estudio de la red de alcantarillado de la cuenca urbana de la riereta

ESTUDIO DE LA RED DE ALCANTARILLADO DE LA CUENCA URBANA DE
LA RIERETA, SANT BOI DE LLOBREGAT, ESAPAÑA
INFORME FINAL
Grupo de trabajo: TEAM 4
Norma Piccoli
Raphael Barbosa dos Santos
Domenico Sciolla Piñeyro
1. INTRODUCCION
El proyecto a desarrollar consiste en la implementación de medidas de rehabilitación,
análisis de inundación, o análisis de flujos residuales sobre la red de alcantarillado de la
Cuenca urbana de La Riereta, ubicada en el casco antiguo del municipio de Sant Boi de
Llobregat. Para realizar las acciones antes mencionadas, se debe elaborar un modelo
hidrológico-hidráulico de la cuenca, utilizando como herramienta hidroinformática el
programa SWMM 5.0
2. OBJETIVOS
El objetivo general de este proyecto es proponer medidas de rehabilitación a realizar
análisis específicos (inundación, residuales) sobre la red de alcantarillado d e La Riereta.
Para cumplir con este objetivo, diferentes tareas deben ser realizadas:





Discretización de la cuenca
Determinación de la lluvia efectiva
Determinación de coeficientes de rugosidad de la red de alcantarillado
Calibración y validación del modelo hidrológico-hidráulico de La Riereta
Cambios y/o modificaciones a la red o cuenca de tal forma que se cumplan criterios
de operatividad hidráulica
 Simulaciones continuadas de series temporales
 Análisis de flujos residuales y niveles de seguridad de la red
3. DESCRIPCION DE LA CUENCA URBANA
La cuenca de La Riereta se ubica en el casco antiguo de Saint Boi de Llobregat,
población cercana a Barcelona. Esta cuenca de tipo urbana presenta un área de planta de 16
(ha) aproximadamente, valores de pendientes medios-altos y altos índices de
impermeabilidad lo cual se puede apreciar en la figura N° 1.
El drenaje de los tejados se vierte directamente a la calle a través de conductos
verticales de desagüe. Un conjunto de grandes rejas de captación ubicadas en las calzadas
de esta cuenca garantizan la captación de la escorrentía superficial.
La red de alcantarillado de La Riereta es de tipo unitaria y esta constituida en su
mayoría por conductos de sección circular, con diámetros variables. Mayoritariamente los
conductos son de hormigón, por lo cual se puede asumir que todos los conductos de la red
están fabricados de este material.
Figura Nº 1: Imagen de la cuenca.
4. METODOLOGIA DE TRABAJO
4.1 Planificación del trabajo
Lunes
1.- Discretización de la cuenca.
Martes
1.- Finalizar la discretización de la cuenca.
2.- Calcular y/o estimar los parámetros relevantes para SWMM (Área Impermeable, Curvas
número, anchos característicos W, coeficiente de rugosidad de Manning) para cada
subcuenca.
3.- Utilizando curvas IDF determinar la lluvia con 10 años de período de retorno y una hora
de duración.
4.- Ingresar los datos al modelo SWMM
5.- Redactar el informe de avance.
Miércoles
1.-Calibrar la cuenca usando dos de las lluvias entregadas.
2.- Validar la lluvia utilizando la tercera lluvia entregada.
Jueves
1.- Evaluar la cuenca frente a la lluvia de 10 años de período de retorno y a hora de
duración.
2.- Evaluación de la red frente a una serie temporal anual de precipitaciones. Determinar
frecuencia de inundación, volúmenes de inundación, etc.
Viernes
1.- Continuación de la evaluación de la red frente a una serie temporal anual de
precipitaciones.
2.- Redactar informe final.
3.- Preparar presentación final.
Sábado
1.- Presentación final.
4.2 Obtención de datos necesarios para el modelo
En primer lugar se realizó la delimitación de la cuenca y discretización en
subcuencas. La misma se realizó sobre un plano en formato CAD obteniéndose 24
subcuencas con áreas variables entre 0.237 y 1.486 ha. Si bien la recomendación era de usar
subcuencas con áreas aproximdamente de 1 ha, una mayor discretización nos permitió
verificar el funcionamiento de la mayoría de los conductos. Para la subdivisión se tuvieron
en cuenta los niveles topográficos del terreno, la dirección del flujo en los conductos y
diámetros de los mismos. De esta manera se determinaron 17 puntos de convergencia del
flujo y además se cuenta con un punto de control que será utilizado para calibrar el modelo,
el cual se encuentra en la calle de la Rutlla, lugar donde se realiza la medición de los
caudales observados
En la figura N° 2 se puede apreciar la discretización en subcuencas y la nomenclatura
asignada a cada una de ellas.
