A continuaci´on se desarrollar´a la primera parte de un ejemplo de rehabilitaci´on hidr´aulica de
una red de alcantarillado usando EPA SWMM 5.0 como herramienta de c´alculo. Esta primera
parte corresponde a la construcci´on o ingreso de nuestra red de drenaje en SWMM 5.0, proceso que va desde la esquematizaci´on de la red hasta el ingreso de los datos y la posterior selecci´on
de las opciones de simulaci´on que se pueden ajustar en SWMM 5.0.
Muchos de los pasos en la construcci´on del proyecto con SWMM 5.0, as´ı como de las pro-
piedades generales y opciones de c´alculo, ya han sido vistos en el tema “Introducci´on a EPA
SWMM 5.0” y en los otros temas de este curso, por lo que en el presente tema se mostrar´an
aquellos puntos importantes para efectos del an´alisis hidr´aulico y posteriores cambios a la red de nuestro ejemplo.
3.1. Descripci´on del ejemplo. Informaci´on disponible
El ejemplo consiste en analizar el comportamiento hidr´aulico de un sector de la red de
alcantarillado de Coquimbo, ciudad ubicada en la zona costera del norte de Chile, y aplicar medidas de rehabilitaci´on hidr´aulica si es el caso. El sector de red que ser´a analizado consiste en una red unitaria, es decir, que transporta las aguas residuales y las aguas pluviales de la cuenca que drena en esta red. ´Esta se encuentra constituida por pozos de registro y conductos de diversos tama˜nos y formas, predominando colectores con secciones transversales circulares. La siguiente figura 4 muestra una vista en planta del esquema de la red y de las diferentes subcuencas que aportan escorrent´ıa a ´esta.
En esta figura se puede apreciar que la red actualmente cuenta con dos salidas: Out1 y Out2. La salida Out1 descarga al mar, por lo que en este punto se encuentra influenciada por
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Figura 4: Red de drenaje y subcuencas del ejemplo
las fluctuaciones de marea. En cambio la salida Out2 descarga a un conducto ubicado a una cota muy baja. Adem´as se puede observar que la red presenta una malla en su interior, aunque su tipolog´ıa general es de tipo arborescente. Por otro lado, la red se ubica en una zona de altas pendientes, lleg´andose incluso al 20 % en algunos tramos de ´esta.
Figura 5: Precipitaci´on a usar en el ejemplo
Para efectos pr´acticos, vamos a suponer que la discretizaci´on de la cuenca en subcuencas ya ha sido realizada, as´ı como la identificaci´on de los pozos de la red. La figura 4 muestra las subcuencas como pol´ıgonos mallados de color blanco, los pozos o nudos como circunferencias en tonalidades rojo o marr´on, y los conductos (colectores) en color amarillo. Toda la informaci´on f´ısica y topogr´afica de la red (cotas, longitudes, secciones transversales, etc.), as´ı como la informaci´on de las subcuencas (´areas, pendientes, % de impermeabilidad, etc.) y los datos de los flujos residuales, se encuentran en formato electr´onico anexo a estos apuntes.
Ejemplo de rehabilitaci´on de alcantarillado usando SWMM 5.0 149
Respecto a la precipitaci´on que se utilizar´a, ´esta tambi´en se encuentra en formato electr´onico anexo. Sin embargo, cabe mencionar que la precipitaci´on corresponde a una lluvia de proyecto
con per´ıodo de retorno T = 50 a˜nos, y que ha sido determinada a partir de una curva IDF
propia de la zona de estudio. La figura 5 muestra el hietograma de esta tormenta, con valores cada cinco minutos.
3.2. Entrada de datos
Para comenzar hay que abrir EPA SWMM 5.0, y una vez abierto el programa hay que cargar el ejemplo llamado RedCoq1.INP. Esto se realiza seleccionando F ile >> Open, y seleccionando el archivo antes mencionado.
