Modelización con SWMM de red de saneamiento

9 de septiembre de 2014

Aquí te presento otro de los servicios de consultoría que he podido realizar en estos últimos meses... Éste es también un encargo especial, tanto por su procedencia como por el trabajo a realizar: una modelización con SWMM de una red de saneamiento de una pequeña población de Burgos.

Y es que el origen del encargo es la demostración de que el trabajo de creación, crecimiento, desarrollo y difusión de la marca personal permite a medio plazo que por un lado se vaya creando una comunidad alrededor del blog, y por el otro que de esa comunidad se generen contactos que conlleven encargos de consultoría, de mayor o menor entidad.

Así es como un día recibo un correo electrónico haciendo una consulta a nivel hidrológico para un Trabajo Final de Carrera, la cual respondí gustosamente... Pues al cabo de unas pocas semanas, ese correo se transformó en una llamada telefónica para pedir la realización de una modelización con SWMM de una red de saneamiento para ese TFC, ya que los recursos tanto de medios como de tiempo del entonces aspirante a ingeniero requerían de soporte externo...

Es decir, un ejemplo clásico de lo que cuentan los expertos en márketing digital: conseguir visitas mediante un blog, contando cosas útiles e interesantes convirtiendo el visitante en el lector habitual, aportando valor consiguiendo que el lector pase a ser seguidor, afianzando la marca personal con lo que el seguidor se atreve a interactuar mediante correos electrónicos, y generando confianza para monetizar a través de un servicio... Pero todo ello en un sector en el que por el tipo de servicios no es NADA fácil conseguir avanzar en este embudo de conversión... razón por la cual me satisface mucho poder llegar a realizar este tipo de asistencias...

Pero no quiero aburrirte más con teorías de márketing... así que te cuento como se desarrolló el servicio, para el que, afortunadamente el entonces aspirante a ingeniero me facilitó todo tipo de datos de partida: la distribución de la red de saneamiento en plantas y perfiles así como su dimensionado, la determinación de las cuencas de aportación y de los caudales de residuales máximos y mínimos, las características hidrológicas de esas cuencas y el hietograma de precipitación de una hora de duración (ya que la red a la cual realizar la modelización con SWMM era unitaria).

La modelización con SWMM se divide en dos partes: una que es un peñazo...

Efectivamente, como no podía ser de otro modo, primero hay que efectuar la definición física de la red en el modelo, y después la definición y computación de las simulaciones. En el primer caso, SWMM es un programa tremendamente tedioso... y eso que en este caso no se trataba de una red muy grande, ya que apenas contaba con 61 pequeñas cuencas urbanas de aportación en las que se distribuían 123 tramos de conducciones de saneamiento (y sus respectivos pozos).

El problema está en la manera cómo hay que entrar los datos en el programa... de cada elemento hay que introducir uno a uno los parámetros y variables que lo caracterizan, mediante teclado... y como no son pocos los que hay que definir... a saber:

  • Para cada cuenca hay que definir 13 parámetros o variables: Pluviómetro de referencia, Pozo o nudo de descarga de escorrentía, Área de la cuenca, Anchura del flujo característico en superficie, Pendiente de la cuenca, Proporción de área impermeable, Manning de la zona impermeable, Manning de la zona permeable, Almacenamiento en zonas impermeables, Almacenamiento en zonas permeables, Proporción de zona impermeable sin almacenamiento, Flujo entre subáreas, Modelo de infiltración.
  • Para cada pozo o nudo hay que definir como mínimo 4 variables: Aportes, Cota de fondo, Profundidad, Sobrepresión
  • Para cada conexión o conducto hay que definir como mínimo 7 variables: Nudo inicial y final, Forma, Altura, Longitud, Coeficiente n de rugosidad de Manning, Desnivel en la entrada, Desnivel a la salida.

