ANÁLISIS DE CUENCAS USANDO EPA SWMM 5.0

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USANDO EPA SWMM 5.0

ANÁLISIS DE CUENCAS

Practicas informáticas

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INDICE

Introducción

Capacidades y limitaciones de EPA SWMM 5.0

Estructura de EPA SWMM 5.0

Pasos en el desarrollo de un proyecto con EPA SWMM 5.0

Entorno gráfico de EPA SWMM 5.0: Objetos visuales y no

visuales

Algunos modelos utilizados por EPA SWMM 5.0

Recursos e información adicionales para los usuarios de EPA

SWMM 5.0

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INTRODUCCION

Un modelo hidrológico simula los procesos de transformación

lluvia-escorrentia en una cuenca, representada como un sistema de componentes

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INTRODUCCIÓN

Desarrollado por la Environmental Protection Agency (EPA) de los Estados

Unidos (US)

SWMM

Storm

Water

Management

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INTRODUCCIÓN

Uno de los primeros modelos numéricos de simulación hidrológico –

hidráulico especial para drenaje urbano

Diferentes grupos de desarrollo (Gobierno, Universidades, Empresas) a lo

largo de su historia

Continuo desarrollo desde 1969

Código de referencia en USA

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Precipitación variable en tiempo y

espacio

Simulación

de

procesos

de

evaporación,

acumulación

y

derretimiento

de

nieve,

e

interceptación por encharcamiento

Simulación de la infiltración

Simulación

de

la

escorrentía

superficial mediante modelo de

depósito no lineal

Aporte de escorrentía superficial

entre subcuencas

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 Manejo de redes de drenaje, sin limitación de tamaño y/o forma

 Diversas secciones transversales para los conductos

 Modelación de bombeos, reguladores de flujo, depósitos de retención

 Uso de reglas de control para controlar bombeos y reguladores

 Incorporación de flujos externos a la red definidos por el usuario (escorrentía, flujos de aguas residuales)

 Modelación de diversos regímenes hidráulicos tales como remansos, entrada en carga e inversión del flujo

 Modelación en régimen permanente y no permanente

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 Acumulación de contaminantes (Buildup) sobre las subcuencas

 Remoción de contaminantes durante episodios de lluvia (Washoff)

 Reducción en la acumulación de contaminantes debido a limpieza de calles

 Reducción de contaminantes en la escorrentía debido a BMP’s

 Propagación de los contaminantes a través de la red de drenaje

 Funciones de tratamiento definidas por el usuario

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Algunas aplicaciones de SWMM 5.0

Diseño de diversos elementos de una red de drenaje

Estudio y creación de modelos de cuenca

Control de vertidos en tiempo de lluvia desde redes unitarias, y de

redes separativas

Evaluación de BMPs y LIDs (Low Impact Developments) para cumplir

con objetivos de sostenibilidad

Delimitación de zonas de inundación

Dimensionado de estructuras de retención y accesorios para el

control de inundaciones y protección de la calidad de las aguas.

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No aplicable a nivel de grandes cuencas

Sin rutinas de modelación de transporte de sedimentos y erosión

No simula la propagación de contaminantes en el medio receptor ni en

el flujo subsuperficial

Tiene limitaciones en áreas forestales o en cultivos regados

No es una herramienta totalmente integrada respecto a las aguas

urbanas

Es una herramienta de análisis, no una herramienta automática de

diseño

Sin conexión integrada con Sistemas de Información Geográfica (GIS)

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Esquema del sistema

Capa

atmosférica.

Generación

de

la

precipitación.

Capa de terreno: procesos

hidrológicos. Pérdidas de

precipitación y proceso

lluvia-escorrentia

Capa aguas subterráneas.

Aporte de flujo hacia los

acuíferos.