En este ejemplo, se ha colocado una imagen de fondo de la zona donde se ubica la red para poder referenciar visualmente la ubicaci´on de los diferentes objetos que se usar´an. En general,
siempre es posible agregar una imagen de fondo en el ´area de estudio de SWMM 5.0. Los
formatos que se pueden cargar de fondo son del tipo JPEG, BMP, o metarchivos de Windows (WMF). Incluso es posible colocar una imagen que contenga un archivo de coordenadas con informaci´on geo-referenciada de la imagen, y permitir que SWMM 5.0 vaya calculando las ´areas de las subcuencas y las longitudes de los conductos a medida que vamos insertando los objetos respectivos en el ´area de estudio. Para ello se debe hacer un clic con el bot´on derecho del rat´on sobre la frase Auto-Length Off, ubicada en el extremo inferior izquierdo de la pantalla principal de SWMM 5.0, y seleccionar la opci´on Auto-Length On con un click izquierdo. Mayores detalles
de c´omo cargar una imagen y c´omo trabajar con la opci´on de auto-medida en SWMM 5.0 se
encuentran en el manual de usuario. Volviendo a nuestra red, la siguiente figura 6 muestra el ejemplo ya cargado en SWMM 5.0.
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Una vez que el ejemplo ha sido abierto podemos observar que, por comparaci´on con la figura 4 que muestra el esquema de la red y cuenca, faltan algunos objetos visuales sobre el mapa
del ´area de estudio: subcuencas SC7, SC16, pozos J7, J16, J20, y conductos C7, C10, C11, y
C16. Veamos c´omo ingresar algunos de estos objetos visuales, y la posterior edici´on de algunas propiedades de estos objetos.
Pozo J7: objeto tipo Junction
Para ingresar un objeto Junction se debe hacer click sobre el icono de nodo . N´otese
c´omo el puntero del rat´on cambia de forma, indicando que est´a preparado para insertar un
objeto Junction. La ubicaci´on del pozo que vamos a agregar la determinamos observando
la figura 4. Una vez elegida la ubicaci´on del pozo en el esquema, hacemos click sobre el lugar elegido.
Ahora que ya se ha insertado el pozo, debemos ingresar los datos de ´este. Al hacer doble click sobre el objeto se abrir´a una ventana de edici´on, donde debemos ingresar los datos del pozo. Los datos b´asicos que todo objeto Junction debe poseer corresponden a la cota de fondo del pozo (Invert El.) y a la profundidad de ´este (Max. Depth). En este ejemplo, el pozo J7 tiene una cota de fondo de 45.8 (m) y una profundidad de 1.5 (m).
Dado que la red del ejemplo es una red unitaria, entonces debemos considerar los flujos residuales en nuestro esquema en desarrollo. Hay que recordar que en SWMM 5.0 los flujos externos que ingresan a la red, lo hacen a trav´es de los nodos. El proceso de ingreso de los flujos residuales al esquema de red que se est´a desarrollando comienza haciendo click sobre el bot´on que indica la figura 7.
Figura 7: Selecci´on del flujo residual a trav´es del pozo J7
Luego se abrir´a una ventana donde debemos elegir la pesta˜na Dry Weather. Al clickar sobre esta pesta˜na, se introducir´a como valor promedio del caudal residual (Average value) 0.02 (m3/s), y en la primera casilla de los patrones de flujo (Time Patterns) se elegir´a el patr´on llamado horario. Este patr´on de flujo consiste en unos coeficientes que var´ıan con las horas del d´ıa, y que permiten la variaci´on temporal de los flujos residuales. La figura 8 muestra los datos ingresados para los flujos residuales.
Ejemplo de rehabilitaci´on de alcantarillado usando SWMM 5.0 151
Figura 8: Edici´on de los par´ametros del flujo residual
Al hacer OK en la ventana anterior, volveremos a la ventana de edici´on del pozo J7, y esta vez , al costado izquierdo del bot´on destacado en la figura 7 aparece la palabra YES, lo que indica que el flujo residual ha sido ingresado al pozo.
