Aplicación de Herramientas Informáticas en La Hidrología Urbana

8/10/2019 Aplicacin de Herramientas Informticas en La Hidrologa Urbana

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APLICACIN DE HERRAMIENTAS INFORMTICAS EN LAHIDROLOGIA URBANA

TRABAJO DE TTULO PARA OPTAR AL TTULODE INGENIERO CONSTRUCTOR

PROFESOR GUA: SR. JUAN PABLO CRDENAS RAMIREZ

FRANCISCO EDUARDO ROJAS SEPLVEDA2008

UNIVERSIDAD DE LA FRONTERAFACULTAD DE INGENIERA, CIENCIAS Y ADMINISTRACIN

DEPARTAMENTO DE INGENIERA DE OBRAS CIVILES


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Aplicacin de Herramientas Informticas en la Hidrologa Urbana

TRABAJO DE TTULO PARA OPTAR AL TTULODE INGENIERO CONSTRUCTOR

PROFESOR GUA: SR. JUAN PABLO CRDENAS RAMIREZ

FRANCISCO EDUARDO ROJAS SEPLVEDA2008

UNIVERSIDAD DE LA FRONTERAFACULTAD DE INGENIERA, CIENCIAS Y ADMINISTRACIN

DEPARTAMENTO DE INGENIERA DE OBRAS CIVILES


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AGRADECIMIENTOS.

Creo que son muchas las ocasiones en que sentimos gratitud hacia los dems, peropocas las que lo expresamos. Es por eso que hoy, en el trmino de este trabajo de tituloy por consiguiente de mis estudios para ser Ingeniero Constructor, quiero mostrar

pblicamente mi agradecimiento hacia diferentes personas.A Agustn y Mnica, mis padres, por todo lo que me han brindado a travs de la vida, yquienes son sin duda las personas que ms se han alegrado con el trmino de micarrera.

A mi familia, por ser la base fundamental de mi vida.

A Myli, mi polola, por su constante apoyo y compaa a travs de la muchos de estosaos de universidad.

A mis compaeros y amigos, tanto de la universidad como externos, con quienes hecompartido arduas jornadas de estudio y de esparcimiento, ambas provechosas, quehan dejado gratos recuerdos.

Tambin quisiera mencionar a personas que han colaborado directamente con eldesarrollo de este trabajo de titulo. Como lo son los profesores integrantes de micomisin evaluadora, en especial a Juan Pablo Crdenas, profesor gua de esta tesis. Alos diferentes grupos de apoyos de SWMM, tanto en espaol como en ingles,especialmente a los Sres. Francisco Javier Martnez de la Universidad Politcnica deValencia, Mauricio Herrera administrador del grupo espaol de ayuda para usuarios de

SWMM y al Sr. Rodrigo Concha Jopia profesor co-guia de este trabajo de titulo. AJorge Godoy, con quien trabaj en paralelo por tener temas relacionados y a JuanCarlos Selmo, por su ayuda en Autocad Avanzado, Ilustrator y sus buenas intencionescon flash.

En general agradezco a todas las personas que de una u otra forma han influido en quehoy me encuentre terminando esta carrera. S que es un paso muy importante y tengola certeza en que me convertir en un profesional consciente de sus deberes,responsabilidades y en una persona que vive su vida plenamente.

Francisco.


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NDICE

CAPTULO 1 INTRODUCCIN . . . . . . . 11.1. Descripcin del Problema. . . . . . . . 2

1.2. Estado Actual del Problema. . . . . . . . 31.3. Objetivos. . . . . . . . . . 31.3.1. Objetivo General. . . . . . . . . 31.3.2. Objetivos Especficos. . . . . . . . 4

CAPTULO 2 INTRODUCCION A LA HIDROLOGIA URBANA. . . . 52.1. Elementos del Sistema de Drenaje Urbano. . . . . . 62.1.1. Zona de captacin Adyacente a los Colectores. . . . . 62.1.2. Red de Conectores. . . . . . . . . 72.1.3. Zona natural de Captacin. . . . . . . . 72.2. Evolucin y Problemas de la Hidrologa Urbana. . . . . 82.3. Efecto de la urbanizacin en el proceso Lluvia-Escorrenta. . . 9

2.4. Gestin del Drenaje Urbano. . . . . . . . 102.5. Mtodos para Estimar relaciones lluvia-escurrimiento en zonas Urbanas . 122.5.1 Mtodos Hidrolgicos. . . . . . . . 122.5.2. Mtodos Hidrulicos o semi-hidrulicos. . . . . . 122.5.3. Mtodos directos o Empricos. . . . . . . 122.6. Proceso Lluvia-Escorrenta en cuencas urbanas. . . . . 132.6.1. El Mtodo Racional. . . . . . . . . 14

CAPTULO 3 INTRODUCCIN A EPA SWMM 5.0 . . . . 173.1. Creacin y Desarrollo de EPA SWMM 5.0. . . . . . 183.2. Modelo Conceptual usado por EPA SWMM 5.0. . . . . 193.2.1. Modulo Atmosfrico. . . . . . . . . 20

3.2.2. Modulo de Superficie del Suelo. . . . . . . 203.2.3. Modulo de Aguas Subterrneas. . . . . . . 213.2.4. Modulo de Transporte. . . . . . . . 223.3. Capacidades y Usos de EPA SWMM 5.0. . . . . . 23

CAPITULO 4 MTODOS DE CALCULO DE USADOS POR EPA SWMM 5.0. 264.1. Escorrenta Superficial. . . . . . . . 274.2. Aguas Subterrneas. . . . . . . . . 284.3. Deshielo. . . . . . . . . . 304.4. Mtodos de Infiltracin. . . . . . . . 304.4.1. Mtodo de Horton. . . . . . . . . 304.4.2. Mtodo de Green Ampt. . . . . . . . 31

4.4.3. Mtodo de Nmero de Curva. . . . . . . 334.5. Calculo Hidrulico. . . . . . . . . 364.5.1. Modelo de Rgimen Uniforme. . . . . . . 394.5.2. Modelo de Onda Cinemtica. . . . . . . 394.5.3. Modelo de Onda Dinmica. . . . . . . . 40

CAPTULO 5 HERRAMIENTAS DE EPA SWMM 5.0. . . . . 415.1. Herramientas de Modelado. . . . . . . . 425.1.1. Objetos de Hidrologa. . . . . . . . 42


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5.1.1.1. Pluvimetros. . . . . . . . . 425.1.1.2. Cuencas. . . . . . . . . 435.1.1.3. Acuferos. . . . . . . . . 445.1.1.4. Capas de Nieve. . . . . . . . 445.1.1.5. Aportes externos de Caudal. . . . . . . 455.1.2. Objetos Hidrulicos. . . . . . . . . 465.1.2.1. Nudos de Conexin. . . . . . . . 47

5.1.2.2. Vertidos. . . . . . . . . 475.1.2.3. Divisores de Flujo. . . . . . . . 475.1.2.4. Elemento de Almacenamiento. . . . . . 485.1.2.5. Conducto. . . . . . . . . 495.1.2.6. Bomba. . . . . . . . . 505.1.2.7. Reguladores de Caudal. . . . . . . 515.1.2.8. Secciones Transversales. . . . . . . 525.1.2.9. Reglas de Control. . . . . . . . 535.1.3. Objetos de Calidad . . . . . . . . 555.1.3.1. Contaminantes. . . . . . . 555.1.3.2. Usos de Suelo. . . . . . . . 555.1.4. Climatologa . . . . . . . . . 57

5.1.4.1. Temperatura. . . . . . . . . 575.1.4.2. Evaporacin . . . . . . . . 585.1.4.3. Velocidad del Viento. . . . . . . . 585.1.4.4. Deshielo de Nieve. . . . . . . . 585.1.4.5. Reduccin del rea de Nieve. . . . . . 585.1.5. Curvas. . . . . . . . . . 595.1.6. Series de Datos Temporales. . . . . . . 595.1.7. Patrones del Tiempo. . . . . . . . . 605.1.8. Etiquetas del Plano. . . . . . . . . 605.2. Ambiente Grafico de EPA SWMM 5.0. . . . . . 615.2.1. Vista General. . . . . . . . . . 615.2.1.1. Men principal. . . . . . . . 62

5.2.1.2. Barra de Herramientas. . . . . . . 625.2.1.3. Plano del rea de Estudio. . . . . . . 665.2.1.4. Visor de Datos. . . . . . . . 665.2.1.5. Visor de Mapa. . . . . . . . 675.3. Opciones de Simulacin. . . . . . . . 675.3.1. Opciones Generales. . . . . . . . . 675.3.2. Fechas. . . . . . . . . . 685.3.3. Incrementos de Tiempo. . . . . . . . 685.3.4. Onda Dinmica. . . . . . . . . 685.3.5. Archivos. . . . . . . . . . 685.4. Visualizacin de Resultados. . . . . . . . 695.4.1. Informe de Estado. . . . . . . . . 69

5.4.2. Resultados en el Mapa. . . . . . . . 705.4.3. Resultados en Grficos. . . . . . . . 715.4.3.1. Grafico de Series Temporales. . . . . . 715.4.3.2. Grafico de Dispersin. . . . . . . 725.4.3.3. Grafico de Perfil Longitudinal. . . . . . 725.4.4. Tablas. . . . . . . . . . 735.4.5. Informe de Estadsticas. . . . . . . . 73


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CAPITULO 6 ESTUDIO DE ANTECEDENTES DE PROYECTO CHOL CHOL.. 746.1. Descripcin de Proyecto Chol Chol. . . . . . . 756.2. Estudio Previo. . . . . . . . . 776.2.1. Cuencas. . . . . . . . . . 786.2.2. Nudos. . . . . . . . . . . 796.2.3. Conductos. . . . . . . . . . 796.2.4. Pluvimetro. . . . . . . . . . 80

6.3. Elementos Especiales. . . . . . . . 856.3.1. Sifn. . . . . . . . . . . 856.3.2. Sumidero. . . . . . . . . . 886.3.3. Canal. . . . . . . . . . . 946.3.4. Foso. . . . . . . . . . . 96