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Pasos básicos en el desarrollo de un proyecto con

SWMM 5.0

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 Dibujar los “objetos” del sistema de drenaje

 Editar sus “propiedades”

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 Dibujar los “objetos” del sistema de drenaje

 Editar sus “propiedades”

 Alternativamente, crear y editar el archivo de

entrada de SWMM 5.0

usando el formato

descrito en anexos del

manual de usuario

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 Dibujar los “objetos” del sistema de drenaje

 Editar sus “propiedades”

 Ajustar las opciones de análisis de la

simulación

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 Dibujar los “objetos” del sistema de drenaje

 Editar sus “propiedades”

 Ajustar las opciones de análisis de la

simulación

 Realizar la simulación

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 Dibujar los “objetos” del sistema de drenaje

 Editar sus “propiedades”

 Ajustar las opciones de análisis de la

simulación

 Realizar la simulación

 Visualizar los resultados de la

simulación: informe,

tablas ,gráficos,

perfiles longitudinales

de la lámina de agua,

análisis estadístico

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Estaciones pluviométricas (raingage)

Los pluviómetros suministran los datos de

entrada de las precipitaciones que ocurren

sobre una o varias de las cuencas definidas en

el área de estudio

Nombre.

Formato de los datos de lluvia: Intensity-

Intensidad media en el intervalo de

registro. Volumen: volumen en el intervalo

de registro. Cumulative: precipitación

acumulada desde el inicio de la lluvia

Intervalo de tiempo transcurrido entre

cada lectura del pluviómetro

Factor que corrige las lecturas por nieve en

el pluviómetro

Fuente de datos de lluvia: timeseries: serie

temporal. File: archivo externo de datos.

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Subcuencas (subctchements)

Son unidades hidrológicas de terreno cuya topografía y elementos del sistema de drenaje conducen la escorrentía directamente hacia un punto de descarga. En el área de estudio se divide en cuencas identificándose el punto de salida de las mismas

• Ubicación, descripción y etiqueta opcional, pluviómetro asociado a la cuenca y nombre del nudo o subcuenca que recibe la escorrentía

• Área de la cuenca y ancho característico del flujo debido a la escorrentía superficial

• Pendiente media, área impermeable y n de Manning para el flujo superficial sobre las áreas impermeable y permeable

• Altura de almacenamiento en depresión sobre lasas áreas impermeable y permeable y % del suelo impermeable sin almacenamiento en depresión.

• Sentido del flujo interno: IMPERV: área permeable hacia impermeable. PERV: área impermeable hacia permeable. OUTLET: ambas aportan a la descarga.

• % de escorrentía y parámetros de infiltración. Flujo subterráneo y nieve

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Objetos visuales Hidráulicos

tipo NODE (nodo)

Uniones (Junction)

Descargas (Outfall)

Unidades de Almacenamiento (Storage Unit)

Divisores de Flujo (Flow Divider)

tipo LINK (conector)

Conductos (Conduit)

Bombas (Pumps)

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Nodos

Conectores

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Unión

Unen diferentes conexiones.

Representan la confluencia de canales superficiales naturales,

cámaras de registro, o elementos de conexión de tuberías.

Permiten la entrada de aportes externos de caudal.

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Unión

Nombre, ubicación, y descripción y etiqueta

opcional.

Aportes externos (serie temporal, caudal de

tiempo seco o aportes por infiltración en la red

(RDII))

Funciones que describen el tratamiento de

contaminantes en la unión.

Cota de fondo (m o ft) y profundidad (medida

desde

la cota del terreno, en m o ft)

Nivel inicial de agua al comienzo de la

simulación (m o ft) y sobrepresión o altura

adicional de agua por encima del máximo

antes de que aparezca la inundación (m o ft,

pozos con tapa cubierta)

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Descarga

 Nombre, ubicación, y descripción y etiqueta opcional.

 Aportes externos (serie temporal, caudal de tiempo seco o aportes por infiltración en la red (RDII))

 Funciones que describen el tratamiento de contaminantes en la descarga.

 Cota fondo del punto de vertido (m o ft) y compuerta (YES: prevención de flujo inverso y NO).

 Tipo de condición de contorno: FREE: determinado por el mínimo entre el tirante crítico y el tirante uniforme del conducto. NORMAL: basado en el tirante uniforme del conducto. FIXED: constante. TIDAL: nivel horario de marea. TIMESERIES: serie temporal.

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Unidad de almacenamiento

 Nombre, ubicación, y descripción y etiqueta opcional.

