Onda dinámica

El cálculo mediante onda dinámica resuelve las ecuaciones de Saint Venant unidimensionales (intervienen todas las fuerzas actuantes: gravedad, fricción, presión e inercia) y por lo tanto proporciona los resultados más precisos de los tres métodos propuestos. SWMM5 resuelve el sistema de ecuaciones mediante un esquema de diferencias finitas explícitas que utiliza intervalos de tiempo reducidos con objetivo de asegurar la estabilidad de la solución. Para que el proceso de cálculo sea más rápido, se resuelve de manera simultánea la altura de la lámina libre solamente en los nodos de la red y el valor del caudal solamente en los conductos. Este método de cálculo permite representar el flujo a presión cuando se alcanza en un conducto el caudal a tubo lleno. Cuando la altura de la lámina de agua en un pozo de registro excede la altura máxima de este, el flujo de agua desborda y produce inundación.

Ecuación 15 Ecuación 16 La onda dinámica tiene en cuenta almacenamiento en conductos, efectos de remanso, pérdidas en entradas y salidas de la red, flujo inverso y entradas en carga. Puede aplicarse a cualquier esquema de red de drenaje, tanto en redes malladas como arborescentes. Este es el método adecuado para sistemas sujetos a efectos de remanso a causa de restricciones

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aguas abajo y con elementos de regulación de caudales como orificios o vertederos. La contrapartida reside en que los intervalos de tiempo deberán ser considerablemente más reducidos, del orden de 30 segundos o menos.

Otro inconveniente del uso de la onda dinámica son las inestabilidades de cálculo que aparecen con escenarios de flujo complejos. Como solución a estos obstáculos al cálculo SWMM5 ofrece la posibilidad de simplificar los términos inerciales, que acostumbran a ser los más problemáticos en términos de inestabilidad numérica de la solución. SWMM5 permite ponderarlos de manera que se reduzca su importancia en zonas conflictivas o directamente ignorarlos utilizando una aproximación de onda difusiva (en la que intervienen fuerzas de gravedad, fricción y presión hidrostática).

5.3.6. S

El modelo hidráulico de transporte utilizado es el de onda dinámica, ya que es el que proporciona resultados más precisos, por lo que se tendrán que elegir incrementos de tiempo lo suficientemente pequeños para que el modelo sea estable. En este caso no se espera que el tiempo de cálculo sea elevado, ya que se trata de un modelo pequeño, por lo que la elección del modelo de onda dinámica no supondrá ceder en este aspecto.

El modelo de infiltración seleccionado es el propuesto por el SCS, por lo que se deberá seleccionar un número de curva para cada sub-cuenca del modelo, en este caso, para cada tejado simulado. La razón por la que se elige este modelo es porque es el más extensamente utilizado y por no ser empírico.

En cuanto al modelo de transformación de lluvia en escorrentía, además de las pérdidas por escorrentía, se tendrá en cuenta las pérdidas por evapotranspiración. Las pérdidas por retención e intercepción no se tendrán en cuenta, ya que se trata de áreas de estudio totalmente impermeables al tratarse de tejados, no existen elementos que puedan interceptar el agua ya que la vegetación de un tejado verde extensivo es de muy poca altura y se considerará que no existen zonas en las que se puedan generar charcos. Las entradas de agua en el sistema serán únicamente por precipitación.

5.4. T

LID

5

Las últimas versiones de SWMM5 están incorporando la posibilidad de modelar diferentes tipos de técnicas de drenaje sostenible. Éstas simulan los procesos de retención, infiltración, evapotranspiración y reducción de la carga contaminante en la medida que las diferentes capas que las componen son capaces de llevarlos a cabo. En este trabajo, la herramienta de modelización de técnicas LID (Low Impact Development) que ofrece SWMM5 permitirá simular el comportamiento hidráulico de diferentes paquetes de tejado verde.

Las técnicas LID se representan como una combinación de capas verticales cuyas propiedades se definen por unidad de área. Esto permite aplicar LIDs de la misma tipología y características, pero de diferente área en diferentes sub-cuencas. Durante la simulación, SWMM5 lleva a cabo un balance de humedad que monitoriza cuánta agua se mueve entre capas y cuánta agua es almacenada en cada una de ellas para cada intervalo de tiempo. Desde el menú de la pantalla principal de SWMM5, seleccionando la opción “Hydrology – LID Controls”, podemos crear o editar las diferentes técnicas LID que se van a

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utilizar en el proyecto. Posteriormente, en la ventana de características de cada sub- cuenca, se podrá especificar qué área ocupa cada técnica en cada sub-cuenca mediante los “LID Group Editor” y “LID Usage Editor”. En este capítulo se detalla cómo llevar a cabo cada uno de estos pasos.