CAPITULO 7 APLICACIN DE EPA SWMM 5.0 EN PROYECTO CHOL CHOL. 987.1. Operaciones Previas. . . . . . . . . 997.1.1. Creacin de un proyecto Nuevo. . . . . . . 997.1.2. Abrir un Proyecto. . . . . . . . . 997.1.3. Guardar un Proyecto. . . . . . . . . 997.1.4. Valores por Defecto. . . . . . . . . 100

7.1.5. Cargar Fondo. . . . . . . . . 1017.1.6. Configurar Opciones del Plano. . . . . . . 1027.2. Representacin en SWMM. . . . . . . . 1027.2.1. Aadir Cuencas. . . . . . . . . 1037.2.2. Aadir Nudos. . . . . . . . . . 1047.2.3. Aadir Lneas. . . . . . . . . 1047.2.4. Aadir Pluvimetros. . . . . . . . . 1057.2.5. Aadir Perfiles Transversales. . . . . . . 1057.2.6. Aadir Curvas de Descarga. . . . . . . . 1077.2.7. Aadir Curvas de Almacenaje. . . . . . . 1077.3. Configuracin de Propiedades de Objetos. . . . . . 1087.3.1. Propiedades de Cuenca. . . . . . . . 108

7.3.2. Propiedades de Nudos. . . . . . . . 1107.3.2.1. Propiedades de Conexiones. . . . . . . 1107.3.2.2. Propiedades de Vertidos. . . . . . . 1127.3.2.3. Propiedades de Depsitos . . . . . . 1127.3.3. Propiedades de Lneas. . . . . . . . 1127.3.3.1. Propiedades de Conductos. . . . . . . 1127.3.3.2. Propiedades de Salidas. . . . . . . 1147.3.4. Propiedades de Pluvimetros. . . . . . . 1157.4. Opciones de Simulacin. . . . . . . . 1167.5. Visualizacin y Discusin de Resultados. . . . . . 1177.5.1. Mediante Informe de Estado. . . . . . . . 1177.5.1.1. Opciones y Continuidad. . . . . . . 117

7.5.1.2. Cuencas. . . . . . . . . 1177.5.1.3. Nudos. . . . . . . . . . 1187.5.1.4. Conductos. . . . . . . . . 1197.5.2. Mediante grficos. . . . . . . . . 1207.5.2.1. Grafico Serie Temporal. . . . . . . 1207.5.2.2. Grafico de Dispersin. . . . . . . 1207.5.2.3. Perfil Longitudinal. . . . . . . . 121


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CAPTULO 8 CONCLUSIONES. . . . . . . . 123

BIBLIOGRAFIA. . . . . . . . . . 127

ANEXO A INFORME DE ESTADO PROYECTO CHOL CHOL. . . . 128

ANEXO B RESPALDO MAGNETICO DE PROYECTO CHOL CHOL EN SWMM

ANEXO C RESPALDO VISUAL DEL PROCEDIMIENTO DE MODELADO DEL PROYECTOCHOL CHOL.


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NDICE DE TABLAS.

CAPTULO 4 MTODOS DE CALCULO USADO POR EPA SWMM5.0. . 264.1. Nmeros de Curva Tabulados en Manual de Carreteras. . . . 35

CAPTULO 6 ESTUDIO DE ANTECEDENTES DE PROYECTO CHOL CHOL.. 74

6.1. Precipitacin 2 aos. . . . . . . . . 846.2. Precipitacin 100 aos. . . . . . . . 846.3. Tabla Depsito. . . . . . . . . 866.4. Curva de Descarga para Sifn. . . . . . . 876.5. Tabla de Captacin de Sumidero. . . . . . . 936.6. Seccin Transversal Canal. . . . . . . . 94

CAPITULO 7 APLICACIN DE EPA SWMM 5.0 EN PROYECTO CHOL CHOL. 987.1. Perfil Canal Revestido. . . . . . . . 1057.2. Perfil Canal sin Revestir . . . . . . . 1067.3. Perfil Calle con Badn. . . . . . . . 1067.4. Perfil Calle. . . . . . . . . . 107

7.5. Propiedades de Cuencas . . . . . . . 1087.6. Propiedades de Conexiones. . . . . . . . 1117.7. Propiedades de Lneas. . . . . . . . 113


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NDICE DE FIGURAS.

CAPTULO 4 METODOS DE CLCULO USADOS POR EPA SWMM 5.0 . 264.1. Esquema de Escorrenta Superficial. . . . . . 274.2. Esquema de Aguas Subterrneas. . . . . . . 294.3. Curva de Capacidad de Horton. . . . . . . 31

4.4. Esquema de Green Ampt. . . . . . . . 32

CAPTULO 5 HERRAMIENTAS DE EPA SWMM 5.0. . . . . 415.1. Hidrogrma Unitario. . . . . . . . . 465.2. Diagrama de Bombas. . . . . . . . 515.3. Editor de Secciones Transversales. . . . . . . 535.4. Vista General. . . . . . . . . . 615.5. Men Principal. . . . . . . . . 625.6. Barra de Herramientas Estndar . . . . . . 635.7. Barra de Herramientas del Mapa. . . . . . . 645.8. Barra de Herramientas de Objetos. . . . . . . 645.9. Barra de Animacin. . . . . . . . . 65

5.10. Barra de Estado. . . . . . . . . 655.11. Resultados del Mapa. . . . . . . . 715.12. Grafico de Series Temporales. . . . . . . 72

CAPITULO 6 ESTUDIO DE ANTECEDENTES DE PROYECTO CHOL CHOL . 746.1. Perfil Tipo Proyecto Chol Chol . . . . . . 756.2. Perfil de Almacenamiento. . . . . . . . 866.3. Esquema del Sifn. . . . . . . . . 876.4. Sumidero tipo S1. . . . . . . . . 886.5. Construccin de Sumidero en EPA SWMM 5.0. . . . . 896.6. Seccin Transversal Canal. . . . . . . . 95

CAPITULO 7 APLICACIN DE EPA SWMM 5.0 EN PROYECTO CHOL CHOL. 987.1. Valores por Defecto. . . . . . . . . 1007.2. Editores de Propiedades. . . . . . . . 1147.3. Curva de Descarga para R-1. . . . . . . 1157.4. Grafico Temporal de Caudales. . . . . . . 1207.5. Grafico Dispersin Caudal Nivel. . . . . . . 1217.6. Perfil Longitudinal. . . . . . . . . 121


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CAPTULO 1INTRODUCCIN.


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CAPTULO 1. INTRODUCCIN

APLICACIN DE HERRAMIENTAS INFORMTICAS EN LA HIDROLOGA URBANA2

Captulo 1. INTRODUCCIN.

1.1. Descripcin del Problema

A travs de la historia, comenzando en la clsica Roma, el manejo de aguas en lasciudades ha sido uno de los factores que condicionan en mayor forma el nivel de

bienestar en la poblacin residente. Esta condicionante viene dada, principalmente, por

necesidades de abastecimiento de agua potable y evacuacin de las aguas residuales.

En un comienzo las redes de drenaje fueron concebidas para transportar los excesos

de aguas producto de la lluvia, a medida que la poblacin de las ciudades aument, el

problema ms grave fue la higiene. Grandes centros urbanos como Paris y Londres

sucumbieron frente a enfermedades como el clera, el cual produjo miles de

defunciones.

Es as como nace la red de alcantarillado, la cual, comnmente bajo tierra, es la

encargada de alejar lo ms rpidamente el agua producto de la actividad humana o de

los episodios de precipitacin.

Pero, por el hecho de ser una obra subterrnea, sumado con el poco uso a plenacapacidad ha resultado ser una de las reas de infraestructura ms olvidadas dentro de

una ciudad, la cual se hace notar solo en invierno, cuando falla.

Es as como cada invierno nos podemos percatar que muchas de las redes de

alcantarillado y evacuacin de aguas lluvias son incapaces de dar solucin a los

requerimientos a los que son sometidos, en parte porque fueron calculados para

poblaciones menores o tan solo por falta de mantenimiento.

Todos estos problemas impulsaron al estudio del tema, aplicando conceptos de

Hidrulica e Hidrologa en medios urbanos, desarrollndose as la Hidrologa Urbana.


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1.2. Estado Actual del Problema.

Desde el comienzo del estudio de la hidrologa Urbana las herramientas que se

emplean para el clculo y la gestin de redes se han mantenido casi inalterables, es as

como an se utiliza para el clculo de la lluvia neta el mtodo racional y la ecuacin deprdida de Manning para la simulacin del transporte de caudales dentro de los

conductos.

Sin embargo, durante el ltimo tiempo se ha producido un cambio de concepcin muy

importante debido a la aparicin de herramientas informticas, las cuales otorgan un

nmero cada vez mayor de posibilidades de gestin y clculo de redes de saneamiento.

Desde el desarrollo del programa de anlisis de redes de alcantarillado Storm Water

Management Model en el ao 1971, se han generado una gran cantidad de software,

perfeccionando las tcnicas aplicadas por cada uno de ellos para el desarrollo de todo

tipo de problemas habituales que podemos encontrar en las redes de drenajes. En la

actualidad existen modelos de simulacin del comportamiento de cualquier parte del

sistema de saneamiento, ya sea de anlisis de las precipitaciones, de las redes de

alcantarillado, de las estaciones depuradoras o de la difusin de los contaminantes en

el medio receptor.

1.3. Objetivos.

Es posible dividir los objetivos que se buscan con el desarrollo de esta tesis en uno

general, y varios objetivos especficos.

1.3.1. Objetivo General.

Entregar una base para el uso del software EPA SWMM 5.0 como una

herramienta vlida para anlisis y gestin de redes de drenaje de Aguas Lluvias,

con el fin de actualizar las metodologas de estudio de la Hidrologa Urbana.


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1.3.2. Objetivos especficos.

Comprender la situacin actual en la que se encuentra el drenaje urbano.