 Aportes externos (serie temporal, caudal de tiempo seco o aportes por infiltración en la red (RDII))

 Funciones que describen el tratamiento de contaminantes en la descarga.

 Cota de fondo (m o ft), profundidad (medida desde la cota del terreno, en m o ft) y nivel inicial (m o ft)

 Área ocupada por el agua acumulada sobre la unidad de almacenamiento en inundación (m2 o ft2).

 Fracción del potencial de evaporación

 Curva que describe la geómetra de la unidad: FUNCTIONAL: Area = Coef x NivelExpo + Constant.

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Divisores de flujo

 Cutoff divider, a partir de un valor límite definido.

 Overfow divider, a partir de superar la capacidad máxima del conducto aguas abajo.

 Tabular divider, en función de una tabla Qllegada vs. Qderivado

 Weir divider, de acuerdo a una ecuación tipo vertedero

Qdiv = Cw (f Hw)1,5 con f = (Q

in - Qmin) /(Qmax -Qmin)

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Divisores de flujo

 Nombre, ubicación, y descripción y etiqueta opcional.

 Aportes externos (serie temporal, caudal de tiempo seco o aportes por infiltración en la red (RDII))

 Funciones que describen el tratamiento de contaminantes en la descarga.

 Cota de fondo (m o ft), profundidad (medida desde la cota del terreno, en m o ft) y nivel inicial (m o ft)

 Nivel inicial de agua al comienzo de la simulación (m o ft) y sobrepresión o altura adicional de agua por encima del máximo antes de que aparezca la inundación (m o ft)

 Área ocupada por el agua acumulada sobre la unión en inundación (m2 o ft2), nombre de la línea que recibe el caudal derivado y tipo de divisor.

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Conductos

Los conductos son tuberías o canales por los que se desplaza el agua

desde un nodo a otro del sistema.

Se utiliza la ecuación de Manning para establecer la relación entre el

caudal que circula por el conducto (Q), la sección (A), el radio hidráulico

(Rh) y la pendiente (S) tanto para canales abiertos como para

conductos cerrados parcialmente llenos.

𝑄 =

1

𝑛

𝐴 𝑅ℎ

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Conductos

 Nombre, nombre de los nodos inicial y final, descripción y etiqueta opcional de la conducción.

 Forma sección transversal, longitud de la conducción (m o ft) y rugosidad (n de Manning).

 Desniveles entre la base del nodo inicial y la de la conducción, y la base del nudo final y la de la conducción.

 Caudal inicial y máximo caudal permitido en simulación mediante Onda Dinámica en condiciones de sobrecarga.

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Elementos hidráulicos singulares:

Flow Regulators (Links)

Pumps (bombas)

Weirs (vertederos)

Orifices (orificios)

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Bombas

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Bombas

 Nombre asignado, nombres de la uniones de aspiración y de impulsión de la bomba.

 Descripción y etiqueta opcional Nombre de la curva característica de la bomba (doble clic para editar).

 Estado Inicial: ON: en marcha. OFF: parada.

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Orificios

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Orificios

 Nombre del orificio, nombre de las uniones de entrada y salida, descripción y etiqueta opcional.

 Tipo (SIDE: Oricio lateral. BOTTOM: Oricio sumidero en el fondo) y forma (CIRCULAR o RECT-CLOSED).

 Altura del oricio todo abierto (m o ft, diámetro (CIRCULAR) o altura (CIRCULAR o RECT-CLOSED).

 Ancho del oricio todo abierto (m o ft, RECT-CLOSED) y desnivel de la base del oricio con respecto del (m o ft).

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Vertederos

 Si el objeto Vertedero entra en carga, se cambia la ecuación de calculo del flujo por una tipo Oricio.

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Vertederos

 Nombre del vertedero, nombre de la unión de entrada y salida, descripción y etiqueta opcional del vertedero.

 Tipo: TRANSVERSE (rectangular transversal); SIDEFLOW (lateral); V-NOTCH (en V o triangular) o TRAPEZOIDAL (trapezoidal transversal).

 Altura y longitud horizontal de la abertura (m o ft), y pendiente (horizontal/vertical) de las paredes laterales (tipo TRAPEZOIDAL o en V).

