ANÁLISIS DE CUENCAS URBANAS USANDO EPA SWMM 5.0

1. ANÁLISIS DE CUENCAS URBANAS USANDO EPA SWMM 5.0 Rodrigo Concha Jopia Grupo de Investigación FLUMEN UPC Email: rodrigo.concha@upc.edu

2. ASPECTOS A TRATAR • Introducción • Capacidades y limitaciones de EPA SWMM 5.0 • Estructura de EPA SWMM 5.0 • Pasos en el desarrollo de un proyecto con EPA SWMM 5.0 • Entorno gráfico de EPA SWMM 5.0: Objetos visuales y no visuales • Algunos modelos utilizados por EPA SWMM 5.0 • Ejemplo: Cuenca en Sant Boi de Llobregat, Barcelona • Recursos e información adicionales para los usuarios de EPA SWMM 5.0 • Resumen y conclusiones

3. Desarrollado por la Environmental Protection Agency (EPA) de los Estados Unidos (US) INTRODUCCIÓN ¿Qué es EPA SWMM 5.0? SWMM Storm Water Management Model

4. Uno de los primeros modelos numéricos de simulación hidrológico – hidráulico especial para drenaje urbano Diferentes grupos de desarrollo (Gobierno, Universidades, Empresas) a lo largo de su historia Continuo desarrollo desde 1969 Código de referencia en USA Miles de usuarios a nivel mundial INTRODUCCIÓN

5. SWMM a través del tiempo… • 1971 - SWMM 1 (M&E, UF, WRE) • 1975 - SWMM 2 (UF) • 1981 - SWMM 3 (UF & CDM) • 1983 - SWMM 3.3 (PC Version) • 1988 - SWMM 4 (UF & CDM & OSU) • 2004 – SWMM 5 (EPA & CDM)

6. Capacidades Hidrológicas de SWMM 5.0 • Precipitación variable en tiempo y espacio • Simulación de procesos de evaporación, acumulación y derretimiento de nieve, e interceptación por encharcamiento • Simulación de la infiltración • Simulación de la escorrentía superficial mediante modelo de depósito no lineal • Aporte de escorrentía superficial entre subcuencas

7. Capacidades Hidráulicas de SWMM 5.0 • Manejo de redes de drenaje, sin limitación de tamaño y/o forma • Diversas secciones transversales para los conductos • Modelación de bombeos, reguladores de flujo, depósitos de retención • Uso de reglas de control para controlar bombeos y reguladores • Incorporación de flujos externos a la red definidos por el usuario (escorrentía, flujos de aguas residuales) • Modelación de diversos regímenes hidráulicos tales como remansos, entrada en carga e inversión del flujo • Modelación en régimen permanente y no permanente

8. Capacidades de SWMM 5.0 en modelación de la Calidad de las aguas • Acumulación de contaminantes (Buildup) sobre las subcuencas • Remoción de contaminantes durante episodios de lluvia (Washoff) • Reducción en la acumulación de contaminantes debido a limpieza de calles • Reducción de contaminantes en la escorrentía debido a BMP’s • Propagación de los contaminantes a través de la red de drenaje • Funciones de tratamiento definidas por el usuario

9. Algunas aplicaciones de SWMM 5.0 • Diseño de diversos elementos de una red de drenaje urbano • Estudio y creación de modelos de cuenca urbana • Control de vertidos en tiempo de lluvia desde redes unitarias, y de redes separativas • Evaluación de BMPs y LIDs (Low Impact Developments) para cumplir con objetivos de sostenibilidad

10. Limitaciones de EPA SWMM 5.0 • No aplicable a nivel de grandes cuencas no urbanas • Sin rutinas de modelación de transporte de sedimentos y erosión • No simula la propagación de contaminantes en el medio receptor ni en el flujo subsuperficial • No es una herramienta totalmente integrada respecto a las aguas urbanas • Es una herramienta de análisis, no una herramienta automática de diseño • Sin conexión integrada con Sistemas de Información Geográfica (GIS)

11. Estructura del programa: versiones anteriores

12. Estructura del programa: SWMM 5.0 Novedad de la versión 5.0!!

13. Pasos básicos en el desarrollo de un proyecto con SWMM 5.0 Dibujar los “objetos” del sistema de drenaje

14. Pasos básicos en el desarrollo de un proyecto con SWMM 5.0 Dibujar los “objetos” del sistema de drenaje Editar sus “propiedades”

15. Pasos básicos en el desarrollo de un proyecto con SWMM 5.0 Dibujar los “objetos” del sistema de drenaje Editar sus “propiedades” Alternativamente, crear y editar el archivo de entrada de SWMM 5.0 usando el formato descrito en anexos del manual de usuario

16. Pasos básicos en el desarrollo de un proyecto con SWMM 5.0 Dibujar los “objetos” del sistema de drenaje Editar sus “propiedades” Ajustar las opciones de análisis de la simulación

17. Pasos básicos en el desarrollo de un proyecto con SWMM 5.0 Dibujar los “objetos” del sistema de drenaje Editar sus “propiedades” Ajustar las opciones de análisis de la simulación Realizar la simulación

18. Pasos básicos en el desarrollo de un proyecto con SWMM 5.0 Dibujar los “objetos” del sistema de drenaje Editar sus “propiedades” Ajustar las opciones de análisis de la simulación Realizar la simulación Visualizar los resultados de la simulación: reporte, tablas ,gráficos, perfiles longitudianles de la lámina de agua, análisis estadístico

