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1.2. INTRODUCCIÓN - ¿Qué es el SWMM?
SWMM es un software informático libre, que se utiliza para la modelización de redes de
saneamiento y redes de aguas pluviales. De este modo se pueden diseñar con mayor
facilidad sistemas de drenaje urbano.
1.2.1. ¿Qué es un sistema de drenaje urbano?
Un sistema de drenaje urbano es el conjunto de elementos que de forma conjunta
conforman una red cuya función es realizar la evacuación de las aguas de una zona
urbana.
Los sistemas de drenaje urbanos son necesarios en el desarrollo de áreas urbanas
debido a la interacción entre las actividades humanas y el ciclo del agua. Facilitan la
evacuación del agua en las zonas urbanizadas evitando inundaciones y transportando
las aguas residuales por medio de tuberías hasta las Estaciones Depuradores de Aguas
Residuales (EDAR).
En un sistema de drenaje urbano, nos encontramos con dos tipos de agua, por un lado
la generada por aguas residuales y por otra parte la generada por el escurrimiento
pluvial, es decir, el agua de lluvia.
Para evacuar estas aguas se construye una red de alcantarillado, siendo por tanto esta
red el sistema de estructuras y tuberías usadas para la evacuación de aguas residuales.
La red de alcantarillado puede ser unitaria (cuando se transportan conjuntamente
aguas de saneamiento y pluviales) o separativa (cuando se utilizan dos redes
diferentes), tendiéndose a la primera.
Entre los principales impactos ocasionados por un inadecuado diseño de un sistema de
drenaje están las inundaciones y daños a las propiedades y personas.
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Modelo de Red de Drenaje Residual y Pluvial
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1.2.2. ¿Cómo se diseña una red de drenaje urbano?
Para el diseño del sistema de drenaje, es necesario realizar un estudio hidrológico de
las cuencas hidrológicas vertientes. Tradicionalmente, este estudio se ha realizado
utilizando metodologías basadas en el uso del método racional para la estimación del
caudal de diseño de cualquiera de los elementos que conforman el sistema.
¿Cuál es el problema? El problema o deficiencia es que este método no toma en
cuenta la variabilidad temporal de la lluvia. Lo que en realidad hace es sobreestimar el
caudal de diseño a medida que aumenta el área de la cuenca con lo que realizar
análisis de escenarios y alternativas se hace más complejo.
Otra simplificación importante es que el diseño de los elementos se realiza
suponiendo flujo uniforme. Esto como bien que sabemos no es real, ya que el flujo es
no permanente y no sólo variado (remansos, resaltos hidráulicos, etc.) sino variable.
1.2.3. Modelos matemáticos para el diseño de redes de drenaje:
Hoy en día, se han desarrollado modelos matemáticos numéricos, unos de pago y
otros gratuitos que nos ayudan enormemente a la predicción de este tipo de
fenómenos.
Dentro de estos modelos se encuentra el Storm Water Management Model (SWMM),
actualmente el software de referencia en los Estados Unidos.
Storm Management Model, son las iniciales de Modelo de Gestión de Aguas Pluviales.
SWMM fue uno de los primeros modelos numéricos de simulación hidrológico-
hidráulica especial para drenaje urbano, y hoy en día se considera software de
referencia.
Se desarrolló por primera vez en 1971, habiéndose realizado distintas mejoras hasta
llegar a la versión actual, la versión quinta.
La versión en inglés es la versión EPA SWMM 5.0, desarrollada por la EPA,
Environmental Protection Agency (EEUU) y su versión española es la SWMM5vE que
vamos a aprender a manejar en este curso.