Aprendizaje del uso de software EPA SWMM 5.0.

Detallar herramientas y forma de operacin del software. Estudio de soluciones prcticas de elementos de un proyecto dentro del

software.

Aplicacin del software en el proyecto Pasadas Urbanas Nueva Imperial

Traiguen, comuna de Chol Chol.

Entregar registro visual sobre el modelado, que sirva como base para posteriores

trabajos de la universidad.


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CAPTULO 2INTRODUCCIN A LA HIDROLOGA

URBANA.


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CAPITULO 2. INTRODUCCIN A LA HIDROLOGA URBANA

APLICACIN DE HERRAMIENTAS INFORMTICAS EN LA HIDROLOGA URBANA 6

Capitulo 2. Introduccin a la Hidrologa Urbana

Se define Hidrologa Urbana como la Rama de la hidrologa que estudia el

comportamiento en las zonas urbanas, en donde predominan las superficies semi-

impermeables y el relieve artificial de terreno, analizando en particular el efecto deldesarrollo urbano.

En el presente capitulo se estudian algunas caractersticas que se deben tomar en

cuenta para el estudio de la hidrologa en medio urbano.

2.1. Elementos de un Sistema de Drenaje Urbano.

Un sistema de drenaje urbano se considera como la integracin de los tres elementos

bsicos siguientes:

2.1.1. Zona de Captacin Adyacente a los Colectores.

Correspondientes a pequeas cuencas, formadas por zonas ms o menos urbanizada

en la que el agua precipitada escurre sobre tramos relativamente cortos, llevndolahacia colectores construidos para drenarla.

Al analizarla puede tratarse como las zonas naturales, teniendo en cuenta que la

presencia de una mayor urbanizacin reduce la infiltracin y el tiempo de concentracin,

aumentando por otra parte el coeficiente de escurrimiento.

Son reas modificadas por la accin del hombre, pudindose citar los casos generales

siguientes:

reas dedicadas a la agricultura, expuestas al flujo rpido y por lo tanto a

erosiones considerables.


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Zonas pequeas, semiurbanizadas, sin drenaje pluvial y cuya urbanizacin tiene

diferentes grados.

reas totalmente urbanizadas con grandes extensiones pavimentadas,

predominando las zonas residenciales, comerciales y de jardines, los

estacionamientos, un elevado nmero de vas de comunicacin, etc. La red dedrenaje en esta zona, por lo regular, es en su totalidad subterrnea.

2.1.2. Red de Colectores.

Consiste de una serie de elementos cuya geometra est bien definida y en el caso de

los drenajes urbanos puede constituir una parte muy importante del drenaje general.

Este elemento est integrado por un conjunto de canales y tuberas, conectados entre

s formando una red, cuyo objetivo es conducir el agua a zonas en las que no cause

problemas.

En las grandes urbes, la red que se forma es bastante compleja pudiendo construirse

tanto superficial como subterrneamente.

2.1.3. Zona Natural de Captacin.

Esta zona est compuesta por algn cauce natural y una serie de afluentes que

descargan al mismo. El drenaje de la precipitacin se realiza a travs de la topografa

natural del terreno y puede presentar cualquiera de las siguientes caractersticas:

Son reas que no han experimentado desarrollo alguno.

Pueden ser regiones boscosas de vegetacin abundante, que no permiten altasvelocidades en el escurrimiento, originando infiltraciones fuertes y aumentando

los tiempos de retraso en el escurrimiento.


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Pueden ser zonas altas de las cuencas donde el terreno no est protegido con

vegetacin alguna, ocasionando que los tiempos de concentracin sean bajos y

los coeficientes de escurrimientos altos.

En esta zona, se presentan variaciones en los escurrimientos y en sus respectivoscoeficientes, debido fundamentalmente al tipo de vegetacin, al uso del suelo que

predomina en la cuenca de estudio, a su pendiente y en general a las caractersticas

fisiogrficas de la misma. Segn las caractersticas del lugar esta zona puede aportar

un gran caudal de cabecera, que puede avanzar hacia la red de drenaje.

2.2. Evolucin y Problemas de la Hidrologa Urbana

A travs del tiempo los sistemas de drenaje han cambiado de zanjas primitivas a

complejas redes de alcantarillas y conductos superficiales y subterrneos.

Las frmulas empricas tradicionales empleadas durante las ltimas dcadas, resultan

hoy da inadecuadas. La aproximacin a travs de gastos mximos promedio,

calculados a partir de frecuencias relativas no es suficiente para la mayora de los

diseos actuales.

Ahora bien, para manejar satisfactoriamente los elementos bsicos, es necesario

actualizarse con el desarrollo de nuevas tcnicas. Asimismo, es necesario combinar los

procesos hidrolgicos fundamentales con modelos matemticos de forma tal que

produzcan resultados confiables en puntos de inters en el tiempo y espacio.

Las actuales demandas de la sociedad para implantar mejores controles sobre el medio

ambiente, requiere que las consideraciones sobre calidad del agua se sobrepongan a

las estimaciones de cantidad, para un manejo integral del recurso agua.

Objeciones fundamentales sobre los mtodos tradicionales que se han aplicado para

disear sistemas de drenaje urbano:


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Las frmulas empricas utilizadas han sido calibradas en zonas con condiciones

diferentes a las del problema especfico que se pretende resolver.

El sustituir la distribucin de una caracterstica por un valor promedio, impide

tomar en cuenta el ordenamiento que dicha caracterstica presenta en el sistema.

El integrar los tres elementos de un sistema de drenaje urbano en un todo,impide ver con claridad los efectos que se producen cuando se modifica una de

ellas y dificulta por consiguiente el dilucidar, las consecuencias que tiene el

establecimiento de una nueva zona urbanizada sobre el drenaje general de una

ciudad.

Las limitaciones de los mtodos tradicionales de anlisis han propiciado un desarrollo

anrquico de los sistemas de drenaje urbano en las principales urbes del mundo,

provocando un estado crtico en la mayora de las metrpolis.

La crisis anterior, ha motivado la revisin de los mtodos de diseo y la aparicin de un

gran nmero de publicaciones en los que se desarrollan nuevas herramientas de

clculo cubriendo un espectro muy amplio en cuanto al grado de subdivisin de los

elementos que integral el sistema de drenaje.

En un extremo de este espectro estn los mtodos tradicionales que, como se sealanteriormente, consideran al sistema de drenaje como un todo. En el otro extremo se

encuentran mtodos que utilizan una subdivisin detallada en cada uno de los

elementos del sistema, pero que requieren para ello informacin excesiva que en

muchas ocasiones no es posible contar.

2.3. Efectos de la Urbanizacin en el Proceso Lluvia-Escorrenta.

La consecuencia ms importante de la urbanizacin es la modificacin drstica de las

condiciones naturales, que gobiernan el movimiento, la distribucin y la calidad del

agua. En general la urbanizacin intensifica y acelera el proceso lluvia-escurrimiento.


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La urbanizacin impermeabiliza las reas naturales, lo que incrementa la cantidad de

lluvia que se convierte en escurrimiento superficial, es decir incrementa el coeficiente de

escurrimiento.

Adems, la aceleracin producida en el proceso lluvia-escurrimiento, debida a lasustitucin del suelo natural por superficies menos rugosas y mejor alineadas, hace que

se produzca una disminucin del tiempo de concentracin de las avenidas y por lo

tanto, un incremento en el gasto mximo de las mismas.

Otros efectos de la urbanizacin, que siendo indirectas son muy importantes, son las

invasiones de los cauces naturales y sus planicies de inundacin y la deforestacin de

las cuencas aportantes.

2.4. Gestin del Drenaje Urbano.

El concepto de gestin de drenaje urbano corresponde a la buena planificacin que se

debe tener sobre el comportamiento de la red de drenaje para un periodo de

precipitacin. Para evitar que ocurra que las zonas bajas sufren inundaciones

consecuencia de la escorrenta de las zonas superiores.

Base en este concepto de gestin son las siguientes caractersticas:

Se deben considerar los causes naturales como parte de la red de drenaje, los

cuales se pueden mejorar y complementar con obras artificiales.

Se tiene que respetar el sistema natural de drenaje, estableciendo a travs de

todas las reas que se urbanicen alguna alternativa de desage que llegue hasta

algn cauce mayor, natural o artificial.

Debe haber un compromiso que establezca que una vez urbanizado un rea, esa

no generara mayor escorrenta que en su estado natural.

Para lograr estos puntos ltimamente se han generado ideas con las cuales es posible

reducir la mxima escorrenta durante el periodo de lluvia. Estas estn enfocadas a la


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acumulacin e infiltracin de caudales ms cerca de los lugares donde se generan,

para no traspasar el problema a sectores ms bajos.

Obras de Almacenamiento de Aguas Lluvias.

Su principal objetivo es diferenciar el tiempo de transporte del caudal para disminuir elcaudal mximo, no necesariamente disminuyendo el total de caudal drenado. Pudiendo

almacenar desde pequeas cantidades en techumbres hasta grandes volmenes en

estanques.

Obras de Infiltracin de Aguas Lluvias.

Apunta a disminuir los volmenes de agua a transportar. Ya que existe una fraccin que

se infiltra en el terreno. Tambin se considera que disminuyen la carga de

contaminantes que llega a los cauces superficiales al quedar retenidos en el suelo o

atrapados al infiltrarse parte importante de ellos. Los dispositivos de este tipo tambin

pueden clasificarse como difusos o concentrados. Teniendo los primeros menor

capacidad, al contrario las obras concentradas corresponden a zanjas o pozos, los

cuales pueden incluso ejercer presin sobre las napas subterrneas.

Obras que Combinan Almacenamiento con Infiltracin.

Posee caractersticas de las 2 obras anteriores Estas obras se disean de manera delograr una disminucin de los caudales mximos por retencin y una disminucin de los

volmenes mediante infiltracin.

Desconexin de reas impermeables.