 Desnivel de la base del oricio con respecto al fondo de la unión (m o ft)

 Creciente de descarga para la sección central del vertedero, compuerta (YES: evita flujo inverso, y NO), y coeficiente de descarga para los bordes triangulares de un vertedero TRAPEZOIDAL.

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Descargas

Representan reguladores con relaciones especiales de carga- caudal.

Se emplean para modelar sistemas con relaciones especiales entre la altura y el caudal de descarga que no pueden ser caracterizadas mediante bombas, oricios y vertederos.

Q(h) = A hB

 Nombre del vertedero, nombre de la union de entrada y salida, descripción y etiqueta opcional del vertedero.

 Desnivel de la derivación con respecto al fondo de la unión (m o ft), compuerta (YES: evita ujo inverso, y NO).

 Método para describir la variación del caudal Q con el nivel de agua h (FUNCTIONAL: relación potencial, y TABULAR: tabla de valores

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Objetos NO Visuales de SWMM 5.0

Hidrologicos

Climatology

Aquifers

Snowpacks

Hidráulicos

Transects

Unit Hydrographs and External

FIows

Control Rules

Relacionales

Curves

Time Series

Time Patterns

Calidad de las aguas

Pollutants

Land Uses

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Objetos NO Visuales de SWMM 5.0

Climatología

• TEMPERATURA: Simulación de los procesos de cada y deshielo de la nieve durante los cálculos de escorrentía (serie temporal o datos desde un archivo).

• EVAPORACION: Simulación de aguas estancadas en las superficies de las subcuencas, agua subterránea en los acuíferos, y agua acumulada en las unidades de almacenamiento (valor constante, valores medios mensuales, serie diarios o datos desde un archivo).

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Objetos NO Visuales de SWMM 5.0

Acuíferos

• Simulación del movimiento vertical del agua infiltrada, permitiendo la infiltración de las aguas subterráneas en el sistema de transporte o la extracción de las aguas superficiales del sistema de transporte, dependiendo del gradiente hidráulico existente. Los acuíferos se representan utilizando dos zonas, una zona insaturada y otra zona saturada.

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Objetos NO Visuales de SWMM 5.0

Time series

“Time series” son usados para describir:

Precipitación

Evaporación

Flujos externos

Niveles de la lámina de agua en nodos “Outfall”

Time Series TS1

Elapsed Time (hours)

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“Curves” son usados para describir:

• la variación del área superficial de un nodo “Storage unit” respecto al calado en su interior (Storage curve)

• la derivación de flujo en un nodo “Tabular Flow divider” (Diversion curve)

• la variación del caudal a través de un link “Pump” respecto al calado o volumen del nodo aguas arriba, o la carga entregada por la bomba (Pump curve)

• El caudal a través de una línea de descarga “outlet” con la diferencia de alturas en la misma (rating curve)

Pump Curve bombeo3

Flow (CMS)

0.8 0.6 0.4 0.2 0 H e a d ( m ) 50 48 46 44 42 40 38 36

Objetos NO Visuales de SWMM 5.0

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Objetos NO Visuales de SWMM 5.0

Transects

“Transects” son usados para describir la sección transversal de canales de sección

irregular (cauces naturales)

• Nombre y descripción de la sección transversal.

• Valores de distancia desde el lado izquierdo del canal y la correspondiente

altura del fondo del canal

• Valores del coeficiente n de Manning para los márgenes y el cauce

• Valores de la distancia dados en la tabla que marcan el final de los márgenes

• Factor por el que se multiplica la distancia entre puntos de la sección

transversal, valor constante para sumar a las cotas e indicador de la presencia

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Objetos NO Visuales de SWMM 5.0

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Objetos NO Visuales de SWMM 5.0

Hidrogramas unitarios

• Se utilizan para estimar las infiltraciones y entradas de caudal en conductos

dependientes de la precipitación (RDII).

• R es la fracción del volumen de lluvia que se incorpora al sistema, T es el

tiempo transcurrido desde el inicio de la lluvia hasta que se alcanza el valor

máximo del hidrógrama unitario y K es la relación entre el tiempo de anulación

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Objetos NO Visuales de SWMM 5.0

Aportes externos de caudal

• Aportes directos de caudal (Direct Inflows). Series temporales de caudales que ingresan en una determinada unión y se utilizan para representar el modelo hidráulico de caudales y calidad de agua en ausencia de cálculos de escorrentía.