Este software nos proporciona un entorno integrado, pudiendo realizar todas las
simulaciones necesarias sin necesidad de acudir a otros softwares para realizar
pequeñas partes del cálculo total. Podemos introducir unos datos de entrada para el
cálculo del drenaje, podemos simular su transporte y comportamiento y estudiar su
calidad y ver resultados por último en muchos formatos (gráficos y tablas el tiempo,
mapas o isolíneas para el área de drenaje, análisis estadísticos…)
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1.3. CARACTERÍSTICAS
El Storm Water Management Model (Modelo de Gestión de Aguas Pluviales) de la EPA
(SWMM) es un modelo dinámico de simulación de precipitaciones, que se puede utilizar
para un único acontecimiento o para realizar una simulación continua en periodo
extendido. El programa permite simular tanto la cantidad como la calidad del agua
evacuada, especialmente en alcantarillados urbanos.
SWMM representa el comportamiento de un sistema de drenaje mediante una serie de
flujos de agua y materia. Esto lo hace gracias a sus distintos módulos que permiten un
análisis integrado y un análisis medioambiental.
Como ya hemos comentado, en el diseño hidráulico de drenajes, el cálculo hidrológico se
ha realizado tradicionalmente de manera manual empleando el método racional y el
cálculo hidráulico se ha realizado con flujo uniforme. Dicho método no toma en cuenta la
variabilidad temporal de la lluvia y está limitado para cuencas pequeñas.
Haciendo frente a estas desventajas encontramos una metodología para el diseño de
sistemas de drenaje en urbanismos a través del software SWMM donde es posible la
modelación dual (drenaje superficial-alcantarillado), la inclusión del tiempo en el análisis y
la no uniformidad del flujo, junto con el estudio de la calidad.
Habría que comentar que SWMM es un modelo numérico, y a su vez un modelo
hidrológico e hidráulico. Un modelo numérico no es más que una herramienta que sirve
para prever respuestas cuantitativas a una serie de preguntas asociadas a un problema.
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Existen tres módulos en el programa.
Módulo hidrológico: el módulo hidrológico sirve para simular una primera fase del
problema completo, la fase hidrológica. Con este módulo se transforma la lluvia
que cae en una serie de cuencas en escorrentía.
Módulo de transporte: este módulo es en realidad el módulo hidráulico, en el que
se estudia la siguiente fase del proceso. Es decir, cómo se transporta el agua a
través del sistema de tuberías, pozos, bombas, etc.
Módulo de calidad: este módulo sirve para tener en cuenta la calidad del agua de
escorrentía y la cantidad, y poder seguir su evolución en el tiempo.
1.3.1. Características Hidrológicas:
Un modelo hidrológico simula los procesos trasformación lluvia-escorrentía en una
cuenca representada como un sistema de componentes hidrológicos e hidráulicos
interconectados. Existen modelos paramétricos, semidistribuidos y distribuidos, siendo
el SWMM un modelo semidistribuido.
Entre las características hidrológicas más importantes de este software, tenemos:
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.
Todo ello nos permite realizar un completo estudio hidrológico en el que tenemos en cuenta todos los parámetros importantes.
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1.3.2. Características Hidráulicas:
Un modelo hidráulico simula los procesos de transporte de agua ya sea en lámina libre
o bajo presión mediante el cálculo computacional de las ecuaciones que lo gobiernan.
El transporte de agua por el interior de cualquiera de los conductos representados en
SWMM está gobernado por las ecuaciones de conservación de la masa y de la
cantidad de movimiento tanto para el flujo gradualmente variado como para el flujo
transitorio (es decir, las ecuaciones de Saint Venant unidimensionales).
El usuario de SWMM puede seleccionar el nivel de sofisticación con que desea
resolver estas ecuaciones.
Por ello existen tres modelos hidráulicos de transporte: el Flujo Uniforme, la Onda
Cinemática, la Onda Dinámica.
1) Flujo Uniforme: En el flujo uniforme no se considera variación en el tiempo ni
en el espacio.
2) Onda Cinemática: Sólo consideran los términos de fricción y los términos de
pendiente de la solera en la ecuación del movimiento.
3) Onda Dinámica: Resuelve las ecuaciones completas unidimensionales de Saint
Venant y por tanto teóricamente genera los resultados más precisos. Estas
ecuaciones suponen la aplicación de la ecuación de continuidad y de cantidad
de movimiento en las conducciones y la continuidad de los volúmenes en los
nudos.