Es una alternativa que entrega buenos resultados en las pequeas tormentas. Consiste

en aislar zonas impermeables menores, obligando a la escorrenta a pasar por alguna

zona natural, en donde puede perder volumen. Un ejemplo claro de este mtodo es no

conectar directamente las bajada de agua de los techo con la red de drenaje, sino hacer

que el caudal pase por el jardn.


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2.5. Mtodos para Estimar Relaciones Lluvia-Escorrenta en Zonas Urbanas.

El diseo del drenaje urbano se puede resolver con diversos enfoques y depende de la

cantidad y calidad de la informacin disponible en la cuenca de estudio.

En los ltimos aos se han implementado diversos mtodos estructurados condiferentes concepciones tericas, los cuales se pueden clasificar en:

2.5.1. Mtodos Hidrolgicos.

Estos mtodos consideran que existe una relacin funcional nica de tipo lineal, entre la

distribucin de la lluvia en el tiempo y el hidrogrma de salida de la cuenca. Esta

relacin funcional se basa en principios hidrolgicos y se calibra con registros

simultneos de lluvia y escurrimientos en la cuenca de anlisis.

Pertenecen a esta clasificacin el mtodo del hidrogrma unitario y el del Road

Research Laboratory (RRL).

2.5.2. Mtodos Hidrulicos o Semi-hidrulicos.

Con estos mtodos, se calculan los hidrogrmas en diferentes puntos de un cauce o de

un colector de la cuenca de estudio, utilizando las ecuaciones de conservacin de la

masa y cantidad de movimiento con diferentes grados de simplificacin.

Para el clculo de los hidrogrmas se utilizan las caractersticas fsicas de la cuenca y

el mtodo de Chicago pertenece a este grupo.

En general, con este tipo de mtodos se podr estimar el gasto producido por una

tormenta en una cuenca urbana, o bien la variacin de los tirantes en redes de

colectores de tipo subterrneo o superficial.

2.5.3. Mtodos Directos o Empricos.

Este tipo de modelos consideran que los elementos principales del hidrogrma

producido por una tormenta, se pueden calcular con las caractersticas fsicas promedio

de la cuenca.


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En general, estos mtodos se han calibrado en cuencas con caractersticas propias y

para su uso se deben realizar correcciones en la cuenca de aplicacin.

A este grupo pertenecen el mtodo racional, el de Burky-Ziegler y el grfico alemn.

2.6. Proceso Lluvia-Escorrenta en Cuencas Urbanas.

El proceso lluvia-escorrenta en zonas urbanas, presenta caractersticas muy

peculiares, describiendo a continuacin las fases ms relevantes.

La lluvia es interceptada parcialmente por la vegetacin, principalmente por las ramas

de los rboles, antes de llegar al suelo, luego, al llegar al suelo se presentan dos

fenmenos simultneos:

Infiltracin de la lluvia en el terreno

Acumulacin de lquido en las depresiones del terreno.

Estos procesos continan hasta formarse un tirante suficiente que rompa la tensin

superficial. Este hecho sucede cuando la intensidad de la lluvia es mayor que lacapacidad de infiltracin del terreno. Inicindose el escurrimiento superficial.

Al ocurrir el escurrimiento superficial se presentan varios procesos simultneos:

El agua se contina infiltrando en el terreno, las depresiones ms grandes del terreno

comienzan a llenarse, aportando un caudal a la escorrenta, la que llega hasta la cuneta

por donde se traslada segn la pendiente hasta llegar a un sumidero por el cual entra a

la red de drenaje.

En la red de drenaje el movimiento del volumen de agua est regido por las ecuaciones

de continuidad y cantidad de movimiento.


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En la hidrologa urbana se acostumbra denominar prdidas a la parte del volumen

precipitado que no escurre por la superficie de la cuenca y sus componentes son:

Evaporacin.

Almacenamiento en depresiones. Infiltracin.

En la prctica los componentes de las prdidas son difciles de separar y para efectos

del clculo del escurrimiento en problemas de drenaje urbano, comnmente se estiman

en forma conjunta y se llama infiltracin a la prdida total.

2.6.1. El Mtodo Racional.

Esta metodologa es la ms utilizada actualmente en nuestro pas para el clculo de

escorrenta. Data desde 1850. Normalmente recomendado para cuencas pequeas, si

bien es cierto el Manual de Carreteras volumen 2 (2.402.8) lo recomienda para reas de

hasta 2500 ha, existen en la literatura tradicional versiones encontradas, en donde se

habla desde 30 ha, hasta cuencas de 3000 km. Est determinada por la expresin:

(2.5.3.1)

En donde:

: Caudal : (m3/s)

: Coeficiente de Escorrenta. : (Adimensional)

: Intensidad de la Lluvia. : (mm/hr)

: rea Aportante : (km2)

Coeficiente Escorrenta.Corresponde a un valor el cual depende de las caractersticas del suelo, tales como:

morfologa, composicin, uso del suelo, cobertura vegetal, capacidad de infiltracin y

almacenamiento de agua.


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El Manual de Carretera seala 2 tablas con coeficientes de escorrenta entre los cuales

se debe elegir el que mejor represente al suelo.

Se recomienda que las cuencas sean homogneas, en caso de no serlo se puede

dividir la cuenca, elegir un coeficiente por cada sub-cuenca y ponderar un resultadopara identificarlas a todas. Aun as, el coeficiente de escorrenta es la variable menos

precisa dentro del uso de este mtodo, pues debiera considerarse la totalidad de

superficies, esto puede incluir desde techos de viviendas, hasta jardines o campos,

cuya medicin es compleja, por lo tanto el coeficiente final estar determinado por el

grado de experiencia del proyectista.

Intensidad de la Lluvia.

La intensidad de la lluvia corresponde al promedio de lluvia en mm/hr. Depende del

tiempo de concentracin y de la tasa de retorno. El tiempo de concentracin se define

como el tiempo necesario para que toda la cuenca, hasta los sectores ms alejados,

contribuyan con caudal para la formacin de escorrenta. Existe una gran variedad de

mtodos para su clculo, para una misma cuenca los resultados pueden ser bastante

diferentes, es por eso que debe someterse a un anlisis la factibilidad fsica del

resultado, como norma se establece que el tiempo de concentracin de debiera ser

menor a 10 minutos salvo casos especficos.

Luego de determinar el tiempo de concentracin se debe recurrir a curvas IDF o

calcular la intensidad con distintos parmetros que se entregan los cuales varan

dependiendo de la zona y del periodo de retorno, pero se encuentran bien tabuladas en

el Manual de Carreteras.

rea Aportante.

Corresponde al rea total de la cuenca, el cual se puede calcular directamente en

terreno mediante instrumentos topogrficos o mediante planos. Debe incluirse toda el

rea que contribuye al sistema, tomando el relieve como lmite y no las distribuciones

comerciales.


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Como se puede apreciar es un mtodo bastante simplificado, el cual de alguna manera

entrega una aproximacin del caudal entregado, pero este resultado es inexacto.


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CAPTULO 3INTRODUCCIN A EPA SWMM 5.0.


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CAPTULO 3. INTRODUCCIN A EPA SWMM 5.

18APLICACIN DE HERRAMIENTAS INFORMTICAS EN LA HIDROLOGA URBANA

Captulo 3. Introduccin a EPA SWMM 5.0

3.1. Creacin y Desarrollo de EPA SWMM 5.0

Actualmente en nuestro pas, para el clculo de la transformacin lluvia-escorrenta seutiliza el mtodo racional, para el clculo en el interior de los conductos la formula de

prdidas de Manning. Al desarrollar esta metodologa se realizan muchas suposiciones,

las que por lo general no son correctas, adems de simplificar y obviar muchas

variables las cuales son determinantes para simular correctamente la generacin y

transporte de caudales, una de las ms importantes es considerar un rgimen

permanente y uniforme.

Al observar una red de drenaje es posible percatarse que el recorrido de los volmenes

de aguas es muy complejo: atraviesa conductos de geometra y caractersticas muy

variables, conociendo que es un movimiento de un fluido no uniforme y no estacionario,

podemos decir que el estudio tradicional que se ha efectuado de las redes de

alcantarillado es bastante incompleto e impreciso, ofreciendo bastantes interrogantes

sobre su idoneidad.

El Storm Water Management Model es un software desarrollado por la Agencia deProteccin Medioambiental de Estados Unidos, es un modelo dinmico de simulacin

de precipitaciones que permite realizar el seguimiento de un nico acontecimiento

pluviomtrico o de un conjunto de ellos dentro de un periodo de tiempo extendido. As

mismo permite determinar el caudal y la calidad de las aguas proveniente de la

formacin de escorrenta.

Este software puede ser utilizado para calcular los caudales de aguas de lluvia

precipitada sobre un nmero determinado de cuencas, pudiendo analizar el trnsito por

tuberas, canales, dispositivos de almacenamiento y de tratamiento, bombas y

elementos reguladores, de las aguas de escorrenta de las mencionadas cuencas.


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SWMM comienza a desarrollarse en el ao 1969 por la compaa Water Resources

Emgineering Inc., Metcalf & Eddy Inc. y la Universidad de Florida, bajo el

financiamiento y supervisin de la Agencia de proteccin ambiental de Estados Unidos.

Siendo el primer modelo hidrolgico hidrulico desarrollado para uso urbano.

Entre los aos 1975 y 1981 se producen las versiones 2 y 3 de SWMM, agregando

rutinas de clculos los cuales modelan la propagacin del flujo en la red, de los

contaminantes y agregan capacidades de leer precipitaciones en formatos de uso

habitual en EEUU y Canad.

Pero no es hasta 1988 que se difunde a nivel pblico el programa, esto se realiza con el

lanzamiento de SWMM 4.0, momento en el cual EPA da por terminado el soporte

econmico al programa.

A pesar de esto diferentes entidades continan con el mejoramiento del software, lo que

arroja como resultado el lanzamiento de EPA SWMM 5.0 en el ao 2004, versin en la

que se destaca la gran mejora en la interfaz grafica, la cual trabaja bajo el sistema

operativo Windows.