Subcuenca SC7: objeto tipo Subcatchment
Una subcuenca se esquematiza en SWMM 5.0 haciendo click sobre el icono . Al hacer
esto, el puntero del rat´on cambia a forma de l´apiz, lo que indica que el programa est´a listo para comenzar a dibujar la subcuenca. Es importante destacar que la forma de la subcuenca no es relevante en este ejemplo, pues todos los datos geom´etricos de ella ser´an ingresados v´ıa su ventana de edici´on.
Para dibujar el contorno de la subcuenca se comienza haciendo un click sobre cualquier punto del contorno de la ubicaci´on de la subcuenca. Luego nos vamos desplazando por el contorno, haciendo click en puntos donde cambie de direcci´on el contorno, hasta llegar al ´
ultimo punto de ´este, donde el pol´ıgono que representa en SWMM 5.0 a la subcuenca debe cerrarse. Para esto basta con hacer doble click, y la cuenca ya estar´a dibujada en el mapa del ´area de estudio.
Ahora se debe ingresar la informaci´on para la subcuenca SC7. Si hacemos un doble click sobre el cuadrado que est´a en el interior de la subcuenca, se nos abrir´a la respectiva venta- na de edici´on. Ac´a especificaremos los valores de los diferentes par´ametros que requiere la subcuenca SC7, por ejemplo: pozo o subcuenca que recibe la escorrent´ıa, Pozo J7; ´area en planta, 3.6 (Ha); ancho de la subcuenca, 270 (m); % de impermeabilidad, 100 %; profun- didad del almacenamiento superficial en la zona impermeable (Dstore-Imper ), 2.5 (mm); m´etodo de c´alculo de la infiltraci´on, N´umero de Curva; entre otros par´ametros. Por ahora no tocaremos el campo relativo al Rain Gage, pues a´un no hemos ingresado lluvia. As´ı, la ventana de edici´on deber´ıa verse tal como se aprecia en la figura 9.
Conducto C7: objeto tipo Conduit
Es importante recordar que en SWMM 5.0 un objeto tipo Conduit, as´ı como cualquier objeto de la familia de los Links, queda definido siempre entre dos nodos. As´ı, para insertar
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el conducto, en primer lugar hacemos click sobre el icono de los conductos , y luego
clickamos sobre el nodo de aguas arriba del conducto. En seguida, movemos el cursor desde este nodo hacia el nodo final (nodo ubicado aguas abajo) del conducto y hacemos un click sobre ´el. De esta forma ya se encuentra insertado el conducto en el mapa del ´area de trabajo.
Al igual que los dem´as objetos, se hace doble click sobre el conducto para abrir la ventana de edici´on y poder rellenar los campos de este objeto. Los par´ametros b´asicos que se deben suministrar a un conducto son su longitud, su forma (secci´on transversal), y el coeficiente de rugosidad de Manning. En el caso del conducto C7, ´este tiene secci´on transversal circular; de di´ametro interno, 0.8 (m); longitud, 80 (m); y coeficiente de rugosidad de Manning, 0.015. La siguiente figura 9 muestra la ventana de edici´on del conducto C7 con sus datos ya ingresados.
Figura 9: Ventanas de edici´on de la subcuenca SC7 y del conducto C7
Para los dem´as objetos de subcuencas, pozos y conductos que quedan por ingresar a SWMM
5.0, el procedimiento es el mismo que se acaba de realizar. S´olo cambiar´an los valores de los par´ametros que requiere cada objeto.
Como se ha visto en otros temas de este curso, la precipitaci´on viene representada en SWMM 5.0 por un Rain Gage (pluvi´ometro), por lo que debemos insertar este objeto visual en nuestra ´
area de estudio para poder suministrar la lluvia a las subcuencas. Al hacer click sobre el icono , el cursor del rat´on cambiar´a de forma, indic´andonos que es posible agregar un pluvi´ometro en el esquema de red. La ubicaci´on de este objeto dentro del ´area de estudio no tiene importancia, por lo que se puede colocar el pluvi´ometro en cualquier zona visible del mapa. S´olo basta hacer un click sobre la ubicaci´on elegida.
