UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADORFACULTAD DE INGENIERA, CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICASCARRERA DE INGENIERA CIVILE.D.A.P.AL.

NOMBRE: OTAVALO ALBA JOS HOMERO

SEMESTRE: NOVENO PRIMERO

TEMA: MODELACIN DE SISTEMAS DE DREANAJE URBANO

PROFESOR: DIEGO PAREDES MSc.

FECHA: 03/07/14

Contenido1.Procesos fsicos que intervienen en la modelacin de SDU.31.1.ESCORRENTIA SUPERFICIAL31.2.INFILTRACIN31.3.AGUAS SUBTERRNEAS41.4.DESHIELO DE NIEVES51.5.COMPORTAMIENTO HIDRULICO DEL SISTEMA51.6.INUNDACIONES EN LA SUPERFICIE DEL TERRENO51.7.COMPORTAMIENTO Y EVOLUCIN DE LA CALIDAD DEL AGUA52.Ecuaciones usadas por los modelos de SDU62.1.El Stormwater Management Model (modelo de gestin de aguas pluviales) de la EPA (SWMM)63.Anlisis numrico para solucionar estas ecuaciones73.1.El Stormwater Management Model (modelo de gestin de aguas pluviales) de la EPA (SWMM)74.informacin de entrada necesaria para construir los modelos y las condiciones de frontera84.1.El Stormwater Management Model (modelo de gestin de aguas pluviales) de la EPA (SWMM)84.1.1.Datos meteorolgicos84.1.2.Caractersticas de las subcuencas.84.1.3.Caractersticas de los canales de drenaje.84.1.4.Otros parmetros.85.Tipo de informacin para calibrar el modelo95.1.El Stormwater Management Model (modelo de gestin de aguas pluviales) de la EPA (SWMM)96.Tipo de informacin para Validacion del modelo97.Modelos comerciales y libres de SDU107.1.MOUSE -Ecuaciones completas de Saint Venant107.2.MODELO CITY DRAIN118.CONCLUSIONES12Bibliografa13

1. Procesos fsicos que intervienen en la modelacin de SDU.

1.1. ESCORRENTIA SUPERFICIAL Cada de una de las cuencas se trata como un depsito no lineal. Los aportes de caudal provienen de los diferentes tipos de precipitacin (lluvia, nieve) y de cualquier otra cuenca situada aguas arriba. Existen diferentes caudales de salida tales como la infiltracin, la evaporacin y la escorrenta superficial.

Figura 1.1. Visin Conceptual del fenmeno de la escorrenta en SWMM.La escorrenta superficial por unidad de rea, Q, se produce nicamente cuando la profundidad del agua en este depsito excede el valor mximo de almacenamiento en depresin, dp, en cuyo caso el caudal de salida se obtiene por aplicacin de la ecuacin de Manning.1.2. INFILTRACINLa infiltracin es el fenmeno por el cual el agua de lluvia penetra la superficie del terreno de los suelos no saturados de las reas permeables de la cuenca. SWMM permite seleccionar tres modelos diferentes de infiltracin: La ecuacin de Horton. El mtodo Green-Ampt El mtodo del Nmero de Curva

1.3. AGUAS SUBTERRNEASEn la figura 1.2 se muestra el esquema del modelo de aguas subterrneas de dos zonas utilizado por SWMM. La parte superior es una zona no saturada en la cual existe un contenido de mezcla variable de valor . La parte inferior se encuentra completamente saturada y por ello su contenido de mezcla es fijo para una determinada porosidad del suelo . Los diferentes flujos mostrados en la figura 1.2 son los siguientes:

Figura 1.2. Modelo de aguas subterrneas de dos zonas.1.4. DESHIELO DE NIEVES El clculo del deshielo de nieve en SWMM forma parte del proceso de modelacin de la escorrenta. Para ello se actualiza el estado del mdulo de nieve asociado con cada cuenca mediante la contabilizacin de la acumulacin de nieve experimentada, la nueva redistribucin de nieve derivada de la reduccin de rea de nieve y de las operaciones de eliminado de la misma, y los fenmenos de deshielo mediante balances trmicos. Cualquiera de los flujos de agua de salida del mdulo de nieve se considera como entradas de lluvia adicional de la cuenca a la que se encuentra asociada.1.5. COMPORTAMIENTO HIDRULICO DEL SISTEMAEl transporte de agua por el interior de cualquiera de los conductos representados en SWMM est gobernado por las ecuaciones de conservacin de la masa y de la cantidad de movimiento tanto para el flujo gradualmente variado como para el flujo transitorio.Modelos hidrulicos de transporte: El flujo uniforme La Onda Cinemtica. La Onda Dinmica.