A partir de ah se han desarrollado diferentes mejoras menores, las que han hecho que

la ltima actualizacin de programa sea EPA SWMM 5.011.

El cual se distribuye gratuitamente a travs de internet mediante la pgina

http://www.epa.gov/ednnrmrl/models/swmm/index.htm

3.2. Modelo Conceptual usado por EPA SWMM 5.0

El mtodo conceptual utilizado por SWMM consta de 4 mdulos que interactan entre

s, estos son los siguientes:


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3.2.1. Mdulo atmosfrico.

En este modulo se analiza la distribucin temporal y espacial de la lluvia en la zona de

estudio para el periodo que se desea modelar, los datos para el clculo de estas

precipitaciones se obtienen analizando las series histricas de precipitaciones de las

diferentes estaciones pluviomtricas instaladas en la zona. Es posible adems,estudiar las fuentes de contaminantes presentes, tanto las de tipo puntual, producidas

por la industria y la poblacin, como las repartidas en la superficie expuesta a la

escorrenta, basndose en los diferentes usos del suelo.

Para modelar este fenmeno SWMM acepta el ingreso de datos de lluvia en diversos

formatos, en funcin de la disponibilidad de los mismos. Se pueden realizar

simulaciones con un intervalo de tiempo largo, incluso de aos, en estos casos en

conveniente introducir datos sobre climatologa como: velocidad del viento, temperatura

y evaporacin.

La forma de funcionamiento habitual para perodos ms cortos es asignar los datos de

lluvia a uno o varios pluvimetros, en funcin de la distribucin espacial de la lluvia,

generalmente para periodos de lluvia reducidos los datos climatolgicos se obvian.

En cuanto a la generacin de contaminantes, el modelo posee una opcin para definirtodos los tipos que se quieran simular, tanto para los presentes en la lluvia, como los

que se arrastrarn del terreno con la escorrenta.

La opcin de definir usos del suelo nos permite hacer un reparto espacial de los

contaminantes en funcin de las actividades que se desarrollan en el territorio, por lo

que el modelo tiene una gran capacidad para definir la distribucin espacial de

contaminantes.

3.2.2. Mdulo de Superficie del Suelo.

Se trata de caracterizar una cuenca utilizando una serie de planos que representan los

diferentes tipos de superficie, luego de definir estas opciones se aplica un modelo de


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transformacin lluvia-escorrenta para obtener los caudales de entrada a la red de

drenaje y los aportes de contaminantes como concentraciones de los mismos.

En la fase de transformacin lluvia-escorrenta se simulan los fenmenos de generacin

de escorrenta, se calculan hidrogrmas y polutogramas los cuales contendrn losvolmenes de agua y concentracin de contaminantes que entraran a la red en cada

periodo de tiempo.

Para calcular el volumen de escorrenta SWMM conceptualiza la subcuenca en

depsitos situados en un plano inclinado con una forma rectangular, producindose

cuando la precipitacin supera el valor de retencin inicial y la infiltracin.

El programa tambin permite simular el comportamiento del deshielo de la nieve e

introducir acuferos que aporten agua a la red mediante la infiltracin, en caso de

realizar simulaciones a largo plazo.

En cuanto a las concentraciones de contaminantes y la formacin de un polutograma de

entrada a la red, SWMM utiliza una funcin llamada lavado de contaminantes, que

obtiene la carga de contaminante en unidades de masa por unidad de tiempo. El

usuario indica las caractersticas de la ecuacin que modelar el proceso, ya seaexponencial o proporcional a la escorrenta, y otros parmetros como los das que han

pasado desde el ltimo episodio de lluvia o la porcin de contaminantes susceptible a

ser transportada por el agua de lluvia en el lavado de la superficie de la cuenca.

3.2.3. Mdulo de Aguas Subterrneas.

El Modulo de Aguas Subterrneas el cual recibe la infiltracin de la superficie del suelo

y puede transfiere una fraccin de la misma al mdulo de Transporte a travs de los

objetos Acuferos

En general un acufero se puede relacionar con una o ms cuencas. Y su moldeamiento

se basa en la caracterizacin de suelo introduciendo valores como la porosidad del

suelo, la conductividad del acufero, la altura de evotranspiracin, la cota de base y la


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tasa de transferencia de caudal a cotas ms profundas. Para una mejor aproximacin

del modelo se indica el nivel inicial de aguas subterrneas y la humedad inicial del

terreno.

Mediante estas caractersticas de delimitan 2 zonas, una saturada y la otra insaturadaentre las cuales ocurrirn los flujos de humedad.

3.2.4. Mdulo de Transporte

En esta fase, lo que se hace es propagar los hidrogrmas y polutogramas de entrada a

travs de la red. Hoy en da es posible utilizar modelos con la capacidad de resolver las

ecuaciones completas de Saint-Venant para flujo en rgimen no permanente, mediante

un procedimiento de integracin numrica:

Es posible utilizar tres tipos de solucin a las ecuaciones de Saint-Venant, en funcin

de la exactitud a la que se quiera llegar en la simulacin. Si estamos hablando de una

red de alcantarillado compleja, como son las de la mayora de ciudades, el modelo se

deber ejecutar con el esquema de Onda Dinmica, que resuelve las ecuaciones de

forma completa.

Para conducir los caudales de entrada a travs de la red deben modelarse cadaelemento mediante los objetos que nos otorga el software, se debe hacer una

esquematizacin de la red mediante conducto y conexiones, pudiendo incluir elementos

especiales para representar diferentes singularidades como orificios, vertederos,

unidades de almacenamiento o bombas.

Las ecuaciones se resuelven de forma conjunta de forma secuencial para determinar

caudales y niveles en conductos y nudos para los intervalos seleccionados por el

usuario, utilizando un esquema de diferencias finitas explcito.

Para la correcta ejecucin de esta metodologa es importantsimo introducir en el

modelo todas las caractersticas geomtricas de la red. Ya sea cotas, altura, secciones,

coeficientes de rugosidad por mencionar las ms comunes.


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Existe tambin la alternativa de simular acumulaciones de lquido en la superficie de

nodos e introducir perdidas de cargas puntuales o repartidas a travs de los elementos.

Para simular el funcionamiento de los elementos especiales del sistema se disponen decurvas de funcionamiento y ecuaciones que rijan el comportamiento de bombas,

orificios, etc.

Para el anlisis del transporte de contaminantes en la red, el modelo asume que el

conducto acta como un reactor de mezcla completa. La concentracin de un

contaminante en el conducto al final de cada intervalo de clculo se halla mediante la

integracin de la ecuacin de conservacin de la masa, usando los valores medios para

las cantidades que pueden variar entre cada intervalo.

3.3. Capacidades y Usos de EPA SWMM 5.0

Mediante el empleo de SWMM es posible analizar los siguientes procesos hidrolgicos:

Precipitaciones.

Evaporacin de aguas almacenadas en contenedores de superficie.

Acumulacin y deshielo de nieve. Intercepcin de precipitaciones por almacenamiento en depresiones.

Infiltracin de precipitaciones en subsuelos no saturados.

Infiltracin de precipitaciones en acuferos.

Intercambios de flujo entre acuferos y sistemas de transporte.

SWMM 5.0 dispone de un conjunto de herramientas de modelacin de flujos de

escorrenta superficial con capacidad para: Manejar redes de alcantarillado de tamao ilimitado.

Utilizar conducciones con geometra abierta o cerrada.

Modelar elementos como; dispositivos de almacenamientos y tratamientos,

bombas, vertederos, etc.


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Aplicar caudales externos y concentraciones para analizar la calidad de las

aguas superficiales.

Aplicar mtodos como los del flujo uniforme, la onda cinemtica o la onda

dinmica.

Modelar regmenes de flujo de remanso, entrada en carga o presin, flujo inversoy acumulacin en superficie.

Efectuar controles dinmicos para simular el funcionamiento de bombas,

aperturas de orificios o la posicin de la cresta en vertederos.

En lo referente a la produccin y evolucin de cargas contaminantes presentes en las

escorrentas, SWMM 5.0 tambin dispone de herramientas con las que es posible

modelar los siguientes procesos:

Acumulacin de contaminantes en tiempo seco.

Arrastre de contaminantes por las escorrentas.

Reduccin de acumulacin de contaminantes por limpieza de calles en tiempo

seco.

Reduccin en cargas de arrastre.

Transporte de aguas negras en la red de alcantarillado.

Seguimiento de sustancias presentes en las aguas en su recorrido por todo el

sistema.

Reduccin de la concentracin de contaminantes por tratamiento de las aguas o

por procesos naturales producidos en tuberas y canalizaciones.

Debido a las capacidades descritas anteriormente este software est capacitado para

ser utilizado en las siguientes actividades:

Disear y dimensionar redes de drenaje urbano para prevenir inundaciones.

Dimensionar dispositivos de retencin y elementos de control de inundaciones ypreservacin de la calidad de las aguas.

Delimitacin de zonas con riesgo de inundacin en barrancos y cauces naturales.

Establecimiento de estrategias de control de redes de alcantarillado para limitar

el nmero de descargas en sistemas unitarios.


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Evaluacin de impactos por aportes e infiltraciones de aguas.

Luego de introducir los datos y realizar la simulacin, SWMM ofrece variadas

alternativas de representacin de resultados, mediante los cuales es posible analizar en

qu puntos existen deficiencias hidrulicas, entradas en carga o inundacionessuperficiales.

Los resultados se pueden visualizar mediante diagramas de series de tiempo,

diagramas de dispersin, perfiles longitudinales, tablas de datos o informes con las

estadsticas, pudiendo escoger de muchas formas cuales son los parmetros a

representar.


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CAPTULO 4MTODOS DE CLCULOS USADOS POR

EPA SWMM 5.0.


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CAPTULO 4. METODOS DE CLCULO USADOS POR EPA SWMM 5.


Captulo 4. Mtodos de Clculo usados por EPA SWMM 5.0.