• Caudales de tiempo seco (Dry Weather Infows). Entradas de caudal provenientes de contribuciones que los caudales de aguas negras realizan al sistema de drenaje (se representan mediante un caudal de entrada medio que puede ajustarse de forma periódica mediante la aplicación de unos patrones (Time Pattern) que multiplican el valor introducido como referencia).

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Objetos NO Visuales de SWMM 5.0

Calidad de aguas

• Pollutant (contaminantes), representa los procesos asociados a la acumulación y vertido de carga contaminante en las cuencas urbanas.

• Land Uses (usos del suelo), asociados a la generación y remoción de carga contaminante desde las subcuencas.

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Objetos NO Visuales de SWMM 5.0

Contaminantes

• Nombre y Unidades de concentración. • Concentración en Lluvia, en Aguas

Subterráneas y en Aportes Irregulares (I/I)

• Coeficiente de Decaimiento de primer orden

• Solo Nieve: YES, si el arrastre de contaminante se produce solo si ocurre una nevada y NO)

• Nombre de otro contaminante cuya concentración en el caudal de escorrentía contribuye a la concentración del que esta siendo editado.

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Objetos NO Visuales de SWMM 5.0

Land Uses

• Categorías de las actividades desarrolladas o bien características superficiales del suelo asignadas a las cuencas (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.

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“Control rules” son usados para definir reglas de operaciones, durante la

simulación, de bombeos, de orificios y de vertederos

Objetos NO Visuales de SWMM 5.0

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(57)

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Opción de inundación nodal

(Nodal Flooding)

Todo el flujo de llegada al

nodo

en

exceso,

es

perdido por el sistema

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Modelo de Escorrentía Superficial

Depósito no lineal: Continuidad + Manning

5

0 3

1) ( )

( )

2)

p

dS

I t

O t

dt

S

Q

W

d

d

n

 

S: volumen

Q: escorrentía superficial

W: ancho de la subárea

dp: calado de almacenamiento

So: pendiente media de la subcuenca

N: coeficiente de

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Infiltración

Ecuación de Horton

fo: Capacidad de infiltracion inicial o máxima. fb: Capacidad de infiltracion basica o mínima. K: Constante de decaimiento.

t: Tiempo.

𝑓 = 𝑓

0

+ (𝑓

0

-

𝑓

𝑏

) 𝑒

−𝑘𝑡

La capacidad de infiltración se considera proporcional a la diferencia entre la capacidad de infiltración actual y la capacidad de infiltración final,

(62)

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Infiltración

Método de Geen-Ampt

f : Tasa de infiltración.

Ks : Conductividad hidráulica saturada.

𝜓 wf : Potencial del frente de infiltracion.

Δ𝜃 = 𝜃 sat -𝜃 i : Déficit de humedad inicial. F: Infiltración acumulada.

Hipótesis: (a) encharcamiento permanente con una lamina de agua somera; (b) suelo profundo y homogéneo, con un contenido inicial de humedad

uniforme en profundidad; y (c) frente de avance de humedad plano.

(63)

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Infiltración

Método del número de curva

(64)

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Aguas subterraneas

(65)

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Modelos de Propagación del flujo en SWMM 5.0

Steady Flow

Se asume que en cada uno de los incrementos de tiempo de

calculo considerados el flujo es uniforme. De esta forma el

modelo simplemente traslada los hidrogramas de entrada en el

nodo aguas arriba del conducto hacia el nudo final del mismo,

con un cierto retardo y cambio en el aspecto del mismo.

Para relacionar el caudal con el área y el tirante en el conducto

se emplea la ecuación de Manning.

No puede tener en cuenta el almacenamiento de agua que se

produce en los conductos, los fenómenos de resalto hidráulico,

las perdidas a la entrada y salida de las cámaras de registro, el

flujo inverso o los fenómenos de flujo presurizado.