Total = 13 x 61 + 4 x 123 + 7 x 123 = 2.146 variables a entrar una a una... Es decir, que una jornada entera de trabajo entrando datos por el teclado en casillas individuales... ¿Existe alguna manera más eficiente y moderna para poder definir un modelo en SWMM? Si alguien la conoce, por favor, que la comparta!!! Al final, el modelo responde al siguiente esquema:

Modelizacion con SWMM_Esquema

Unos pequeños apuntes con respecto a la definición física del modelo.. principalmente de las cuencas:

  • Como pozo o nudo de descarga de escorrentía se considera el situado más aguas arriba de cada cuenca, asegurando que por el tramo de esa cuenca circula el máximo caudal.
  • Para determinar la anchura del flujo característico en superficie se divide el área de la cuenca por la longitud total de conducciones ubicadas en ella.
  • La proporción de área impermeable corresponde a cubiertas y pavimento; su coeficiente de Manning se estima con los valores de referencia que sugiere el programa, adoptando el valor de 0’0135, media entre revestimiento de hormigón basto (representativo del pavimento) y ladrillo con mortero de cemento (representativo de las cubiertas); estimando un almacenamiento en las cubiertas de 1'75mm (la media del rango de valores sugerido por el programa para zonas impermeables) mientras que en el pavimento no hay almacenamiento.
  • El coeficiente de rugosidad de las zonas permeables (patios y zonas sin pavimentar) se opta por una media ponderada según superficies de ambos tipos de terreno, con valores de 0’13 para zonas sin pavimentar y de 0’24 para patios; y se considera el almacenamiento como media ponderada según superficies, tomando como valores 4mm para patios y 3mm para zonas sin pavimentar.
  • El modelo de infiltración elegido fue el de Número de Curva SCS, al ser el que puede establecerse con mayor exactitud a partir de los datos disponibles, que eran los P0 de cada tipo de terreno: 2mm para zonas pavimentadas, 3mm para cubiertas, y 13mm para patios y zonas sin pavimentar.

... y otra parte más entretenida.

La parte más interesante en la modelización con SWMM de una red de saneamiento es la de plantear y definir las hipótesis de funcionamiento de la red a estudiar. Para el caso particular de la red a modelizar, partía de la base de los datos de residuales de caudales máximos y mínimos por dotaciones domésticas y ganaderas así como del hietograma de pluviales que me facilitó el entonces aspirante a ingeniero.

Los caudales máximos de residuales estaban obtenidos considerando un caudal medio a partir de una dotación de 225l/hab/día al que se le aplica la formulación que en este caso indica la Confederación Hidrográfica del Norte (Qmax = Qmed + (2’6 x Qmed0’7). Mientras que los caudales mínimos se estiman como la mitad de ese caudal medio dotacional.

Ahora bien... esos caudales deben repartirse entre todos los habitantes... y llegados a este punto hay algo que debe tenerse MUY en consideración!!! La población tiene un total de 715 habitantes distribuidos en las 61 cuencas urbanas identificadas anteriormente: 7 en una cuenca, 15 en otra, 12 en otra, etc... Alguien podría entonces pensar: pues para establecer el caudal máximo o mínimo de residuales que resulta en cada cuenca, aplico los criterios y fórmulas individualmente en cada una de ellas... ¡ERROR! Haciéndolo así estarás sobrevalorando los caudales recogidos!!!

Haz una pequeña prueba con las tres primeras cuencas que te he indicado... Aquí tienes una tabla con el cálculo de caudales máximos individualmente en cada cuenca en función de su número de habitantes....

Modelizacion con SWMM_QMAX

Al final resulta que el caudal máximo total recogido en la población es de 0'74l/s... ¿seguro? Ahora haz el cálculo directamente con el total de población, es decir, 34 habitantes... ¿cual será el resultado?

Modelizacion con SWMM_QMAX2

¡Sorpresa! El caudal resultante es un 25% menor que el obtenido por el cálculo individual!!! Si ese error se procedimiento de cálculo se expande a los 715 habitantes ese porcentaje llegaría hasta el 60%!!!

¿Y qué hay que hacer entonces? Muy sencillo... Calcular el caudal medio resultante en TODA la población, aplicarle a éste los criterios y formulaciones correspondientes y después distribuirlos ponderando por habitante... Este proceso es válido tanto para caudales máximos y medios de residuales como en el caso de cálculos hidrológicos de subcuencas... De momento aquí lo dejo que aún me quedan cosas que explicar... Ya haré un post específico sobre este asunto...