En el siguiente captulo se describe la metodologa usada por el software para resolver

los problemas de generacin, transporte y descarga de caudales de agua y

contaminantes as como los fenmenos que intervienen en cada etapa.

4.1. Escorrenta Superficial.

El mtodo de clculo para la escorrenta simula una estructura de depsito. En la cual

SWMM considera los posibles aportes y prdidas, calculando la escorrenta que estara

dado por la diferencia de volmenes.

Como aporte se tiene la precipitacin, que puede ser agua o nieve y escorrenta

preveniente de otra cuenca. Como perdida se tiene la Infiltracin, evaporacin y la

escorrenta superficial. Adems puede existir un volumen que retiene la cuenca,

llamado almacenamiento en depresin. De ser mayor los volmenes de perdidas

sumados al almacenamiento en depresin no se generar escorrenta.

Una representacin de esto se muestra en la Figura 4.1:

Figura 4.1.Esquema de Escorrenta Superficial

El caudal saliente o escorrenta superficial esta dado por ecuacin (4.1).


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(4.1)

En donde:

: Caudal. : (m3/s): Ancho de la cuenca. : (m)

: Altura de Agua en la cuenca. : (m)

: Prdida Inicial. : (m)

: Pendiente media de la cuenca. : (%)

: Coeficiente de Rugosidad de Manning. : (Adimensional)

En la que se incluye el ancho de la subcuenca y en nmero de rugosidad de Manningcomo parmetros de ajuste para la mejor representacin de la cuenca.

Este mtodo calcula el volumen de escorrenta para los lapsos de tiempo determinados,

pero no permite el estudio del movimiento de escorrenta en el interior de la cuenca.

4.2. Aguas Subterrneas.

El modulo de clculo para las aguas subterrneas en SWMM es bastante simple. Se

basa en perdida o ganancia de volmenes de humedad entre diferentes sectores: la

superficie, una zona superficial no saturada con contenido de humedad , un sector

inferior de la napa que se encuentra completamente saturado, una eventual napa de

mayor profundidad, hacia la cual se puede filtrar agua y el sistema de saneamiento,

hacia el cual tambin se puede filtrar agua, dependiendo de la profundidad de la zona

saturada y de la altura de calado del sistema de drenaje. Se puede representar por laFigura 4.2.


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Figura 4.2.Esquema de Aguas Subterrneas.

En donde:

: Representa la infiltracin.

: Corresponde a la evotranspiracin desde la zona superior.

: Es la infiltracin desde la zona superior a la inferior.

: Evotranspiracin desde la zona inferior.: Filtracin desde la zona inferior a aguas subterrneas ms profundas.

: Interaccin lateral de las aguas subterrneas con el sistema de

saneamiento.

Luego de ingresar los valores requeridos, al momento de realizar la simulacin SWMM

calcular, para cada instante de tiempo, los intercambios de volmenes entre las

diferentes zonas reajustando la profundidad y humedad de la zona no saturada.


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4.3. Deshielo.

El mdulo de deshielo est relacionado directamente con la formacin de escorrenta.

Una vez que se produce deshielo la subcuenca utiliza este volumen de agua se aadir

de la misma manera que si fuera precipitacin.

Para cada instante de clculo SWMM efecta los clculos de la nieve cada, para

aadirla a la acumulada, actualiza los coeficientes de temperatura si estos indican que

la nieve se derrite entonces se reducen las reas impermeables y permeables cubiertas

con nieve de acuerdo a la curva de variacin introducida, se cuantifica el volumen de

agua formado y se agrega a la precipitada.

Para calcular la cantidad de nieve que se derrite se determinan:

En tiempo de Precipitacin: una ecuacin de intercambio de energa donde la

velocidad con que se derrite la nieve es proporcional a la temperatura y velocidad del

viento.

En tiempo sin Precipitacin:una ecuacin en la cual la velocidad con la que se derrite

la nieve es igual al producto del coeficiente de deshielo y de la diferencia detemperaturas entre el aire y la temperatura de deshielo de la nieve.

4.4. Mtodos de Infiltracin.

Infiltracin es el proceso en el cual el agua se traslada desde la superficie del terreno a

capas ms profundas, para realizar estos clculos SWMM propone 3, estas son:

4.4.1. Mtodo De Horton.

Desarrollado en 1940 la ecuacin de Horton describe un cambio en la capacidad de

infiltracin del terreno proporcional entre la capacidad de infiltracin actual del terreno y


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Figura 4.4.Esquema de Green Ampt

Este mtodo postula que existe una frontera bien delimitada, denominada frente de

mojado, el cual separa el terreno con humedad inicial del terreno que ya ha sido

afectado por la infiltracin y que se encuentra con un contenido de humedad final

correspondiente a su porosidad (Figura 4.4).

Por lo tanto, para una seccin vertical de suelo con una altura L, humedad inicial ,

porosidad , la profundidad acumulada de agua que se ha infiltrado en un instante t es:

(4.3)

Green y Ampt relacionaron esta ecuacin con la ley de Marc, obteniendo como

resultado un modelado que arroja que la capacidad de infiltracin acumulada estar

dada por:

(4.4)


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En donde:

K: Conductividad hidrulica del suelo

: Altura de Succin del Suelo

: Contenido de Humedad

Al momento de caracterizar la modelacin de la infiltracin por este mtodo debemosdefinir valores para la altura de succin, conductividad Hidrulica y el dficit inicial del

suelo, que corresponde a la diferencia entre la porosidad del suelo y la humedad inicial.

4.4.3. Mtodo de Nmero de Curva.

Es un sistema diseado por el Soil Concervacion Service, en 1972.

Postula que la escorrenta directa, es siempre menor o igual que la precipitacin. Luego

de haberse iniciado el proceso de escorrenta, el agua almacenada en el terreno es

igual o menor a una capacidad mxima potencial de retencin del suelo. Existe una

cantidad de precipitacin que no formar escorrenta. Defiendo la ecuacin de

continuidad (4.5).

(4.5)

En donde:: Escorrenta.

: Precipitacin.

: Prdida Inicial.

: Agua infiltrada.

Basado en numerosas experiencias en cuencas controladas el SCS encontr la relacin

emprica con lo que logra relacionar la precipitacin, con el exceso deprecipitacin de la siguiente forma:

(4.6)


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En donde:

: Precipitacin.

: Prdida Inicial.

: Coeficiente que representa la impermeabilidad de la Superficie.

Las relaciones obtenidas fueron graficadas y estandarizadas mediante curvas del 1 al

100 en las que las cercanas a 0 corresponden a cuencas totalmente permeables y las

que tienden a 100 corresponden a suelos impermeables.

Por otro lado los suelos fueron divididos en 4 grupos, segn su composicin:

Grupo A: Arena profunda, suelos profundos depositados por el viento, limos

agregados.

Grupo B: Suelos poco profundos depositados por el viento, marga arenosa.

Grupo C: Margas arcillosas, margas arenosas poco profundas, suelos con bajo

contenido orgnico y suelos con alto contenido de arcilla.

Grupo D: Suelos que se expanden significativamente cuando se mojan, arcillas

altamente plsticas y ciertos suelos salinos.

Luego para identificar ms exactamente el nmero de curva de un suelo se utiliza el

uso de suelo, en consecuencia conociendo la composicin y el uso del sueloobtendremos el nmero de curva del suelo. En el Manual de Carreteras existe una tabla

que muestra los nmeros de curvas ms usados (Tabla 4.1)


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Tabla 4.1. Nmeros de Curva tabulados en Manual de Carreteras

Cobertura Superficie % Impermeable Grupo de Suelo

Desarrollado A B C D

Prados y Parques

pasto < 50% 68 79 86 89

pasto 50%-75% 49 69 79 84

pasto >75% 39 61 74 80

reas Impermeables

Estacionamientos Privados 98 98 98 98

Calles y Caminos

Pavimentados 98 98 98 98

Grava 76 85 89 91

Tierra 72 82 87 89

Zonas Rurales

Praderas 68 79 86 89

Arbustos y pastos naturales 48 67 77 83

Cultivos en hileras 67 78 85 89

Bosques y praderas 43 65 76 82

Residencial

Sitios 500m o menos 65 77 85 90 92

Sitios 1000 m 38 61 75 83 87

Sitios 2000 m 25 54 70 80 85

Sitios 5000 m 20 51 68 79 84

Sitios 10000 m 12 46 65 77 82

reas Urbanas en Desarrolloreas Nueva poca vegetacin 77 86 91 94


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4.5. Calculo Hidrulico.

Una de las caractersticas ms importantes de SWMM es su potente motor de clculo,

con en el cual es posible desarrollar mtodos de flujo no permanente resolviendo o

aproximando las ecuaciones de Saint Venant, de igual forma existe la posibilidad detrabajar con rgimen uniforme, aunque se recomienda su uso solo para casos de

prediseo.

Ecuaciones de Saint Venant.

Estas ecuaciones fueron desarrolladas para representar el flujo no permanente en

lmina libre por Saint Venant en 1871, pero al no poder resolverse analticamente no

fueron empleadas masivamente hasta ahora. Su solucin est ligada a la resolucin

mediante mtodos numricos, por lo que mediante un software su resolucin se hace

mucho ms cmoda.

Para describir el movimiento del fluido de forma no permanente se debe partir de las

siguientes hiptesis:

Velocidad uniforme en la seccin transversal.

Suponemos una curvatura de lmina pequea. La distribucin de presiones dentro del conducto es hidrosttica.

El flujo dentro de cada conducto de la red es unidimensional. Solo se tiene en

cuenta la velocidad del agua en direccin a la alineacin del conducto.

Luego de asumir estas hiptesis es posible aplicar los principios de conservacin de la

masa, ecuacin de continuidad y la ecuacin de equilibrio de fuerzas actuantes. Para el

caso de movimiento no permanente en lmina libre, para una seccin constante, la

ecuacin de conservacin de la masa es:

(4.7)

La ecuacin de equilibrio de fuerzas se expresan:


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(4.8)

En donde:

: Velocidad media del agua en la seccin,: Nivel del agua en dicha seccin

: Seccin Transversal del conducto ocupado por el flujo.