Figura 24: Diagrama conceptual de un paquete de tejado verde

La capa superficial (Surface Layer) corresponde a la superficie sobre la que precipita la lluvia y puede generar escorrentía superficial si el tejado verde no es capaz de drenar toda el agua. La capa de sustrato (Soil Layer) es una mezcla de sustrato con características especiales sobre la que se plantan las especies vegetales y que permite la filtración del agua. La última capa corresponde con la capa de drenaje (Drainage mat) que será la última capa por la que pasará el agua antes de ser vertida al sistema de drenaje.

Existen dos métodos diferentes para ubicar las técnicas LID en una sub-cuenca:

 Situar un LID, o más de uno, en una sub-cuenca existente, lo que hará que la proporción de área no cubierta por LID disminuya.

 Crear una sub-cuenca adicional específicamente para albergar el LID que se desee implementar.

El primer método permite situar un conjunto de diferentes técnicas LID en una misma sub-cuenca, cada una tratando una porción diferente de la escorrentía. Utilizando esta opción se consigue que los diferentes LID actúen en paralelo; no es posible hacerlos actuar en serie, es decir, hacer que el caudal de salida de un LID sea el de entrada en el siguiente. Además, el porcentaje de área impermeable y el parámetro de ancho de la sub-cuenca deberán ser ajustados para compensar el área que ha sido ocupada por LIDs. Este fenómeno se ilustra en la figura a continuación:

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Figura 25: Esquema de implementación de técnicas LID en SWMM5 [28]

El segundo método permite que los LID funcionen en serie, así como derivar la escorrentía generada en una sub-cuenca hacia un LID en concreto. Si las nuevas sub-cuencas que albergan los LID ocupan el área antes perteneciente a una de las sub-cuencas originales, se deberán realizar también los ajustes necesarios en los parámetros de ancho, porción impermeable y área de dicha sub-cuenca. Se debe tener en cuenta también que los parámetros que pertenecen al elemento LID tendrán siempre prioridad ante los parámetros estándar a definir en una nueva sub-cuenca; por ello, se pueden obviar estos últimos.

El flujo de salida de los elementos LID, se deriva por defecto al mismo nodo de conexión con la red de alcantarillado que la sub-cuenca de la que forman parte; se considera flujo de salida tanto el flujo por desborde en superficie como el caudal que evacúa un posible dren situado en una de las capas que lo forman. Sin embargo, el usuario puede escoger devolver todo el caudal de salida del LID a las áreas permeables de la sub-cuenca.

SWMM5 ofrece ocho tipos de técnicas LID para aplicar en los proyectos, pero en este caso solo se utilizará una: tejados verdes o green roofs. Las otras técnicas LID son: celdas de bio- retención, jardines de lluvia, zanjas de infiltración, pavimentos permeables, pequeños depósitos de lluvia, cunetas verdes y desconexión de las bajantes de los tejados.

Los tejados verdes son aquellos que permiten plantar vegetación en una capa de sustrato con características concretas, que se sitúa sobre una capa drenante de un material capaz de retener el agua de lluvia que cae sobre el tejado. Éstos permiten, por lo tanto, almacenar in-situ el agua de lluvia y transportarla directamente hacia la red de alcantarillado o hacia las áreas permeables circundantes.

La esquematización por medio de capas que hace SWMM5 de este tipo de técnica LID es la siguiente:

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Figura 26: Esquema de una cubierta verde en SWMM5

Por lo tanto, las capas de que dispone un tejado verde en SWMM5 son: superficie, suelo y capa drenante. Tal y como representan las flechas de color azul de la ilustración anterior, el agua entra por superficie (ya sea en forma de escorrentía o de precipitación) y puede salir por superficie o a través de la capa drenante hacia la red de alcantarillado o áreas permeables.

A continuación, se deberán definir las propiedades de cada una de las capas que conforman ese tipo de LID en concreto. Cada capa consta de varios parámetros que definen su comportamiento.