Y es que ahora llega el momento de establecer los criterios e hipótesis de funcionamiento del modelo... Como he comentado al principio se trata de una red unitaria, es decir, residuales y pluviales circulan por la misma red... Eso supone un inconveniente: al tratarse de colectores circulares con diámetro mínimo 300mm (por el criterio de la zapatilla), cumplir simultáneamente los requerimientos de capacidad de desagüe en avenidas de lluvia, diámetros mínimos operativos, y velocidades mínimas en caudales bajos es extremadamente complicado.

Para comprobarlo primero establecí un modelo de funcionamiento que durase dos días: durante el primer día sólo circulan caudales mínimos de residuales, y en el siguiente sólo caudales máximos más la precipitación de diseño. Esto se consigue con SWMM definiendo unos patrones de funcionamiento que después se aplican a cada nudo o pozo de entrada de caudal al sistema. El resultado, efectivamente, es que cuando pasa la punta de lluvia en el periodo de caudales máximos toda la red funciona a más de 0'3m/s, mientras que en el paso únicamente de caudal máximo de residuales una tercera parte de la misma ya funciona a menos de 0'3m/s, lo cual se acentúa en el período de caudales mínimos (sólo una quinta parte de la red cumple los requerimientos de velocidad mínima).

Modelizacion con SWMM_PLUVIALES Modelizacion con SWMM_MAXIMOS Modelizacion con SWMM_MINIMOS

Ahora bien... el funcionamiento establecido en la anterior simulación es demasiado teórico... Con lo que a sugerencia del entonces aspirante a ingeniero establecí otra, para la que me base en un estudio que encontré en la Red: "Modelo estocástico para la determinación de los caudales punta de aguas residuales en edificios de viviendas", Trabajo Final de Máster de Maria Alejandra Caicedo...

Y es que la aportación de caudales de residuales a una red de saneamiento se modula con el tiempo en función de nuestra actividad diaria... En plena madrugada los caudales de residuales vertidos son mínimos, mientras que durante el día esos caudales son mucho mayores, con picos a media mañana, mediodía y noche.

Modelizacion con SWMM_MODULACION

Esta gráfica de distribución se refleja en unos coeficientes horarios que aplicados al caudal medio de cálculo permiten tramificar en horas las aportaciones de caudales de saneamiento en la red.

Modelizacion con SWMM_COEFICIENTES

Esta tramificación es la que conlleva a la definción de un nuevo patrón de funcionamiento de dos días de duración con la modulación anterior de caudales de aportación de residuales más la adición puntual de la precipitación de diseño de manera que coincida con la punta de residuales de la modulación... Los resultados en este caso son muy similares al anterior en la situación de paso de lluvia por la red de saneamiento y en el paso de la punta de residuales... pero en el valle de la aportación de residuales (cuyos caudales son menores a los mínimos de la simulación anterior) el incumplimiento de criterio de velocidad mínima se acentúa.

Modelizacion con SWMM_MINIMOS2

Conclusiones para terminar

De nuevo me está saliendo un post laaaargo... pero es que si se quiere contar bien las cosas hay que extenderse... así que ¿qué conclusiones se sacan de la modelización con SWMM?

  • Que la red de saneamiento tiene capacidad hidráulica suficiente para evacuar los caudales punta de escorrentía de precipitación... y además sin superar calados mayores al 75% del diámetro interior de los colectores!!!
  • Que la red de saneamiento funciona para una modelización de aportaciones de caudales de residuales que refleja la realidad... pero ello conlleva que no es posible que coincida el cumplimiento de los requerimientos de capacidad hidráulica en los flujos de pluviales, los diámetros mínimos operativos y las velocidades mínimas y máximas.
  • Entonces en la mayor parte de la red se presentan velocidades menores de 0'3m/s para caudales mínimos de residuales... lo que provoca riesgo de sedimentación... y es que se prioriza la capacidad de desagüe al cumplimiento de velocidades mínimas, y se asume que en caudales bajos éstas no se alcancen.
  • Es necesario a la cabecera de los tramos de colectores con cámaras de descarga que periódicamente introduzcan cierto caudal que arrastre las posibles sedimentaciones existentes en la red.
  • Y finalmente... y lo más importante... que EL ASPIRANTE A INGENIERO DEJÓ DE SER ASPIRANTE Y PASÓ A SER INGENIERO!!!!!

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