1.6. INUNDACIONES EN LA SUPERFICIE DEL TERRENO

Generalmente, en los modelos de transporte, cuando el caudal en uno de los pozos de registro del sistema excede la capacidad mxima del sistema de transporte situado aguas abajo, se produce un exceso de caudal en el sistema que generalmente se pierde. Una opcin que representa el programa consiste en almacenar este exceso de volumen en la parte superior del nudo, en forma de un almacenamiento o estancamiento del agua, de forma que entra de nuevo en el sistema de saneamiento cuando la capacidad del sistema lo permite.1.7. COMPORTAMIENTO Y EVOLUCIN DE LA CALIDAD DEL AGUAEl modelo de la calidad del agua en el interior de los conductos asume que ste se comporta como un tanque de mezcla completa. Aunque la consideracin de un reactor de flujo en pistn pueda parecer una suposicin ms realista, las diferencias entre ambos modelos son pequeos si los tiempos de viaje del agua a lo largo del conducto son del mismo orden de magnitud que el incremento de tiempo del modelo hidrulico de transporte. La concentracin de un determinado constituyente en el extremo final de un conducto en un determinado instante de tiempo se obtiene mediante la integracin de la ecuacin de conservacin de la masa, utilizando valores medios para las magnitudes que varan a lo largo del tiempo, tales como el caudal y el volumen de agua en el conducto.

2. Ecuaciones usadas por los modelos de SDU

2.1. El Stormwater Management Model (modelo de gestin de aguas pluviales) de la EPA (SWMM)Es un modelo dinmico de simulacin de precipitaciones, que se puede utilizar para un nico acontecimiento o para realizar una simulacin continua en periodo extendido. Este modelo utiliza el programa EPA (SWMM) que permite simular tanto la cantidad como la calidad del agua evacuada, especialmente en alcantarillados urbanos.

MDULO RUNOFF

Este mdulo tiene por funcin simular los fenmenos de transformacin lluvia escorrenta de una cuenca y la entrada de hidrogramas en la red de drenaje. Para ello, la cuenca se divide en un nmero determinado de subcuencas, cada una de las cuales genera su propia escorrenta que acaba introduciendo a la red por un determinado punto o nodo de entrada, que equivale a un imbornal en la mayora de casos. Los clculos de la escorrenta estn basados en un modelo de depsitos modificado con la onda cinemtica. El modelo divide cada subcuenca en una zona permeable sin retencin superficial, otra impermeable sin retencin y una ltima zona permeable con retencin, en funcin de los porcentajes de impermeabilidad y de retencin introducidos. La escorrenta es generada aproximando el funcionamiento de cada una de estas zonas a un depsito no lineal esquematizado en la Figura 1.

Figura 1. Esquema de clculo del mdulo RUNOFF de SWMM (en unidades americanas). Fuente: (Huber & Dickinson, 1992).

El caudal de salida responde a la siguiente ecuacin:

ECUACIN 2.1Donde: Q: caudal de salida de la subcuenca, [m3/s]. W: ancho de la subcuenca, [m]. n: coeficiente de rugosidad de Manning. P: profundidad del agua, [m]. Pp: profundidad de retencin superficial, [m]. S: pendiente.

3. Anlisis numrico para solucionar estas ecuaciones

3.1. El Stormwater Management Model (modelo de gestin de aguas pluviales) de la EPA (SWMM)

ECUACIN 2.1

La ecuacin del depsito no lineal se establece resolviendo el sistema de ecuaciones que constituyen la ecuacin de continuidad y la ecuacin de Manning. La continuidad para cada subcuenca es:

ECUACIN 3.1

Donde: V: volumen de agua en la subcuenca (V=Ap), [m3]. p: profundidad del agua o calado, [m]. t: tiempo, [s]. A: superficie de la subcuenca, [m2]. i: lluvia neta (precipitacin menos infiltracin y evaporacin), [m/s]. Q: caudal de salida de la subcuenca segn [2.1], [m3/s].

