transporte de sedimentos depositados en alcantarillado unitario

8/18/2019 Transporte de Sedimentos Depositados en Alcantarillado Unitario

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TRANSPORTE DE SEDIMENTOS DEPOSITADOS ENALCANTARILLADO UNITARIO.

ESTIMACIÓN MEDIANTE SWMM 5.0 Raquel Irene Seco* , Manuel Gómez Valentín**

Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental. Universitat Politcnica de !atalunya.

"rupo de Investigaci#n $%UM&'. (ordi "irona )+. -+ &spa/a. * irene.seco0estudiant.upc.edu ,

**manuel.gome10upc.edu

RESUMEN:Los vertidos desde alcantarillado unitario durante eventos de tormenta pueden afectar significativamente

los estándares de calidad de los medios naturales receptores. Estudios previos apuntan que la principal

fuente de contaminantes está asociada a la erosión y re-suspensión de sólidos que se depositan dentro de

los conductos en el periodo seco antecedente a la precipitación. La predicción de sólidos que se movilizandesde el interior de las conducciones por el escurrimiento de aguas pluviales puede resultar en

importantes beneficios tanto en la gestión de la contaminación de medios naturales como en el diseño de

depósitos de retención. Los modelos de calidad desarrollados hasta ahora plantean formulaciones de

compleja aplicación o bien proponen el cálculo apro!imado pero con una gran cantidad de variables. En

este trabajo se presenta la implementación de una metodolog"a conceptual basada en el modelo de calidad

de #$%%&.' que con pocos parámetros permita la valoración de la carga sólida movilizada desde los

depósitos en el interior de las conducciones durante un evento de precipitación. (s" esta metodolog"a

supone una ampliación en la capacidad de trabajo de #$%%&.' para la obtención de la evolución de la

carga sólida total al contemplar el proceso en el interior de las conducciones que actualmente no

considera. )esultados iniciales muestran el potencial de su aplicación.

ABSTRACT:*ischarges from combined se+er systems during storm events can significantly affect the quality

standards of natural receptors. ,revious studies suggest that the main source of pollutants is associated

+ith solids erosion and resuspension from deposits +ithin the conduits accumulated during dry periods.

he prediction of the solids that are mobilized +ithin the pipes due to storm +ater runoff can result in

significant benefits in the management of both pollution of natural environments and in the design of

storage tans. /uality models developed until no+ propose formulations +ith comple! application or in

other cases propose applying estimating models but +ith a large number of variables. his +or presentsthe implementation of a conceptual methodology based on the quality model of #$%%&.' that +ith fe+

parameters allo+ the quantification of sediment loads mobilized from deposits inside the pipes during a

precipitation event. hus this methodology involves an e!tension of the +oring capacity of #$%%&.'

to obtain the evolution of the total solid load due to contemplate the process inside the pipeline currently

not considered. 0nitial results sho+ the potential application of the proposed methodology.

PALABRAS CLAVES: alcantarillado unitario1 transporte de sedimentos1 #$%% &.'


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INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTESEn el ámbito europeo los sistemas de alcantarillado unitario prevalecen en relación a los separativos. 2n

sistema unitario está diseñado para transportar la combinación de agua pluvial y residual originada en

n3cleos urbanos e industriales.

Las condiciones de flujo de aguas sólo residuales en tiempo seco y las caracter"sticas de diseño de losconductos unitarios de alcantarillado provocan la sedimentación de part"culas sólidas dentro de las

conducciones. 4omo resultado se produce una acumulación progresiva de sedimentos de alto contenidoorgánico en el interior del sistema durante el tiempo sin lluvia. ( su vez los depósitos de sedimentos

act3an como acumuladores de contaminantes.

El material depositado no sólo disminuye la capacidad de transporte de las redes sino que además tiene

un efecto importante en la resistencia hidráulica debido al incremento de rugosidad de los contornos

56utler et al. 7''89. Estos cambios sumados a escasas o inadecuadas tareas de mantenimiento pueden

provocar la entrada en carga del sistema problemas de inundación y el aumento en la frecuencia de los

eventos vertidos a medios receptores. ambi:n la permanencia de depósitos de sedimentos durante

tiempos prolongados por sus caracter"sticas qu"micas y biológicas pueden causar la degradación en la

estructura interna del sistema.