Figura N° 2: Subcuencas
Para cada subcuenca se calculó el área (A) y la longitud máxima del flujo (L)
obteniéndose la siguiente tabla. El valor de A es necesario para el ingreso al modelo y con
el valor de L se calculó el parámetro: ancho de cuenca, W, para ingreso al modelo.
Para una primera estimación de W, se lo calculó considerando al flujo superficial
escurriendo en la subcuenca idealizada como un plano inclinado1, lo que lleva a calcular W
como el área de la cuenca dividida la longitud máxima del flujo. Dada la necesidad de un
mejor ajuste en el modelo, se debió re calcular el ancho de cuenca por medición del ancho
de aportación de cada una de las subcuencas. Los resultados obtenidos en uno y otro caso
se presentan en la Tabla Nº 1.
Subcuenca
Area
(m2)
Area
(ha)
L (m)
W = Area/L
(m)
W medido
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
2367.7
3841.78
4217.78
4835.72
4980.57
12129.17
3249.85
7518.15
5899.73
6052.81
5003.08
2702.73
9298.51
12139.42
4078.77
8963.93
2861.11
6603.54
14860.38
6119.43
5966.91
6742.7
7609.52
10699.61
0.237
0.384
0.422
0.484
0.498
1.213
0.325
0.752
0.590
0.605
0.500
0.270
0.930
1.214
0.408
0.896
0.286
0.660
1.486
0.612
0.597
0.674
0.761
1.070
45.52
121.7
125.24
74.84
83.27
201.69
62.87
102.06
120.49
79.53
53.15
41.52
156.91
168.52
101.73
186.31
71.37
102.82
177.24
96.21
113.81
123.8
123.59
126.4
52.01
31.57
33.68
64.61
59.81
60.14
51.69
73.66
48.96
76.11
94.13
65.09
59.26
72.04
40.09
48.11
40.09
64.22
83.84
63.60
52.43
54.46
61.57
84.65
117.04
235.12
130.7
149.68
166.54
589.38
125.74
284.12
240.98
276.58
106.3
83.04
399.7
337.04
203.46
372.62
142.74
280.54
512.32
192.42
227.62
247.6
364.87
592.24
Tabla Nº 1: Área, longitud del flujo y ancho de cuenca para cada subcuenca.
A cada una de las subcuencas se le asigna una pendiente media que se calcula como
la diferencia de cotas entre el punto más alejado a la salida y el punto de salida dividido por
la distancia entre ambos. Las mismas se muestran en la Tabla Nº 2
1
Macor, J. Análisis comparativo del parámetro ancho de cuenca del modelo RUNOFF-SWMM.
Subcatchment
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Average
Slope
0.01466
0.03089
0.04837
0.02177
0.06374
0.02113
0.03055
0.02177
0.08157
0.04006
0.08581
0.04052
0.04266
0.04045
0.09455
0.04067
0.01604
0.03743
0.04414
0.03306
0.00718
0.02060
0.04200
0.04259
% Average
Slope
1.47
3.09
4.84
2.18
6.37
2.11
3.05
2.18
8.16
4.01
8.58
4.05
4.27
4.04
9.45
4.07
1.60
3.74
4.41
3.31
0.72
2.06
4.20
4.26
Tabla Nº 2: Pendiente media de las subcuencas.
En el plano Autocad de la cuenca, faltan datos de las cotas del drenaje, en dichos
casos se tomó el promedio entre los dos puntos más cercanos, también notamos la
existencia de 2 puntos donde el agua podría acumularse, estos no correspondían a la parte
más baja de la cuenca, situación que fue representado en el modelo, asignando un área de
“Pounding-on” igual a 36 metros cuadrados.
Se calcularon las longitudes de los conductos, así como las pendientes de los
mismos. Se obtuvieron del plano, las cotas de fondo de las cámaras.
Otro dato a ingresar al modelo son los valores de precitación para lo cual fue
necesario analizar la precipitación de 3 estaciones: Jordi, Efren, Susana. De estas tres
estaciones, dos de ellas, Jordi y Efren fueron previstas para calibrar y la restante para la
verificación.