19. Objetos Visuales de SWMM 5.0

20. Propiedades claves de los objetos “Subcatchment”

21. Representación Node-Link (Nodo-Conector) de una red de drenaje en SWMM (Roesner et al., 1992) Nodos Conectores

22. Propiedades claves de los objetos tipo “Node”

23. Propiedades claves de los objetos “Conduit”

24. Elementos hidráulicos singulares: Flow Regulators (Links) Pumps (bombas) Outlets Weirs (vertederos) Orifices (orificios)

25. Objetos NO Visuales de SWMM 5.0Time series “Time series” son usados para describir: • Precipitación • Evaporación • Flujos externos • Niveles de la lámina de agua en nodos “Outfall”

26. Objetos NO Visuales de SWMM 5.0Curves “Curves” son usados para describir: • la variación del área superficial de un nodo “Storage unit” respecto al calado en su interior (Storage curve) • la derivación de flujo en un nodo “Tabular Flow divider” (Diversion curve) • la variación del caudal a través de un link “Pump” respecto al calado o volumen del nodo aguas arriba, o la carga entregada por la bomba (Pump curve)

27. Objetos NO Visuales de SWMM 5.0Transects “Transects” son usados para describir la sección transversal de canales de sección irregular (cauces naturales)

28. Objetos NO Visuales de SWMM 5.0Control rules “Control rules” son usados para definir reglas de operaciones, durante la simulación, de bombeos, de orificios y de vertederos

29. Modelos utilizados por SWMM 5.0

30. Modelo de Escorrentía Superficial Depósito no lineal: Continuidad + Manning S: volumen Q: escorrentía superficial W: ancho de la subárea dp: calado de almacenamiento So: pendiente media de la subcuenca N: coeficiente de d: calado en el depósito

31. Modelos de Infiltración

32. Modelos de Propagación del flujo en SWMM 5.0 • Steady Flow • Regimen permanente uniforme • Simple traslación de los hidrogramas • Aplicable sólo en redes arborescentes

33. Modelos de Propagación del flujo en SWMM 5.0 • Kinematic Wave • Balance entre la fuerza de gravedad y la fuerza de fricción • Atenuación y retraso del hidrograma debido al almacenamiento en el tramo • Aplicable sólo en redes arborescentes con pendientes fuertes

34. Modelos de Propagación del flujo en SWMM 5.0 • Dynamic Wave • Resuelve las ecuaciones completas de Saint Venant del flujo no permanente unidimensional • Representación de efectos de remanso, flujo en carga, almacenamiento en el tramo e inversión del flujo • Aplicable a cualquier tipo de red • Requiere intervalos de tiempo pequeños (entre 1 y 60 segundos)

35. Modelos de Propagación del flujo en SWMM 5.0: Dynamic Wave SWMM 5.0 utiliza un esquema numérico de diferencias finitas tipo explícito para resolver… … las ecuaciones de Saint Venant en cada Conduit, y… … una ecuación de continuidad en cada Node

36. Comparación de los modelos de propagación del flujo

37. Opción de inundación nodal(Nodal Flooding) Todo el flujo de llegada al nodo en exceso, es perdido por el sistema El flujo de llegada al nodo en exceso es mantenido sobre el nodo, y puede ser reintroducido a la red cuando exista capacidad disponible

38. Sitio web de EPA SWMM 5.0 http://www.epa.gov/ednnrmrl/models/swmm/ Código fuente del programa (C) y de la interfaz gráfica (Delphi), disponibles para descargar GRATIS!!!

39. Información y archivos “útiles” para ser descargados… Programa, manual de usuario, códigos fuentes, convertidor de archivos…

40. Más información sobre SWMM… SWMM-USERS List Server • Forum donde los usuarios de EPA SWMM pueden compartir experiencias en el uso y aplicación de este código • Es gratis (por supuesto!!) y es operado por el Dr. Williams James (Guelph, Ontario) • Trabaja mediante emails de consultas; desde una a varias respuestas a tu correo… • Para suscribirse a la lista de usuarios de SWMM, enviar un email a listserv@listserv.uoguelph.ca - Este email no debe llevar asunto (SIN ASUNTO), y sólo se debe escribir lo siguiente en el cuerpo de él SUBSCRIBE SWMM-USERS [Nombre] [Apellido] Por ejemplo: SUBSCRIBE SWMM-USERS Juan Ramos

41. Más información sobre SWMM… SWMM EN CASTELLANO!! • Versión en castellano de EPA SWMM 5.0: SWMM v5.0E, desarrollado por el GMMF de la UPV • Respectivo manual de usuario en castellano • Basada en una ANTERIOR actualización de la versión original • La más reciente actualización de EPA SWMM 5.0 es la 5.0.011…existen nuevas prestaciones!!

42. Más información sobre SWMM… Grupo de usuarios en español de SWMM http://groups.google.es/group/SWMM-Espanol?hl=es&lnk=srg

43. Softwares basados en SWMM Con interfaces para trabajar con GIS… • XP SWMM – XP Software(www.xpsoftware.com) • Mike SWMM – DHI (www.dhisoftware.com) • InfoSWMM - MWH Soft (www.mwhsoft.com) • PC SWMM – CHI (www.computationalhydraulics.com) …pero de pago

44. Resumen y conclusiones • EPA SWMM 5.0 es la nueva versión pública del histórico código SWMM • Completamente re-escrita y de código abierto, incluye diversas mejoras a los algoritmos de cálculo • Nueva versión incluye la primera interfaz gráfica de usuario (GUI) de EPA SWMM. • Posibilidad de crear “tu propia” GUI • Usuarios de SWMM podrían optar por otro “código” que incorpore conexión con GIS • ¡El precio es el correcto! • Técnicos y proyectistas DEBERÍAN USAR AL MENOS una herramienta de este tipo en sus proyectos urbanos

45. ¡Gracias por vuestra atención!