La escorrent"a pluvial en las superficies urbanas conducida hacia los sistemas de alcantarillado unitario

durante un evento de tormenta aumenta los caudales transportados dentro de las conducciones. El

incremento en caudal y velocidad que se produce en consecuencia puede provocar la erosión y re-suspensión de los sólidos depositados en el periodo seco. 0nvestigaciones previas en este campo sugieren

que la principal fuente de sólidos que llegan al medio receptor por vertidos al inicio de una tormenta está

vinculada a la movilización de esos sedimentos depositados en redes e interceptores.5(shley 7'''1

%ulliss et al. ;


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MATERIALES Y MÉTODOS

Elección e SWMM 5.0 c!"! #$%e e c&lc'l!

E!iste actualmente en el mercado una gran variedad de modelos que permiten la simulación hidrológica-

hidráulica y de calidad. Ejemplos de ello son los denominados@ #$%% %0AE 2)6(BC%D2#E )(,

L2,DL %D#/0D #0%,DL 0nfo$orsCFydro$ors halia 0ber lo+8* entre otros. Estosmodelos en general además de realizar el modelado hidrológico-hidráulico simulan procesos calidad de

agua considerando aspectos de concentración de contaminantes y transporte de sedimentos a trav:s del

sistema de alcantarillado.

Los modelos comerciales utilizan en general para la predicción conocidas formulaciones de transporte

derivadas de estudios realizados principalmente en el ámbito fluvial. (unque estas ecuaciones son 3tiles

en la comprensión de los principios del movimiento de sólidos los resultados obtenidos de su adaptación

a sistemas de alcantarillado a3n no son concluyentes. ,or otra parte no todos los modelos que incluyen

un módulo de calidad consideran los efectos causados por las propiedades cohesivas de los sólidos la

pree!istencia de sedimentos acumulados en el interior del sistema que pueden ser re-suspendidos el

amplio espectro de part"culas que se pueden encontrar en un sistema de alcantarillado ni lastransformaciones f"sicas qu"micas y biológicas de los contaminantes.

Los modelos de transporte de sedimentos desarrollados por Fydro$ors y %ouserap calibrados yverificados en sistemas de alcantarillado requieren la definición de un importante n3mero de parámetros

de calidad como datos de entrada del modelo. La falta de información de campo que en general se tieneen :ste tema y las dificultades para realizar mediciones hace que muchas veces se utilicen valores de

parámetros que el mismo programa presenta por defecto sin un conocimiento adecuado de su influencia.

Las incertidumbres en la valoración de esos parámetros y en los resultados obtenidos dificultan la

aplicación de estos programas y el uso que podemos hacer de sus resultados.

El programa #$%% &.' 5#torm $ater %anagement %odel9 desarrollado por la (gencia de ,rotección

del %edioambiente de los Estados 2nidos 5E,(9 es uno de los modelos hidrológicos-hidráulicos más

utilizados en el ámbito de la ingenier"a urbana por su probada capacidad de cálculo y porque es de

dominio p3blico y código abierto lo que facilita su utilización por parte de cualquier consultor de

ingenier"a o en el mismo ámbito acad:mico.

#$%% &.' en su modelo de calidad actual permite predecir la evolución de parámetros decontaminación asociados a una tormenta. #in embargo considera para ello sólo la acumulación y lavado

de sedimentos depositados en las superficies de las cuencas de aporte sin contemplar el transporte de

sólidos re-suspendidos desde dentro de las conducciones 5)ossman 7''


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en #$%%&.' se obtienen sedimentogramas de salida que integran las dos fuentes de material sólido los

originados del lavado de superficies y del lavado del interior de las redes.

#e resume esquemáticamente en la igura ; los pasos significativos en la implementación de la

metodolog"a que se irán e!plicando más detalladamente a continuación. Este proceso debe repetirse para

cada conducto que presente problemas de sedimentación en tiempo seco a fin de considerar finalmente elefecto conjunto en todo el sistema.

Ac'"'l$ción e %ei"en(!% en (ie"+! %ec!*e los resultados obtenidos en el análisis de sólidos y contaminantes en caudales vertidos en tiempo de

lluvia desde sistemas de alcantarillado unitario se deduce que la valoración de la carga sólida está

asociada en forma directa a la e!istencia de depósitos sólidos en el interior de las conducciones durante el

tiempo seco en el que sólo circulan caudales residuales.

)esulta entonces necesario previo al análisis del arrastre del material durante eventos de lluvia definir

patrones de sedimentación para determinar las zonas del sistema con más tendencia a depositar dado que

la acumulación de sólidos no se manifiesta de manera uniforme en todos los tramos de un sistema de

alcantarillado. (simismo es necesario determinar el volumen diario de sólidos efectivamente depositado y

distribuido en las conducciones. Bo se consideran sin embargo cambios f"sicos ni qu"micos en el material

depositado durante el tiempo transcurrido desde el inicio de la formación del depósito de fondo hasta su

arrastre como un modo de simplificar el cálculo.

