reproducir correctamente la problemática de las inundaciones puesto que las

mismas se deben principalmente al flujo superficial procedente de las cuencas situadas

aguas arriba. Por esa razón uno de los objetivos del caso de estudio fue desarrollar un

modelo 1D/2D donde se representase el flujo unidimensional de la red de alcantarillado a la

vez que el flujo bidimensional de la escorrentía superficial.

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2. Metodología

2.1 Aspectos generales para la creación de un modelo urbano 1D-2D

Actualmente la creación de un modelo acoplado 1D/2D es la manera más adecuada y más

realista para analizar el comportamiento hidráulico de las zonas urbanas que sufren

problemas de inundaciones. El modelo 2D se usa para el análisis del comportamiento

hidráulico superficial formado por calles, aceras, plazas, etc. y el modelo 1D simula el

comportamiento hidraúlico de la red de alcantarillado. Para asegurar unos buenos

resultados no es suficiente con disponer de un software y un hardware tecnológicamente

avanzados sino que deben considerarse cuidadosamente otros aspectos como:

Disponer de información topográfica detallada capaz de reproducir la compleja

morfología urbana.

Una metodología capaz de tener en cuenta el intercambio real de flujo entre la

red superficial de calles y la red subterránea del alcantarillado.

Datos necesarios de lluvia, niveles – caudales y datos operacionales (movimientos

de compuertas, bombeos, gestión de depósitos, etc.) para ajustar y calibrar

correctamente el modelo.

Todos estos aspectos fueron considerados durante la creación del modelo 1D/2D de la

zona del Raval (Barcelona). El software usado fue la versión 3.5 de Infoworks Integrated

Catchment Modelling (a continuación ICM) de la empresa Innovyze.

2.2 Información de topografía

Las zonas urbanas presentan una topografía muy compleja debido a la presencia de

elementos tales como edificios, calles, aceras, etc. Durante un episodio de lluvia, en

general, la escorrentía que se produce en los tejados entra directamente a la red de

alcantarillado a través de los bajantes de los edificios, mientras la escorrentía que se

genera en las calles, las plazas y los parques circula a través de estas superficies hasta

encontrar algún sumidero a través del cual se incorpora a la red de alcantarillado. Este

flujo superficial en zonas urbanas presenta, generalmente, bajos calados (15-20 cm) y

velocidades elevadas (3-4 m/s). En estas condiciones es crucial disponer de un modelo

digital del terreno (MDT) de alta resolución. Para este estudio se usó un MDT del Institut

Cartogràfic de Catalunya con una resolución de 1m2 y una precisión altimétrica de 15 cm.

2.3 Caracterización del flujo superficial

Otra de las claves para el desarrollo de un buen modelo de flujo dual 1D/2D es tener bien

caracterizado el intercambio de flujo entre las dos capas de drenaje a través tanto de los

pozos y de los sumideros.

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Figura 1. Interacción entre el flujo superficial y el flujo del alcantarillado (Schmitt et al.2004)

Para conseguirlo, se usaron las ecuaciones desarrolladas por Gomez y Russo (2009; 2011) aplicándolas a cada uno de los sumideros del Distrito del Raval (más de 2600 sumideros de 50 tipologías diferentes). Estas 50 tipologías se clasificaron en 8 grupos cada uno representado por una reja tipo previamente analizada por Gomez y Russo (2011) y se comparó la eficiencia de estas en relación con la reja más habitual de la ciudad (Reja tipo Barcelona 1). Así para cada subtramo de calle se obtuvo un número equivalente de rejas tipo Barcelona 1 cuyo comportamiento hidráulico fuese igual al número real de rejas de diferentes tipologías existentes en el tramo de calle considerado.

Figura 2. Tipo de rejas consideradas en el modelo del Raval. La reja tipo Barcelona 1 es la marcada

en rojo.

2.4 Creación del modelo acoplado 1D-2D

Como se ha dicho anteriormente, la manera más adecuada de modelizar la complejidad

de los procesos hidrológicos e hidráulicos que se producen en la ciudad es a través de

modelos 1D/2D acoplados.