Así se puede representar el flujo presurizado cuando una conducción cerrada se
encuentra completamente llena.
Las inundaciones ocurren en el sistema cuando la profundidad (calado) del agua en los
nudos excede el valor máximo disponible en los mismos.
Este exceso de caudal bien puede perderse o bien puede generar un estancamiento en
la parte superior del nudo y volver a entrar al sistema de saneamiento posteriormente.
Con este modelo de transporte, se pueden contemplar efectos como el
almacenamiento en los conductos, los resaltos hidráulicos, las pérdidas en las
entradas y salidas de los pozos de registro, el flujo inverso y el flujo presurizado.
Dado que resuelve de forma simultánea los valores de los niveles de agua en los nudos
y los caudales en las conducciones puede aplicarse para cualquier tipo de
configuración de red de saneamiento, incluso en el caso de que contengan nudos con
múltiples divisiones del flujo aguas abajo del mismo o inclusos mallas en su trazado.
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Se trata del método de resolución adecuado para sistemas en los que los efectos de
resalto hidráulico, originados por las restricciones del flujo aguas abajo y la presencia
de elementos de regulación tales como orificios y vertederos, sean importantes. El
precio que generalmente es necesario pagar por el empleo de este método es la
necesidad de utilizar incrementos de tiempo de cálculo mucho más pequeños, del
orden de 1 minuto o menos.
Durante el cálculo SWMM reducirá automáticamente el incremento de tiempo de
cálculo máximo definido por el usuario si es necesario para mantener la estabilidad
numérica del análisis.
Como resumen, podríamos decir que las características más importantes son:
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.
1.3.3. Características de la modelización de la calidad:
Un modelo de calidad atiende al estudio de la calidad del agua, es decir, de la carga
contaminante existente en la misma.
Hasta no hace mucho tiempo atrás, los sistemas de desagüe pluvial urbano se basaban
en el diseño de un sistema de alcantarillado que consiste en un conjunto de obras e
instalaciones destinadas a dar flujo a las aguas provenientes de las precipitaciones
pluviométricas o residuales, procurando eliminarla lo más rápidamente posible sin
tener en cuenta calidad, cantidad o afectación del recurso hídrico y el medio receptor.
Los ríos debido a esto han perdido su riqueza natural, mientras que los sistemas de
alcantarillado se ven incapaces de absorber la cantidad de agua adicional procedente
de las zonas de nuevo desarrollo urbano. Se derivan consecuencias directas en las
erosiones ribereñas, en la calidad del agua de los medios receptores, incremento de
las inundaciones en las urbanizaciones entre otros.
Por ello se han desarrollado modelos que tienen en cuenta la calidad y la cantidad de
aguas como el SWMM. Es posible saber cuál es la cantidad y calidad de agua en un
punto determinado, saber el nivel de los pozos, etc.
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Los procesos que se pueden modelar para cualquier sustancia asociada a la calidad de
las aguas son:
Acumulación de contaminantes (Build up) sobre las subcuencas.
Remoción de contaminantes durante episodios de lluvia (Wash off).
Reducción en la acumulación de contaminantes debido a limpieza de calles.
Reducción de contaminantes en la escorrentía debido a BMP’s (Best
Management Practice), traducido sería Buenas Prácticas de Gestión.
Propagación de los contaminantes a través de la red de drenaje.
Funciones de tratamiento definidas por el usuario.
1.4. APLICACIONES
SWMM se puede utilizar para simular cualquier red de drenaje urbano, teniendo quizá
como aplicaciones más específicas las siguientes:
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.
Es necesario comentar aquí las limitaciones de utilización con las que nos encontramos.
SWMM no se puede utilizar en cualquier ámbito ni con cualquier dimensión. Aquí hay un
pequeño listado de sus limitaciones.
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
sub-superficial.
No es una herramienta totalmente integrada respecto a las aguas urbanas.
Es una herramienta de análisis, no una herramienta automática de diseño.
No existe una conexión integrada con Sistemas de Información Geográfica (GIS).