Ahora debemos agregar la informaci´on de precipitaci´on en s´ı misma. Al hacer doble click sobre el pluvi´ometro, llamado PLU1, aparecer´a la ventana de edici´on de ´este, donde se especifican el formato de lectura de los datos, el intervalo de tiempo entre cada dato, y la fuente de los datos, entre otros par´ametros. En el caso de la precipitaci´on de este ejemplo, ya se hab´ıa comentado anteriormente que se dispone de un hietograma con lecturas cada 5 minutos en forma de una
Ejemplo de rehabilitaci´on de alcantarillado usando SWMM 5.0 153
serie temporal. As´ı, en la ventana de edici´on del pluvi´ometro se especificar´a Intensity como Rain Format, 0:05 como Rain Interval, y Time Series como la fuente de los datos (Data Source). La serie temporal que contiene la informaci´on de precipitaci´on se llama LluviaT50, y puede ser copiada y pegada desde una hoja de c´alculo.
4.
An´alisis del estado actual de la red
Despu´es de construir el esquema de red y subcuencas, se deben especificar las opciones de simulaci´on en SWMM 5.0. Estas opciones corresponden a ajustes de par´ametros de la simulaci´on tales como los pasos de tiempo de c´alculo, elecci´on del m´etodo de propagaci´on del flujo en la red, entre otros. Una vez especificadas ´estas, se ejecuta el programa, para posteriormente analizar el estado hidr´aulico de la red.
4.1. Opciones de simulaci´on
Antes de ejecutar la simulaci´on de nuestro ejemplo, debemos especificar las opciones de
simulaci´on de SWMM 5.0. Para ello, hacemos click sobre la categor´ıa Options ubicada en el
panel de navegaci´on bajo la ficha Data. En la parte inferior del panel de navegaci´on aparecen los nombres de las diferentes fichas que componen la ventana Options. Al hacer doble click sobre alguno de estos nombres, o hacer click sobre el icono de edici´on del panel de navegaci´on, se abrir´a la ficha correspondiente, en donde se podr´an seleccionar las opciones de simulaci´on que el usuario estime convenientes. La siguiente figura 10 muestra la ficha General en la ventana de opciones de simulaci´on (Simulation Options).
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En la figura anterior se pueden observar las opciones generales de simulaci´on que se han
elegido para el ejemplo en desarrollo. Las unidades de medida corresponden al sistema inter- nacional de acuerdo a las unidades del flujo elegidas en este caso (m3/s ´o CMS en ingl´es); el m´etodo de c´alculo de la infiltraci´on que SWMM 5.0 utilizar´a es el del N´umero de Curva; el m´etodo de propagaci´on del flujo en la red a usar es el de la Onda Din´amica; y en el informe de resultados se incluir´a un resumen de la informaci´on de entrada (datos), y se reportar´an las acciones de control, si es que las hubieran.
En las siguientes dos fichas (Dates y Time Steps) debemos especificar las fechas y tiempos de an´alisis, as´ı como los pasos de tiempo (∆t) que SWMM 5.0 usar´a durante los c´alculos num´ericos. La figura 11 muestra estas dos fichas con las opciones elegidas.
Figura 11: Fichas Dates y Time Steps del ejemplo
En la figura 11, bajo la ficha Dates se especifican las fechas y horas de simulaci´on. Estos par´ametros son elegidos por el usuario de acuerdo a sus intereses de simulaci´on, y deben ser tratados con cuidado cuando se dispone de archivos externos (por ejemplo archivos con datos de lluvia, de flujos de entrada externos a la red, u otros), pues las fechas y los tiempos elegidos en esta ficha deben coincidir con aquellos que se encuentran registrados en estos archivos externos. En nuestro caso, la fecha no es de mayor importancia pues no se est´a trabajando con archivos externos. Sin embargo, los tiempos de inicio y final del an´alisis han sido seleccionados de acuerdo al Time Pattern que se ha usado para representar la variabilidad de los flujos residuales que circulan por la red. En particular, se han elegido estas horas, pues durante este per´ıodo de tiempo se genera el m´aximo aporte de aguas residuales.