Las dos ecuaciones anteriores se combinan para dar lugar a la ecuacin diferencial, no lineal, para el calado:

ECUACIN 3.2

Esta ecuacin se resuelve mediante un esquema en diferencias finitas de Newton-Raphson, para cada incremento de tiempo. Por este motivo, es conveniente evitar divisiones de la cuenca de estudio en subcuencas de pocos metros cuadrados y con incrementos de tiempo largos (varios minutos), para prevenir problemas de convergencia del esquema.

4. informacin de entrada necesaria para construir los modelos y las condiciones de frontera4.1. El Stormwater Management Model (modelo de gestin de aguas pluviales) de la EPA (SWMM)

Los datos de entrada (inputs) requeridos por el mdulo RUNOFF son:

4.1.1. Datos meteorolgicos. Descripcin del evento (o eventos) de lluvia; por ejemplo, mediante datos de intensidades de lluvia en intervalos fijados de tiempo y duracin total (hietograma). Tambin podran introducirse espesores y caractersticas de la capa de nieve.4.1.2. Caractersticas de las subcuencas. Debe introducirse la siguiente informacin: Asignacin de un hietograma (evento de lluvia) a cada subcuenca. Nmero de identificacin de la subcuenca. Identificacin del lugar por donde drena la subcuenca, que puede ser un sumidero (nodo de entrada a la red de drenaje) o un canal en superficie. Los sumideros pueden ser compartidos por varias subcuencas. Ancho de la subcuenca. rea de la subcuenca. Pendiente media de la subcuenca. Coeficiente de rugosidad de Manning de las zonas permeables e impermeables. Volumen de almacenamiento o retencin en la zona permeable e impermeable. Parmetros de infiltracin, segn la ecuacin de Horton (aunque tambin es posible usar la formulacin de Green-Ampt):

4.1.3. Caractersticas de los canales de drenaje. Son los canales por los que cada subcuenca puede conducir su escorrenta, en vez de enviarlos directamente a un sumidero. Suelen corresponder a las propias calles y vas de comunicacin de la cuenca y quedar delimitados por sus bordillos, por ejemplo. Estos canales pueden atravesar varias subcuencas, pero acabando siempre en un Estudio de la vulnerabilidad de una red de drenaje mediante el mtodo de Monte Carlo Modelo de simulacin SWMM 41 sumidero que de entrada a la red. En este caso, el sumidero podra corresponder a un imbornal de grandes dimensiones (interceptores transversales, por ejemplo). Requieren de la definicin de los siguientes parmetros (siempre que la cuenca no drene directamente a un punto de entrada): Nmero de identificacin. Identificacin del siguiente canal o sumidero al que drena el canal. Forma, que puede ser trapezoidal, circular, parablica y contener un azud o un orificio de salida, y los parmetros que la definen. Coeficiente de rugosidad de Manning de los canales. Calado mximo admisible en el canal y calado inicial.

4.1.4. Otros parmetros. Se puede ajustar el intervalo de tiempo de la discretizacin numrica, as como la duracin total de la simulacin, sistema de unidades, etc.

5. Tipo de informacin para calibrar el modelo

Todos los modelos deben ser calibrados para la solucin de problemas prcticos. La calibracin se entiende como la estimacin de los valores del modelo parmetros que son necesarios para que los resultados del modelo se ajusten adecuadamente al comportamiento del sistema real que se est representando.5.1. El Stormwater Management Model (modelo de gestin de aguas pluviales) de la EPA (SWMM)SWMM permite comparar los resultados obtenidos en una simulacin con mediciones tomadas en campo en sus grficos de evolucin temporal para que SWMM pueda utilizar dichos datos de calibracin. Escorrenta superficial en una subcuenca Arrastre de contaminantes en una subcuenca Nivel de agua en un nudo. Caudal entrante en un nudo Calidad del agua en un nudo Caudal en una lnea