4.3 Carga de datos al modelo
Una vez obtenidos todos los datos se ingresaron al modelo SWMM 5.0 para su
posterior calibración, validación e implementación.
4.4 Calibración del modelo
En un primer intento se consideró el cálculo de la infiltración por el método de
curva número y las perdidas por almacenamiento como una depresión en el área permeable
e impermeable. Para esto fue necesario el calculo de las superficies impermeables, lo cual
fue realizado con apoyo de fotografías satelitales.
Debido a que no se pudo obtener una buena calibración decidimos considerar una
pérdida constante para cada lluvia y de esta manera considerar las perdidas por infiltración
y almacenamiento en depresión. El valor descontado es de 3 milímetros por hora, ya que
este permitía un ajuste adecuado del evento Jordi.
Al considerar un método de pérdidas constantes, los valores de CN ingresados al
modelo fueron de 100 y los porcentajes de impermeabilidades del terreno fueron
considerados del 100%.
El ajuste logrado se aprecia en el Gráfico Nº 1.
Hidrograma observado y calculado
Evento Jordi
1.2
Caudal (m3/s)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
50
100
150
200
Tiempo (min)
Observado
Calculado
Gráfico Nº 1: Calibración Jordi
El caudal pico observado para este evento es de 60.84 (m3/seg) y se registra a los 69
minutos de iniciada la tormenta, esto representa un volumen de 1011.42 (m3). El
hidrograma calculado presenta un pico de 53.4 (m3/seg) a los 69 minutos y representa un
volumen de 1410.6 (m3). Como se puede apreciar el tiempo al pico y el caudal pico no
presentan demasiado diferencia, solo el 13% pero no así el volumen que tiene una
diferencia del 39.5 % mas del volumen observado.
La calibración no podía obtenerse para el evento Efren ya que los caudales
simulados eran menores a los observados, esto nos lleva a realizar un análisis minucioso del
histograma, llegando a la conclusión que el evento era concentrado en un solo pico y
consideramos que al ser tan concentrado no permitía la misma infiltración que en el evento
Jordi, de diferentes características. Si en Efren consideramos una perdida constante de 2
mm/h el ajuste sería mucho más adecuado. Esto se aprecia en el Gráfico Nº 2.
Hidrograma observado y calculado.
Evento Efren
0.50
0.45
Caudal (m3/seg)
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
20
40
60
80
100
120
140
Tiempo (min)
Observado
Calculado - Perdida = 2mm/h
Calculado - Perdida = 3mm/h
Gráfico Nº 2: Calibración Efren
Otro parámetro de calibración fue el ancho de cuenca, W, el cual fue inicialmente el
medido y luego se ponderó por un factor igual a 0.98. Los números de Manning de los
conductos originalmente se colocaron en un valor de 0.01 los cuales posteriormente se
variaron obteniéndose valores de 0.013 y 0.014 según el conducto. Los valores de n de
Manning para las áreas impermeable y permeable de las subcuencas fueron calibrados en
un valor de 0.1 para permeable y 0.01 para impermeable. Estos valores se encuentran
dentro del rango tabulado en tablas presentes en el manual de usuarios de SWMM.
4.5 Validación
Una vez ajustado el modelo se realizó una validación con el evento de Susana,
lográndose un ajuste para el volumen total de 30% con respecto al observado y un ajuste de
4% para el valor pico mayor, el ajuste se puede observar en el siguiente gráfico.
Hidrograma Observado y calculado.
Evento Susana
0.5
0.5
Caudal (m3/seg)
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0.0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Tiempo (min)
Observado
Calculado
Gráfico Nº 3: Validación Susana
4.6 Tormenta de diseño
Con el fin de evaluar la red frente a un evento de importantes características, se
generó una tormenta con período de retorno de 10 años y duración de una hora y paso de
tiempo de cinco minutos, mediante el método de los bloques ordenados. Para generar esta
tormenta se utilizaron la familia de curvas IDF Barcelona-Fabra basada en series de
precipitaciones registradas entre los años 1927 y 1993, representadas por las siguientes
ecuaciones.
Donde I: Intencidad (mm/hh), T:Periodo de retorno (años), D: Duración (minutos), y a, b , c
son coeficientes dependientes de la duración.
La ubicación del bloque de mayor intensidad se eligió a los 20 minutos, esto se debe
al tipo de precipitación que se da en la zona, donde las mismas presentan su mayor
intensidad a partir de los 20 minutos de comenzada la tormenta. De esta manera se
construye el histograma de la Gráfico Nº 4: Tormenta de diseñoGráfico Nº 4.