: Ancho superficial del agua.

: Aceleracin de gravedad.

: Pendiente del conducto.

: Pendiente de la lnea de energa.

: La abscisa a lo largo del conducto: El tiempo.

La ecuacin anterior (ecuacin 4.8): no es ms que la representacin de todas las

fuerzas actuantes sobre el caudal:

Representan la aceleracin local y convectiva, es decir la inercia del

agua en movimiento.

Fuerza de presin debido a los diferentes niveles del agua dentro del

colector

Pendiente del colector, expresin de la fuerza de gravedad.

Pendiente Motriz, perdida de energa por unidad de peso y por unidad de

longitud, disipacin de energa por friccin.

Existen niveles de aproximacin para la resolucin de estas ecuaciones, las cuales

sirven como gua y cobran mayor validez, por ejemplo, si la pendiente de los conductoses mayor.


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Teniendo como la ecuacin ms completa la de onda dinmica (ecuacin 4.8), a

continuacin se tiene la aproximacin de la onda dinmica cuasi-permanente, en la que

se obvian los trminos de aceleracin local, quedando expresado por la ecuacin 4.9.

(4.9)

Luego si se desprecian los trminos inerciales estaremos en presencia de la ecuacin

tipo Onda Difusiva, cuya expresin es la siguiente:

(4.10)

Finalmente si despreciamos tambin los trminos de presin se tendr la ecuacin de laOnda Cinemtica, en la que estn presentes solamente la pendiente y las variables de

disipacin de energa. Se encuentra expresada de la siguiente manera:

(4.11)

Para la aplicacin de esta compleja metodologa se hacen necesarias algunas

consideraciones tales como:

Obtencin de datos hidrolgicos un estudio detallado de hidrogrmas

caudal/tiempo. No tiene sentido la utilizacin del mtodo racional, porque no

representa correctamente el fenmeno de precipitacin.

El Ingreso de datos reales y lo ms detallado de todas las propiedades de la red,

as como de la dems caracterstica de la zona de estudio.

Eleccin correcta de los intervalos de tiempo, ya que el software hace los

clculos segn el intervalo seleccionado por el usuario, en caso de ser

demasiado ocurrirn inestabilidades en el clculo hidrulico, especialmente

cuando existen cambios muy abruptos en los hidrogrmas de entrada.


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Para realizar los clculos el software otorga las siguientes alternativas:

4.5.1. Modelo de Rgimen Uniforme.

Corresponde al mtodo de clculo ms bsico en SWMM. Se trata en trasladar elhidrogrma calculado para un instante, a travs de cada conducto del sistema hasta

llegar al ltimo y que sea eliminado de la red.

No tiene en consideracin flujo inverso, acumulacin de agua en conductos, fenmenos

de resalto hdrico o flujo presurizado.

Este mtodo solo debe considerarse para redes arborescentes y para instancias

preliminares de diseo, siendo corroborado posteriormente por una metodologa ms

compleja.

4.5.2. Modelo de Onda Cinemtica.

Es recomendable usar este mtodo solo cuando las calles o conductos tienen una alta

pendiente, mayor a 1,0%, debido a que la onda cinemtica trabaja con una

aproximacin de las ecuaciones de Saint-Venant en las que se considera solo lasfuerzas de gravedad y de friccin del agua contra la superficie (ecuacin 4.11). Debido

a esto los conductos tendrn como capacidad mxima el valor dado por la ecuacin de

Manning.

En caso de haber un exceso de fluido simplemente ser eliminado o almacenado si se

activa la opcin Permitir Estancamiento, para ingresar a la red cuando la capacidad del

tubo lo permita.

Este mtodo permite la variacin del caudal dentro de los conductos, al igual que el

modelo anterior, este no es capaz de representar fenmenos ms complejos, como la

entrada en carga o el flujo inverso o las condiciones de contorno aguas abajo. Adems

su aplicacin se ve restringida a sistemas de tipo arborescentes.


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Dentro de los mrgenes establecidos se puede decir que es un mtodo de clculo

estable y bastante bueno, se utiliza principalmente cuando se modela en periodos de

tiempo largos.

4.5.3. Modelo de Onda Dinmica.

Corresponde al ltimo modelo de clculo utilizado por SWMM. Desarrolla por completo

las ecuaciones de Saint Venant (ecuacin 4.8), por lo que es ms preciso que los

presentados anteriormente, ya que adems de considerar las fuerzas de friccin y

gravedad aade la presin e inercia.

Esto tiene importantes beneficios como por ejemplo la posibilidad de representar el flujo

presurizado en los conductos, el cual es mayor que el calculado con la ecuacin de

Manning. Al igual que en los modelos anteriores de existir un volumen de fluido mayor a

la capacidad del conducto podr almacenarse, para ser introducido a la red cuando sea

posible.

Es posible su aplicacin a redes malladas como arborescentes, considera los

fenmenos de resaltos hidrulicos, almacenamiento en conductos perdidas en entrada

y salidas de cmaras de inspeccin y flujo inverso al considerar en los clculos lascondiciones de contorno del sistema aguas abajo.

Al poseer tal nivel de detalles es posible que se generen inestabilidades en el clculo,

debidos principalmente a la inercia. Es por esto que se entrega la opcin de atenuar

estos trminos para reducir su importancia o simplemente no trabajar con esta variable,

de elegir la ltima opcin se estar utilizando la onda difusiva , la cual contempla

fuerzas de gravedad, friccin y presin.

En general, se trabaja la onda dinmica con intervalos de tiempo de mximo 1 minuto,

en caso de existir inestabilidades se recomienda disminuir el lapso de tiempo, de

continuar con problemas se debe atenuar u obviar la fuerza de inercia.


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CAPTULO 5HERRAMIENTAS DE EPA SWMM 5.0


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CAPITULO 5. HERRAMIENTAS DE EPA SWMM 5.0


Capitulo 5. Herramientas de EPA SWMM 5.0

5.1. Herramientas de Modelado.

SWMM entrega una amplia gama de objetos, cada uno con diferentes caractersticas,para representar en el software los objetos del proyecto que se est evaluando.

Para hacer una revisin ordenada de estos objetos utilizaremos la clasificacin que

hace el software, es posible agrupar la totalidad de los elementos en las siguientes

categoras:

Hidrologa

Hidrulica

Calidad

Climatologa

Curvas

Series Temporales

Patrones de Tiempo

Etiquetas del Plano

5.1.1 Objetos de Hidrologa.

Corresponden a todos los elementos relacionados con el proceso de generacin de

escorrenta.

5.1.1.1. Pluvimetros.

Estn destinados a representar los eventos de precipitaciones, estos pueden estar

definidos sobre una o ms cuencas, a su vez pueden incluirse una o ms pluvimetros,

en el caso, por ejemplo que vare la cantidad de lluvia en diferentes cuencas.

Los datos se pueden ingresar manualmente mediante series temporales o pueden ser

extrados de archivos externos.


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5.1.1.2. Cuencas.

Son porciones de terreno, definidas por el usuario, con caractersticas homogneas, las

cuales reciben las precipitaciones, producen escorrenta y la evacuan hacia un nodo u

otra cuenca.

Al mismo tiempo cada cuenca tiene la posibilidad de dividirse en un porcentaje

permeable e impermeable, de ellos solo en los permeables se producir el proceso de

infiltracin. Es posible tambin establecer el modo en que se entrega el agua al nudo de

salida, esto es, si la escorrenta pasa del rea impermeable a la permeable y luego a la

salida, si es al contrario o si ambas superficies entregan directamente la escorrenta

formada al nodo de salida. Al mismo tiempo es posible dividir las areas impermeables

en 2 tipos: una que contempla la acumulacin de agua en depresin y la otra que no.

La infiltracin de lluvia de las zonas permeables de una determinada cuenca sobre la

parte superior del suelo no saturado puede describirse utilizando tres modelos

diferentes:

El modelo de infiltracin de Horton.

El modelo de infiltracin de Green-Ampt.

El modelo de infiltracin basado en el Nmero de Curva del SCS.

Otro fenmeno que es posible modelar mediante SWMM es la acumulacin y deshielo

de nieve este proceso se realiza mediante el objeto Modelacin de Nieve.

Si se quiere incluir una napa que interacta con una cuenca, es necesario establecer un

objeto Acufero, para luego relacionar la cuenca con este.

Tambin es posible modelar la acumulacin y el arrastre de contaminantes desde las

cuencas pueden asociarse con los Usos del Suelo asignados a la cuenca.


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5.1.1.3. Acuferos.

Representan eventuales napas subterrneas que interactan con nuestro sistema,

infiltrando agua desde la superficie o bien, entregando volmenes. Un acufero puede

asignarse a 1 o ms cuencas.

SWMM modela un acufero delimitando 2 capas: una saturada y la otra insaturada, es

posible definir su conducta indicando parmetros como cota en la parte superior del

acufero, porosidad y conductividad hidrulica del terreno, profundidad de

evotranspiracin

Para vincular un acufero a una cuenca determinada se debe crear el acufero, definir

sus parmetros para posteriormente dirigirse a las propiedades de la cuenca deseada e

indicar en la propiedad Aguas Subterrneas el nombre del acufero asignado.

5.1.1.4. Capas de Nieve.

Estos objetos virtuales contienen parmetros que caracterizan la acumulacin deshielo

y eliminacin de nieve. Su principal funcin es diferenciar entre tres tipos de subareas

en las que se puede encontrar nieve:

rea de nieve acumulada en surcos:sirve para representar nieve acumulada

en calles y estacionamientos. Corresponde a un porcentaje total del reaimpermeable, est definido por el usuario

rea de nieve acumulada impermeable: corresponde la nieve que cubre el

rea impermeable de la cuenca.

rea de nieve acumulada permeable: corresponde a toda el rea permeable

de la cuenca.