0

S

(66)

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Modelos de Propagación del flujo en SWMM 5.0

Kinematic Wave

• Resuelve la ecuación de continuidad junto con una forma simplificada de la ecuación de cantidad de movimiento en cada una de las conducciones, requiriendo que la pendiente de la superficie libre del agua sea igual a la pendiente de fondo del conducto.

• El caudal máximo que puede fluir por el interior de un conducto es el caudal a tubo lleno determinado por la ecuación de Manning.

• Cualquier exceso de caudal sobre este valor en el nodo de entrada del conducto se pierde del sistema o bien puede permanecer estancado en la parte superior del nudo de entrada y entrar posteriormente en el sistema cuando la capacidad del conducto lo permita.

• Permite que el caudal y el área varen tanto espacial y temporalmente en el conducto. Esto origina una cierta atenuación y retraso en los hidrogramas de salida respecto de los caudales de entrada en los conductos.

• No puede considerar efectos como el resalto hidráulico, las perdidas en las entradas o salidas de los pozos de registro, el flujo inverso o el flujo presurizado, as como su aplicación esta restringida únicamente a redes ramificadas.

• En general, es numéricamente estable con pasos temporales del orden de 5 a 15 minutos.

0

1)

0

2)

f

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Modelos de Propagación del flujo en SWMM 5.0

67

Dynamic Wave

• Resuelve las ecuaciones completas unidimensionales de Saint Venant, que suponen la aplicación de la ecuación de continuidad y de cantidad de movimiento en las conducciones y la continuidad de los volúmenes en los nodos.

• Representa el flujo presurizado cuando una conducción cerrada se encuentra completamente llena, de forma que el caudal que circula por la misma puede exceder del valor de caudal a tubo completamente.

• Las inundaciones ocurren en el sistema cuando la profundidad del agua en los nodos excede el valor máximo disponible en los mismos. Este exceso puede perderse o puede generar un estancamiento en la parte superior del nudo y volver a entrar al sistema posteriormente.

• Puede contemplar efectos como el almacenamiento en los conductos, los resaltos hidráulicos, las perdidas en las entradas y salidas de los pozos de registro, el flujo inverso y el flujo presurizado. • Se trata del método adecuado para sistemas en los que los efectos de resalto hidráulico,

originados por las restricciones del flujo aguas abajo y la presencia de elementos de regulación tales como oricios y vertederos, sean importantes.

• Se necesitan pasos temporales mas pequeños, del orden del minuto (SWMM reduce automáticamente el paso temporal si es necesario para mantener la estabilidad numérica).

2

1) 0

2) f L 0

A Q

t x

Q A

Q H

g A g A S g A h

t x x

(68)

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SWMM 5.0 utiliza un esquema numérico de

diferencias finitas tipo explícito para resolver…

… las ecuaciones de Saint Venant en cada Conduit, y…

… una ecuación de continuidad en cada Node

Modelos de Propagación del flujo en SWMM 5.0:

Dynamic Wave

2

1) 0

2) f L 0

A Q

t x

Q A

Q H

g A g A S g A h

t x x

(69)

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http://www2.epa.gov/water-research/storm-water-management-model-swmm

Código fuente del programa (C) y de la interfaz

gráfica (Delphi), disponibles para descargar GRATIS

(70)

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Programa, manual de usuario, códigos fuentes,

convertidor de archivos…

(71)

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SWMM-USERS List Server

-

Forum donde los usuarios de EPA SWMM pueden compartir

experiencias en el uso y aplicación de este código

Más información sobre SWMM…

SWMM EN CASTELLANO

-

Versión en castellano

de

EPA

SWMM

5.0:

SWMM

v5.0E,

desarrollado

por

el

GMMF de la UPV

-

Respectivo manual de

(72)

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Más información sobre SWMM…

Grupo de usuarios en español de SWMM

(73)

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XP SWMM

– XP Software

(

www.xpsoftware.com

)

Mike SWMM

– DHI

(

www.dhisoftware.com

)

InfoSWMM

- MWH Soft

(www.mwhsoft.com)

PC SWMM

– CHI

(www.computationalhydraulics.com)

Con interfaces para trabajar con GIS…

…pero de pago

Figure

Actualización...

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