6. Tipo de informacin para Validacion del modelo

La validacin es la etapa en la que se comprueba o verifica el adecuado funcionamiento del modelo con una serie de observaciones no utilizadas en la calibracin, basado en los parmetros del modelo resultado de la calibracin. Durante la etapa de validacin se puede evaluar o cuantificar de diferente manera la prediccin del modelo. Clemens (2001) propone diferentes esquemas de validacin del modelo:a) El primer esquema que se puede realizar es una validacin en su sentido tradicional, probando el modelo con datos no empleados en la etapa de calibracin, b) Luego se puede realizar una validacin del modelo con una cuenca hidrolgicamente similar para probar la capacidad del modelo para predecir el comportamiento,c) Tambin es posible realizar la validacin con perodos diferentes de datos con caractersticas hidrolgicas diferentes (por ejemplo perodos hmedos y perodos de sequa),d) Finalmente la validacin del modelo con diferentes perodos en cuencas hidrolgicamente similares combinado as los esquemas b y c. Para realizar todo ejercicio de validaciones, el factor determinante es la informacin disponible con la que se cuente.Una red vlida para el sistema de transporte tiene que obedecer a las siguientes condiciones: Los enlaces deben ser orientados de modo que no exista ningn lazo cerrado en la red. Un nudo de desembocadura tan solo podr tener un acoplamiento conectado a l. Un nudo divisor de flujo tiene que tener exactamente dos salidas de flujo. Bajo flujo uniforme o de onda cinemtica, un nudo de nudo solo puede tener una salida, un enlace conducto no puede ser la lnea de salida de un nudo de almacenaje, y un enlace de regulacin no puede ser la lnea de salida de un nudo sin almacenaje.

7. Modelos comerciales y libres de SDU7.1. MOUSE -Ecuaciones completas de Saint VenantEs un sistema avanzado, potente y completo de modelizacin de escorrenta superficial, flujo en canales abiertos, flujo en tuberas, calidad de agua y transporte de sedimentos para sistemas de drenaje urbano y sistemas de colectores de agua de lluvia y sanitarios (DHI, 2002 a). Generacin Igual que con SWMM, el modelo admite la introduccin de los datos de lluvia mediante series temporales de datos, asignadas espacialmente en funcin de su disponibilidad. Para simulaciones a largo plazo, MOUSE dispone de un mdulo llamado MOUSE Rainfall Dependent Infiltration que proporciona un soporte para modelizar todos los componentes de la fase hidrolgica terrestre, diferenciando cuatro tipos diferentes de almacenamiento, nieve, superficie, zona de races y agua subterrnea, teniendo en cuenta para ello la temperatura y la evapotranspiracin de la zona. Para simular la generacin de contaminantes, se utiliza el mdulo MOUSE Surface Runoff Quality, que permite simular los procesos de acumulacin y eliminacin durante el primer lavado, su transporte en superficie y la acumulacin y eliminacin mediante lavado de contaminantes disueltos en depresiones y depsitos o cmaras de amortiguacin.

Coleccin El mdulo MOUSE Surface Runoff incluye cinco tipos de clculo de la escorrenta superficial: Mtodo tiempo-rea Onda cinemtica o embalse no lineal, que es el utilizado por SWMM Mtodo del embalse lineal (utilizado en Pases Bajos) Mtodo del embalse lineal (utilizado en Francia) Mtodo del Hidrograma Unitario Esta variedad nos permitir que escojamos un modelo u otro en funcin de la disponibilidad de datos sobre las caractersticas de las cuencas. Igual que en SWMM, los hidrogramas calculados se utilizan como entrada a la red de conductos. MOUSE es uno de los programas de modelizacin de sistemas de alcantarillado ms potentes y con mejores herramientas de diagnstico que existen hoy en da. Veamos cuales son las ventajas principales con respecto a SWMM, para que a la hora de tomar una decisin sobre el modelo que se debe adoptar, el modelizador tenga elementos suficientes para juzgar si es necesario desembolsar el coste de la licencia de MOUSE, o, si por el contrario, para simular el comportamiento del sistema es suficiente utilizar el modelo de difusin gratuita SWMM. 7.2. El Stormwater Management Model (modelo de gestin de aguas pluviales) de la EPA (SWMM) Es un modelo dinmico de simulacin de precipitaciones, que se puede utilizar para un nico acontecimiento o para realizar una simulacin continua en periodo extendido. El programa permite simular tanto la cantidad como la calidad del agua evacuada, especialmente en alcantarillados urbanos. El mdulo de escorrenta de SWMM funciona con una serie de subcuencas en las cuales cae el agua de lluvia y se genera la escorrenta. El mdulo de transporte de SWMM analiza el recorrido de estas aguas a travs de un sistema compuesto por tuberas, canales, dispositivos de almacenamiento y tratamiento, bombas y elementos reguladores. Asimismo, SWMM es capaz de seguir la evolucin de la cantidad y la calidad del agua de escorrenta de cada subcuenca, as como el caudal, el nivel de agua en los pozos o la calidad del agua en cada tubera y canal durante una simulacin compuesta por mltiples intervalos de tiempo.