A pesar de que el objetivo del caso de estudio fuera la estimación de la peligrosidad en la

zona del Raval (casco antiguo de Barcelona), con el fin considerar todo el flujo superficial y

del alcantarillado que puede alcanzar esta zona se ha tenido que considerar una zona

mucho más extensa situada aguas arriba del mismo Raval. Por esa razón el modelo final

representa un área de 44 Km2 con 3625 nodos, 234 Km de longitud de red y 6 depósitos

de uso mixto con una capacidad total de 170.000 m3.

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Figura 3. Vista general del modelo finalmente usado en el caso de estudio. En rosa se representan las

zonas permeables de la zona estudiada. En el círculo rojo la zona del Raval con alta densidad de red.

Una malla 2D cubre todo el ámbito del modelo con 403.925 triángulos. Los parques y otras

zonas verdes se han representado en la misma malla 2D pero como “zonas de infiltración”

caracterizadas a través de específicos parámetros hidrológicos, mientras que los edificios

se han representado como áreas vacías por lo que se refiere a la capa superficial. Sin

embargo la escorrentía generada en estas superficies se ha conectado directamente a la

red de alcantarillado.

El software ICM concentra el intercambio de flujo entre el modelo 2D superficial y el 1D

del alcantarillado a través de los nodos. Estos pueden ser de dos tipos:

2D: El intercambio de agua entre entre el pozo 2D y la malla se calcula usando

ecuaciones de aliviadero considerando la cota de aliviadero como la del terreno y

la longitud del labio como el perímetro del pozo.

Gully 2D: Para estos nodos, la relación de intercambio se hace a través de una

relación nivel / caudal específica introducida de forma manual en el modelo.

Los nodos situados fuera del distrito del Raval, se definieron como nodos de tipo 2D por

tratarse de modelo simplificado (solo con red principal) y donde no se entró en el detalle

de modelizar el número y el tipo de sumideros de cada zona. Por el contrario, los nodos

situados dentro del distrito del Raval se modelizaron como nodos Gully 2D. Así para cada

nodo se calculó su microcuenca asociada, se cuantificó el número y tipo de sumideros

existentes en cada microcuenca, se les asoció un número de rejas del tipo Barcelona1

equivalentes y finalmente se introdujo este valor junto con la curva nivel caudal calculada

según la metodología anterior (Gómez y Russo, 2011) para las rejas de tipo Barcelona 1.

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Figura 4. Microcuencas de la zona del Raval y ejemplo de curva nivel/caudal para nodos Gully 2D.

2.5 Calibración y validación del modelo

Debido a los cambios recientes que se han producido en la red de drenaje (con nuevos

colectores y depósitos de uso mixto que pasaron a ser operativos los últimos años), los

episodios de lluvia seleccionados para la calibración del modelo fueron todos del año

2011. Tres episodios se utilizaron para la calibración (episodios del 15/3/2011 con

precipitación total de 54.1 mm, episodio del 7/6/2011 con precipitación total de 26.8 mm,

episodio del 19/7/2011 con precipitación total de 45.9 mm) y para la validación el del

30/07/2011 (precipitación total de 30.4 mm). Para estos episodios se compararon tanto

datos de sensores de nivel en colectores como niveles de inundación en la calle (Figura 5).

Figura 5. Ejemplos de resultados del proceso de calibración y validación del modelo. En la parte alta

de la figura resultado de la calibración en los colectores del Paralelo para los eventos del 19 y 30 de

julio 2011. En la parte baja de la figura, validación del flujo superficial en la Calle de Sant Pau.

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3. Resultados

A través del modelo acoplado 1D/2D, se han generado mapas de peligrosidad para el

escenario actual y un escenario de cambio climático para el horizonte de 2050 y un

escenario de emisión crítico (A1B). Este escenario se caracteriza por un aumento de la

lluvia de diseño del 8, 12 y 15% para los periodos de retorno de 1, 10 y 100 años

respectivamente (Rodríguez et al., 2013). En el marco del caso de estudio se han analizado

los tres períodos de retorno descritos, aunque en este artículo se presentan sólo los

resultados referentes a 10 años de periodo de retorno.

3.1 Análisis de la peligrosidad para peatones

Aplicando los resultados del modelo para una lluvia sintética con periodo de retorno T= 10

años al escenario actual y futuro, y aplicando unos criterios de peligrosidad específicos

para la estabilidad del peatón en calles urbanas durante episodios extremos de lluvia

(Figura 6) (Russo et al., 2013), se ha obtenido que, por efecto del cambio climático, el área

que presenta alta peligrosidad para peatones pasa del 19% al 26% del total.