En la ficha Time Steps se especifican los intervalos de tiempo de c´alculo que SWMM 5.0
utilizar´a para realizar la simulaci´on. Recordemos que ´esta herramienta basa sus c´alculos en esquemas num´ericos que requieren, entre otros par´ametros, del intervalo de tiempo de c´alculo. Es importante destacar en este punto la peque˜nez del intervalo de tiempo elegido para el c´alculo de la propagaci´on del flujo en la red. Esto obedece a que el m´etodo de propagaci´on elegido para el c´alculo hidr´aulico de la red es el de la Onda Din´amica (ver figura 10), y tal como se menciona
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en otro tema de este curso, este m´etodo es muy sensible al paso de tiempo empleado, pudiendo presentarse problemas de inestabilidades num´ericas en los resultados si el paso de tiempo no es lo suficiente peque˜no.
Justamente en la siguiente ficha, Dynamic Wave, se consideran algunas opciones que el usuario puede elegir sobre el c´alculo de la propagaci´on bajo este m´etodo. La siguiente figura 12 muestra la ficha Dynamic Wave con las opciones elegidas para este ejemplo.
Figura 12: Opciones de la ficha Dynamic Wave utilizadas en el ejemplo
Las opciones que se destacan en la figura anterior corresponden a especificaciones de car´acter num´erico que influir´an en el c´alculo hidr´aulico que desarrolla SWMM 5.0. B´asicamente ellas permiten al usuario tener un grado de control sobre las metodolog´ıas de c´alculo. Por ejemplo, se puede elegir entre varias alternativas de la forma de la ecuaci´on de conservaci´on de la cantidad de movimiento para realizar el c´alculo: mantener los t´erminos inerciales en la ecuaci´on (Keep), atenuar estos t´erminos (Dampen), o simplemente ignorarlos (Ignore). La elecci´on depende del tipo de flujo que pudiera producirse en la red de drenaje, y por ende de las posibles inestabilidades num´ericas que se produzcan en los resultados. En nuestro caso mantendremos todos los t´erminos de la ecuaci´on de cantidad de movimiento.
Otra opci´on relevante tiene que ver con el uso de un intervalo variable de tiempo durante el c´alculo de la propagaci´on del flujo. El usuario puede hacer que SWMM 5.0 utilice o no un ∆t
variable. Se recomienda habilitar esta opci´on (ver figura 12), pues esto permite a SWMM 5.0
calcular un intervalo variable para cada per´ıodo de tiempo, de forma tal que siempre se cumpla con la condici´on de estabilidad num´erica de Courant en cada conducto.
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4.2. Simulaci´on
Ahora que ya se ha ingresado totalmente nuestro ejemplo en SWMM 5.0, s´olo queda realizar
la simulaci´on . Para ello basta hacer un click sobre el icono de simulaci´on , o bien seleccionar desde el men´u principal P roject >> RunSimulation.
Durante la simulaci´on aparece una ventana indicando que se est´an realizando los c´alculos y el tiempo simulado. Inmediatamente despu´es de finalizada la simulaci´on aparecer´a una ventana, donde SWMM 5.0 indica al usuario que la ejecuci´on se ha realizado sin ning´un contratiempo. La siguiente figura 13 muestra ambas ventanas durante y despu´es de la simulaci´on de nuestro ejemplo.
Figura 13: a) Ventana durante el transcurso de la simulaci´on, b) Ventana de informaci´on
sobre la simulaci´on realizada
Los errores de continuidad que aparecen en la ventana de la figura 13 b) son propios de la
metodolog´ıa num´erica sobre la que se basa SWMM 5.0, por lo que son esperables siempre. Sin
embargo, un error sobre alg´un nivel poco razonable, por ejemplo 10 %, deber´ıa hacernos cues- tionar los resultados obtenidos. En este caso la magnitud de dichos estos errores son peque˜nos,