Tormenta de diseño para 10 años de Período de Retorno
250.0
Intencidad (mm/hr)
200.0
150.0
100.0
50.0
0.0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Tiempo (5 minutos)
Gráfico Nº 4: Tormenta de diseño
4.7 Diagnostico de la red de drenaje
Dada la lluvia de diseño generada a partir de la curva IDF, que precipita 103.197
mm, se obtuvo un precipitación total de lluvia efectiva de 100.197 mm sobre la cuenca de
Sant Boi de Llobregat, dicho valor de lluvia efectiva genera un volumen total escurrido de
15918 metros cúbicos, de los cuales 12341 son registrados a la salida de la cuenca y 3583
metros cúbicos escapan desde la red, hacia la calle por los pozos. La escorrentía máxima
que fue registrada en las subcuencas, fue de 0.865 m3/s en la subcuenca 19, esto era
esperable dado el mayor tamaño que esta posee.
Tabla Nº 3
El caudal de salida, máximo, de la red de drenaje, ocurre a los 29 minutos de
iniciada la lluvia, y genera un caudal de 5.375 metros cúbicos por segundo. A continuación
se presenta en el Gráfico Nº 5 con el caudal en el pozo de salida de la cuenca junto a
caudales en distintos pozos de la red.
Gráfico Nº 5: Caudales en los conductos de la subcuenca
Es de sumo interés verificar si es que existe flujo que sale de la red de drenaje; para
ello se revisó el reporte la sección “Node flooding summary” encontrando que 8 de los 17
pozos tuvieron flujo hacia la superficie. A continuación se muestra el con los mayores
caudales de salida de los pozos.
Gráfico Nº 6: Flujo que escapa de la red
El valor máximo ocurre en el pozo J_5 a los 29 minutos de iniciada la lluvia, y el
volumen total que escurre por ese nodo es de 1634 metros cúbicos, siendo también el
máximo valor de volumen total que escapa de la red.
Tabla Nº 4
En el Gráfico Nº 7 se aprecia el momento de máxima altura de agua en la red.
Gráfico Nº 7: Altura de Agua en el tramo J_1 a SALIDA
Dada la particular distribución de las calles de la ciudad, se aprecia una importante
acumulación de las aguas que salen de los pozos J_1, J_2, J_4 y J_5 en la ubicación de
nodo J_2 que es un punto bajo de la ciudad, en el fue considerada un área de “Poundin-on”
de 36 metros cuadrados, si bien el gráfico muestra la altura de agua llegando a la cota 32,
esto no sería cierto ya que el agua escaparía de la cuenca hacia el sur, por la calle
“CARRER DE FRANCESC MACI”; mientras que el agua que escapa de la red por los
nodos J_9, J_12 escurre hacia el punto bajo de la ciudad que queda en J17 por la calle
“CARRER DE JAUME I”.
De los 17 conductos considerados para la red, 12 de ellos funcionaron a presión,
pero solo 7 por más de 15 minutos.
Tabla Nº 5
En cuanto a las velocidades, en 4 de los 17 conductos se apreciaron velocidades
mayores que 4.5 m/s lo cual puede generar deterioro de los conductos. 2 El valor máximo
observado fue de 6.56 m/s en el conducto 10.
2
Valor de 4.5, Georgia Stormwater Management Manual, Volume 2, Technical Handbook from AMEC
Tabla Nº 6
En el siguiente grafico se describe el número de Froude en las tuberías con mayor
velocidad.
Gráfico Nº 8: Número de Froude en tuberías de alta velocidad
Revisando el número de Froude, en promedio solo 5 tuberías de las 17 presentaron
régimen de torrente, estas son el conducto 10, 11, 13, 15 y 17 que como es de esperarse,
coinciden en ser los conductos con mayor velocidad. Es muy importante destacar lo
peligroso que puede ser esta situación para la red de drenaje, ya que el resalto genera al
tener velocidades tan altas, la erosión podría provocar el desprendimiento y derrumbe de
los conductos colapsando la red
4.8 Simulación continua
El objetivo de realizar una simulación continua consiste en analizar la red de
drenaje para un periodo de 1 año. Para poder realizarla se debe contar todos los eventos de
lluvia ocurridos en dicho año. En este caso es importante considerar la evapotranspiración
que se registra en la zona de estudio ya que esta puede ser de importancia e influir
considerablemente en el balance de agua que se realice en la cuenca, aunque debido a el
método de perdidas usado en este caso no se considerarán.