Figura 6. A la izquierda criterios de peligrosidad para peatones aplicados en Barcelona. A la derecha

comparativa entre el escenario actual y el escenario futuro con cambio climático. En rojo, amarillo y

verde se representan las zonas con peligrosidad alta, moderada y baja respectivamente.

3.2 Análisis de la peligrosidad para vehículos

Siguiendo la misma metodología pero aplicando criterios de peligrosidad específicos para

vehículos (Shand et al., 2011), se ha podido concluir que no hay variaciones significativas,

en términos de superficies afectadas por peligrosidad alta, debido al efecto del cambio

climático para el periodo de retorno considerado. Sin embargo las diferencias son más

significativas para periodos de retorno altos.

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Figura 7. A la izquierda criterios de peligrosidad para vehículos aplicados en Barcelona. A la derecha

comparativa entre el escenario actual y el escenario futuro con cambio climático. En rojo, amarillo y

verde se representan las zonas con peligrosidad alta, moderada y baja respectivamente.

3.2 Análisis del riesgo para bienes

El riesgo por inundación asociado a las propiedades y los bienes se ha obtenido a partir de

niveles de inundación en los edificios y cruzando esta información con curvas de daños

especialmente creadas en el proyecto según la tipología de edificio y su contenido

(comercial, residencial, hoteles, etc.) y actualizadas para el horizonte 2050 con específicas

hipótesis de crecimiento socioeconómico. En este análisis comparativo si se puede

visualizar el impacto muy significativo que el cambio climático puede tener en los costes

asociados a inundaciones en el Raval, pasando los mismos costes de 1.6 M€ a 8.3 M€.

Figura 8. A la izquierda curva de daños para diferentes tipologías de edificio. A la derecha

comparativa entre el escenario actual y el escenario futuro con cambio climático.

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4. Conclusiones

En el marco de dos proyectos europeos (CORFU y PREPARED) se ha creado un modelo

acoplado 1D/2D en el distrito del Raval de Barcelona que permita la estimación local del

flujo en superficie durante inundaciones producidas por eventos de lluvias extremos.

Esta información se ha utilizado para la creación de mapas de peligrosidad para el flujo

vehicular y peatonal. A través de estudios específicos relativos a los efectos del cambio

climático sobre la pluviometría de Barcelona, se ha analizado la evolución de estos mapas

para el horizonte 2050 y diferentes periodos de retorno (T = 1, 10, 100 años).

Finalmente se han generado mapas de daños para el escenario actual y un escenario

futuro a partir de la creación de curvas de daños sintéticas y escenarios socioeconómicos

aplicados a la ciudad de Barcelona.

5. Agradecimientos

Los resultados presentados se enmarcan dentro de dos proyectos europeos financiados

por la Comisión Europea a través del 7º PM:

Proyecto CORFU (Collaborative research on flood resilience in urban areas).

Proyecto PREPARED (PREPARED enabling changes)

Los autores agradecen también el apoyo del personal de Innovyze por el apoyo brindado

durante la realización del trabajo.

Referencias

Gómez M. and Russo B. (2011). Methodology to estimate hydraulic efficiency of drain inlets.

Proceedings of the ICE-Water Management. Institution of Civil Engineers, 164(2), 81-90.

Innovyze (2012). InfoWorks ICM (Integrated Catchment Modeling) v.3.5. User manual

references.

Rodríguez, R., Navarro, X., Casas, M.C., Ribalaygua, J., Russo, B., Pouget, L., Redaño, A. 2013.

Influence of climate change on IDF curves for the metropolitan area of Barcelona

(Spain). International Journal of Climatology.

Russo B., Gómez M, Macchione M. (2013). Pedestrian hazard criteria for flooded urban areas.

Natural Hazards. Springer. DOI 10.1007/s11069-013-0702-2.

Shand T. D., Cox R. C., Blacka M. J., Smith G. B. 2011. Appropriate Safety Criteria for Vehicles.

Literature Review. Stage 2 Report, Australian rainfall and runoff Project 10. Engineering

Australia, Water Engineering.

Schmitt, T. G., Thomas, M., and Ettrich N. (2004). Analysis and modeling of flooding in urban

drainage systems. Journal of Hydrology, 299(3-4), 300-311.