Luego de asignar valores a estas tres reas se modela el deshielo de cada una

ingresando parmetros como lo son: coeficientes de deshielo de nieve, temperatura

desde la cual ocurre el deshielo, profundidad inicial de la nieve, profundidad de la nieve

por encima de la que queda cubierto el 100% del rea, contenido de agua libre inicial y

el mximo contenido de agua libre en las acumulaciones de nieve.


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Al crear una capa de nieve SWMM produce un mdulo de nieve para cada cuenca, el

que interacta con su modulo de nieve, con los porcentajes de reas permeables e

impermeables y la precipitacin.

5.1.1.5. Aportes externos de caudal.Dentro del rea de hidrologa se dispone de este objeto, con el cual se puede aadir

volmenes externos de caudal a la red. Los cuales no provienen de la escorrenta.

Corresponden a 3 tipos de aportes, usadas generalmente para modelar descargas de

aguas servidas, en caso que la red sea unitaria:

Aportes directos de caudal:corresponden a caudales representados por series

temporales definidas por el usuario que se infiltran a los nodos de la red. Se

pueden usar para indicar volmenes de aguas que circulan por la red en

ausencia de precipitaciones.

Caudales de Tiempo seco: corresponden a volmenes medios los cuales

pueden ajustarse definiendo un multiplicador. Pueden ser Mensuales, diarios,

semanales u horarios. Su uso ms comn es para indicar caudales de aguas

servidas, cuando los sistemas son unitarios. Est regido por Patrones

Temporales.

Entradas e Infiltraciones relacionadas con las Lluvias: tambin llamadosRDII. Corresponden a aportes directos generados por el ingreso de lluvia al

sistema, as como prdidas debido a infiltraciones por roturas o malas

conexiones de los elementos de la red. Est representado por hidrogrmas

unitarios.

Los hidrogrmas unitarios son grupos de hidrogrmas usados para agregar volmenes

de agua a los conductos de nuestro sistema. Estos volmenes estn directamente

relacionados con la cantidad de precipitacin cada.

Cada hidrogrma unitario puede constar de 3 hidrogrmas: para responder a corto

mediano y largo plazo. Se puede tener como mximo 12 hidrogrmas unitarios uno por

cada mes.


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Para definir un hidrogrma unitario se debe definir 3 caractersticas:

R:fraccin del volumen de precipitacin que se agrega al sistema

T:tiempo en horas, para alcanzar el valor mximo del hidrogrma

K:cociente entre el instante en alcanzar el mximo y el tiempo en que vuelve aser nulo el valor de entrada.

Figura 5.1. Modelo de Hidrogrma Unitario.

Para incluir el hidrogrma como entrada, se debe crear un grupo de hidrogrmas,

definir sus parmetros y agregarlo en la etiqueta RDII de la opcin Aportes del nodo alque ingresara el volumen.

5.1.2. Objetos Hidrulicos.

Son los principales componentes de la red de evacuacin, corresponden a los

elementos de captacin, conduccin y descarga de los caudales aportantes en la red dedrenaje a estudiar.

Se pueden diferenciar en nudos y lneas, los nudos corresponden a elementos

conectores entre lneas, algunos poseen caractersticas como son: almacenamiento de

volmenes de agua o separar el caudal entrante en 2 volmenes salientes por


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diferentes lneas. Las lneas son los objetos destinados preferentemente a representar

tuberas, existen otros con caractersticas especiales, los que revisaremos a

continuacin.

Nudos: Corresponden a los objetos que captan y descargan el caudal, existiendotambin nudos con capacidad de almacenamiento y separacin de un caudal entrante

en 2 volmenes salientes.

5.1.2.1. Nudos de Conexin.

Los nudos de conexin corresponden al lugar de interseccin en la red de drenaje en

que se conectan 2 o ms conductos, pueden representar cmaras de registro, o lugares

donde cambia el dimetro o tipo de tubera. Generalmente es en estos puntos donde

ingresa la escorrenta a la red de drenaje, dependiendo de las condiciones de la red se

tiene la posibilidad que se inunde un rea determinada sobre un nudo de conexin, con

la opcin que este volumen de liquido reingrese a la red cuando las condiciones lo

permitan o simplemente se pierda.

5.1.2.2. Vertidos.

Es el nudo final, el cual entrega todo el fluido recibido a algn elemento fuera de la red

de estudio. Tiene como restriccin que solo puede recibir vertido de solo un conducto.

Por otra parte es posible modelar las condiciones de contorno que posee, se describen

usando una de las siguientes relaciones:

El calado crtico o el calado uniforme en la conexin con el conducto.

Un nivel fijo de agua del elemento que recibe.

El nivel de mareas que puede cambiar a travs del da.

La representacin del nivel de agua mediante una serie de tiempo.

5.1.2.3. Divisores de Flujo

Los divisores de flujo son nudos donde el flujo de agua entrante es dividido en dos

conductos de salida. Estos nudos se activan solamente cuando se utiliza la simulacin


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mediante Onda Cinemtica. En caso de realizarla por medio de Onda Dinmica, los

divisores de flujo sern considerados como un nudo comn.

Para dividir el volumen entrante SWMM considera 4 alternativas, estas son:

Divisor de Corte:El usuario deber indicar un volumen mximo, sobre el cual todo el

exceso ser derivado.

Divisor de Exceso:Desva el caudal entrante a partir desde la mxima capacidad del

conducto siguiente, a fin que este no trabaje en carga.

Divisor Tabular: Divide el caudal de entrada a travs de una relacin expresada

mediante una tabla ingresada por el usuario, especialmente til en caso de modelar un

sumidero.

Aliviadero: Es un nudo donde se utiliza la ecuacin caracterstica de los aliviaderos

para calcular el caudal derivado a partir del caudal de entrada al nudo.

5.1.2.4. Elemento de almacenamiento

Es el objeto para modelar desde pequeos depsitos de retencin hasta grandesestanques o lagos. Corresponde a un nodo con la capacidad de almacenar volmenes

de agua. Para indicar el volumen que es capaz de contener el nudo se tienen 2

opciones:

Tabla: se indica la relacin del rea superficial del agua con respecto a

diferentes alturas de calado. Luego de introducir los datos se generara un perfil

transversal para representar visualmente el elemento

Funcin:SWMM incluye una funcin por defecto, para modelar el volumen de

un depsito tipo, en funcin del rea y la profundidad.

(5.1)


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En donde:

: rea Superficial de la lmina de Agua.

: Nivel en el elemento de Almacenamiento.

: Coeficientes definidos por el Usuario.

Lneas: Como ya se mencion, las lneas representan principalmente las tuberas o

cualquier elemento encargados de transportar los fluidos desde un punto a otro.

Pudiendo ser tambin una Bomba o algn elemento sin longitud, que regule el paso de

agua.

5.1.2.5. Conducto

Representa tuberas, canales o cualquier elemento que sirva para transportar el flujo

entre nudos.

SWMM 5.0 utiliza la ecuacin de Manning para relacionar el caudal que circula, la

seccin, la pendiente y el Radio Hidrulico.

(5.2)

En donde:

: Caudal en el conducto.

: Coeficiente de Rugosidad.

: Pendiente.

: Radio Hidrulico.

: rea.

Es posible seleccionar de entre ms 20 secciones transversales de conductos desde

una lista proporcionada por el programa, a su vez, si ninguna de esta representa la

seccin que poseemos podemos ingresar secciones manualmente, esta opcin se

utiliza principalmente para representar cauces naturales.


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Adicionalmente se puede asignar factores de rugosidad de Manning para el conducto y

tambin para los mrgenes laterales, en caso que se incluyan, previendo alguna

inundacin.

5.1.2.6. Bomba.Las bombas son representadas en SWMM como un conducto que tiene la capacidad de

transportar agua a una cota superior.

Es posible seleccionar entre 4 opciones de representar una bomba, estas son las

siguientes:

Bomba Tipo I:Esta transporta volmenes de un nodo de forma que el caudal aumenta

en relacin al volumen de agua disponible en el mismo.

Bomba Tipo II: Corresponde a una bomba en la que el caudal aumenta

proporcionalmente al nivel de agua en el nudo inicial.

Bomba Tipo III:El caudal aqu cambia de forma continua dependiendo de la diferencia

de alturas entre los nudos de entrada y salida.

Bomba Tipo IV:Bomba de velocidad variable, en la que el caudal aumenta segn la

profundidad del agua en el nudo de entrada.

Un diagrama del comportamiento de los diferentes tipos de bombas se muestra en la

Figura 5.2. La operacin de las bombas se hace mediante reglas de control, las cuales

se estudian ms adelante.


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Vertederos: tambin llamado Aliviaderos, se utilizan para modelar descargas.

Comnmente se ubican en los sistemas de almacenamientos o en los pozos de

registro. Se simboliza mediante una lnea que une dos nudos. Al asignar un vertedero a

un nudo no se est agregando capacidad de almacenamiento extra, solo un mtodo de

control para traspaso de caudal. Son caracterizados mediante la forma, la cual puedeser transversal, descarga lateral, en V o trapezoidal. Adems se deben indicar sus

caractersticas geomtricas, as como la altura sobre la base del nudo y un coeficiente

de descarga.

Salidas: Corresponden al tercer tipo de reguladores de flujo. Se usa para modelar

descargas en donde el caudal est relacionado con la altura en el nudo de aguas arriba.

Para relacionar altura y caudal posee dos alternativas: la primera est dada por defecto

y se basa en la formula:

(5.3)

En donde

: Caudal captado por Salida.

: Altura del Agua.

: Coeficientes Asignados por el Usuario.

La segunda forma de representacin consiste en ingresar datos tabulados del flujo del

caudal en funcin de la altura expresada en metros, los cuales pueden ser copiados de

otro archivo o ser ingresados manualmente.

Junto con estos elementos hidrulicos se cuenta con objetos utilizados para modelar

alguna caracterstica o accin. Se tiene dos tipos de estos elementos caracterizadores:

5.1.2.8. Secciones transversales.

Son datos geomtricos para representar conduct

Aplicación de Herramientas Informáticas en La Hidrología Urbana

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