La simulación continua se ha realizado con datos de lluvia registrados en la zona de
estudio para el periodo enero-noviembre del año 1988. En este periodo de tiempo se han
registrado 73 eventos de precipitación, las cuales fueron registradas con un instrumento de
paso de tiempo de 5 minutos. A dicha precipitaciones se descontaron las perdidas
equivalentes a 3 mm/h. este valor surge de la calibración del modelo. Por este motivo solo
quedan 24 eventos para ser incluidos en la modelación.
Se ingresaron los datos como intensidad de lluvia en mm/h y se simuló para un
periodo de tiempo comprendido entre el 1 de enero de 1988 y el 31 de diciembre de 1988
con paso de tiempo de 5 minutos.
La evaporación no se consideró debido a que el método usado para las perdidas es
el de valor constante sin considerar superficies de almacenamiento en depresión
Tal como se aprecia en la Tabla Nº 7 el total de precipitación ingresada al sistema es
de 232.6 mm, no se consideran perdidas por evaporación, infiltración y/o almacenamiento
debido que se ha considerado que la misma es constante con un valor de 3 mm/h.
Tabla Nº 7
En la Tabla Nº 8 podemos observar que el volumen que sale a la superficie por las
bocas de tormenta (internal outflow) y queda almacenado en la superficie, es de 0.228 (m3)
lo cual representa un valor despreciable del volumen total.
Tabla Nº 8
En la Tabla Nº 9 se pretende mostrar en que día del año se produce el mayor caudal
en cada uno de los nodos, en este caso en la mayoría de ellos el máximo se da con la
tormenta del 17 de enero de 1988 la cual presenta una lluvia neta de 26.14 mm exceptuando
un nodo que presenta su caudal pico el 18 de enero de 1988 con una lluvia neta de 33.57
mm.
Tabla Nº 9
Los nodos que se encuentran inundados son el 2, 5, 6, 12, siendo el primero de ellos
el que presenta mayor tiempo inundado con un total de 8452.06 horas. Esto no quiere decir
que se produce la salida de caudal por la tapa del pozo, sino que el tubo se encuentra
trabajando a presión en ese nodo.
Tabla Nº 10
El número de eventos que inunda el nodo 2 es igual a 6, los mismos se publican en
la Tabla Nº 11 en orden decreciente de acuerdo a la importancia.
Tabla Nº 11
De los 17 conductos que presenta la red de drenaje, 5 de ellos trabajan bajo carga, si
a esto lo comparamos con el comportamiento de la red para una tormenta de 10 años de
recurrencia nos encontramos que esta ultima presenta 12 conductos trabajando bajo carga.
Tabla Nº 12
Las velocidades máximas registradas en los conductos se aprecian en la Tabla Nº 13
siendo la mayor de 6.05 m/s correspondiente al conducto N° 10 de diámetro 1 m.
Tabla Nº 13
5. CONCLUSION
Los objetivos principales del trabajo fueron cumplidos exitosamente, ya que se
logro crear un modelo en SWMM que represente la cuenca en estudio.
Uno de los mayores inconvenientes encontrados fue la poca información que
caracteriza la cuenca, lo que imposibilitó la incorporación de herramientas más sofisticadas
para el cálculo de retención y infiltración, este obstáculo no impidió generar un modelo que
ajuste las lluvias observadas con las calculadas. En este sentido cabe destacar que el ajuste
podría haber sido mejor, pero al vernos enfrentados a una situación laboral real, el tiempo
fue escaso y requeríamos llegar a un resultado dentro de un plazo.
Con respecto a la modelación continua realizada, representando un año de lluvias en
la cuenca, se puede decir que el sistema trabajó de forma adecuada sin presentarse
inundaciones importantes en los nodos. Si comparamos esta situación con lo que ocurriría
con una lluvia de recurrencia 10 años, en este caso se presentarían problemas importantes
de inundación en diferentes puntos de la misma.
Dado lo anterior es claro que el sistema de drenaje debería ser mejorado de alguna
manera para evitar posibles daños por inundaciones.
Finalmente cabe destacar que el grupo valora la oportunidad que se nos presento ya
que este tipo de trabajos con diversidad de culturas, experiencias y profesiones enriquecen
nuestra formación como profesionales.