7.3. MODELO CITY DRAIN Utiliza la tcnica de programacin iconogrfica soportada por la plataforma de simulacin dinmica de sistemas SIMULINK de Matlab. En esta plataforma se implementan modelos basados en ecuaciones diferenciales acopladas bloques diseados para modelar, simular y analizar sistemas dinmicos. En este sentido, CITY DRAIN contiene una serie de bloques programados para realizar una rutina especfica dentro del sistema de drenaje, que al ser conectados apropiadamente, representan un sistema de drenaje integrado (alcantarillado PTAR cuerpo receptor). A continuacin se presentan algunos de los bloques disponibles en CITY DRAIN. BLOQUES PARA LECTURA DE DATOS

CITY DRAIN contiene bloques para la lectura de datos de caudal, concentraciones de contaminantes y datos de lluvia en la librera SOURCE. El modelo soporta dos tipos de formatos para los datos de lluvia, mse e ixx, usados por el National Service Weather MeteoSwiss y el Austrian Hydrographic Service, respectivamente.

BLOQUES PARA SIMULAR CUENCAS

En CITY DRAIN se pueden simular dos tipos de cuencas. Las cuencas con sistemas de alcantarillado combinados (CSS) y con sistemas de alcantarillado separados (SSS).

BLOQUES PARA SIMULAR PLANTAS DE TRATAMIENTO

Los bloques para simular la operacin de las plantas de tratamiento librera WASTE WATER TREATMENT tienen dos enfoques. El enfoque simple (bloque WWTP simple) donde se introduce el coeficiente de remocin de la planta y las concentraciones lmite permitidas para cada tipo de contaminante, y se asume que la planta cumple con los estndares de emisin, y el enfoque dinmico (bloque ASM WWTP), que est diseado para considerar tratamiento biolgico, as como tratamiento primario y secundario. BLOQUES PARA SIMULAR ROS

Los modelos contenidos en la librera RIVER para simular el comportamiento en los ros emplean la hidrulica descrita por el mtodo de trnsito de Muskingum simplificado. Tambin contiene un bloque para representar hidroelctricas y permite simular los efectos de una presa. La teora completa empleada en este bloque puede encontrarse en Achleitner, (2006).

8. CONCLUSIONES La visin tradicional de los sistemas de drenaje urbano ha demostrado ser ineficiente e insostenible en trminos econmicos y ambientales, por tanto en nuestro pas necesitamos realizar investigaciones a profundidad con las mejores herramientas tecnolgicas disponibles por el momento de esta forma tener informacin para tomar decisiones cuando se presente una problemtica en los sistemas de drenaje urbano (SDU).

Los modelacin y el manejo de SDU, debe ser integrada de tal forma que sepamos el funcionamiento global del SDU (cuenca planta de tratamiento- cuerpo receptor), esto nos significara varias ventajas tanto tcnicas como econmicas.

Existen varios modelos de gran precisin disponibles en el mercado siendo la posibilidad econmica como principal factor para su adquisicin, luego es la falta de personal calificado para su manipulacin correcta, por tanto los profesionales en este caso los Ingenieros Civiles deben capacitarse para tener un buen manejo de los SDU.

Los modelos tienen fases que deben seguir cualquiera que sea el tipo estos son:1. Recopilacin y Anlisis de la informacin de Campo y Laboratorio.2. Incorporacin de datos y parmetros a calibrar al modelo.3. Implementacin de la Metodologa de Calibracin.4. Validacin.5. Anlisis de Resultados6. Ajuste y refinacin de la Metodologa.7. Aplicacin. Todas las fases antes mencionadas deben ser lo ms cercanas a la realidad pes de esto depende la validacin de nuestro modelo.

Bibliografa

file:///C:/Users/USUARIO/Downloads/1400-4556-1-SM.pdfhttp://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/3292/21/53984-9.pdf.txtTESIS DE MAESTRA EN RECURSOS HIDRULICOS, METODOLOGA PARA MODELAR EL SISTEMA DE DRENAJE INCORPORANDO LOS PROCESOS DE ACUMULACIN Y LAVADO EN UNACUENCA URBANA. CAMPUS UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA -SEDE BOGOT, I.C. Hugo Andrs Estupin Tiuso.MANUAL DEL USUARIO, MODELO DE GESTIN DE AGUAS PLUVIALES (SWMM 5.0 VE)