La evaluación cuantitativa y análisis de tendencias de sedimentación se lleva a cabo mediante laaplicación del m:todo predictivo desarrollado por $illiam ,isano 5,isano et al. ;


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impermeable y que debido a las condiciones de su superficie interna y escurrimiento continuo de aguas

residuales no se produce encharcamiento en el mismo.

/i)',$ .- *iagrama de la metodolog"a planteada para la obtención de la carga sólida total


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,ara establecer el modelo de calidad se definien los sólidos como elemento contaminante del modelo y

un nuevo tipo de uso de sueloM para el interior del conductoCcuenca ficticia. En ese uso de sueloM

definido se deberán introducir los parámetros de la función de lavado y los relacionados a operaciones de

mantenimiento que luego serán ajustados en el proceso de calibración. La acumulación de sólidos en los

conductos se puede introducir como un parámetro inicial de almacenamiento en las propiedades de lacuenca ficticia o bien mediante una función e!terna de acumulación en la superficie interna del conducto.

El espesor de sedimento depositado en un determinado periodo seco antecedente a introducir en elmodelo puede obtenerse a partir de campañas de medición en los conductos del sistema de estudio o bien

de la aplicación del m:todo predictivo de ,isano antes mencionada.

#e considera a continuación el análisis de un evento de precipitación en particular que produzca

escurrimiento en la superficie real de la cuenca introduciendo al sistema de alcantarillado un caudal de

escorrent"a suficiente para originar la erosión de sólidos depositados en su interior. #i se tomara el mismo

evento de precipitación en ambas cuencas real y ficticia el hidrograma obtenido en la ficticia ser"a muy

diferente en volumen al que circulará por el conducto aunque conserve la forma como puede verse en la

gráfica de la igura 7 5notar la diferencia de escalas entre las gráficas 5a9 y 5b99 para un evento de lluvia

de ejemplo.

/i)',$ 1.- Fidrogramas y Fietogramas. *efinición de hietograma ficticio5a9 Fidrograma de escurrimiento en entrada al conducto real generado por ,recipitación real5b9 Fidrograma de escurrimiento generado sobre cuenca ficticia por ,recipitación real

5c9 Fidrograma de escurrimiento generado sobre cuenca ficticia por ,recipitación ficticia

5d9 #uperposición de Fidrogramas sobre cuenca 5lluvia ficticia9 y en conducto real 5lluvia real9


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La información de la lluvia a utilizar para la obtención del sedimentograma de salida en la cuenca ficticia

será entonces diferente al evento de precipitación real que se produce y efectivamente escurre sobre la

cuenca piloto de estudio y habrá que calcularla.

#e ha verificado a lo largo de este trabajo que para cuencas regulares en forma y área pequeña 5menor a ;

hectárea9 el hidrograma de escurrimiento presenta el mismo aspecto que el hietograma de precipitación.#e define entonces un evento de lluvia equivalente o ficticio basado en la forma del hidrograma obtenido

en la entrada del conducto real. La intensidad de la precipitación ficticia en cada intervalo de tiempo sedetermina como la relación entre el caudal real en el conducto y el área de la cuenca ficticia. 5igura ;.

Esquema 6. *eterminación lluvia ficticia.9. La respuesta en caudal de la cuenca ficticia ante el evento

ficticio obtenida siguiendo este procedimiento es equivalente a la respuesta en caudal del conducto real

dentro del sistema ante el evento de precipitación real con errores en volumen menores al ;G que son

perfectamente asumibles.

Efectuando la simulación en #$%% &.' de los modelos de cuenca ficticia creados para cada conducto

que requiera análisis de erosión interna partiendo de la acumulación inicial durante el tiempo seco

antecedente al evento de precipitación real y aplicando el correspondiente hietograma de lluvia ficticia

5igura ;.Esquema 4. #imulación cuenca ficticia en #$%% &.'9 obtenemos la evolución en el tiempo

de la carga sólida por efecto del lavado o erosión dentro de los conductos de análisis.

%ediante un proceso de calibración se ajustan finalmente los valores de los parámetros de lavado con el

objetivo de adecuar el sedimentograma de salida del modelo de cuenca ficticia al sedimentograma real.La calibraciónCvalidación se realiza en tres pasos. ,rimero el modelo se calibra aplicando un conjunto de

datos de entrada asociados a un evento de precipitación. Los parámetros del modelo se ajustan para

adecuar los resultados en un punto de control a los registros medidos. #e sigue el mismo procedimiento

para un segundo conjunto de registros lluviaCsedimentograma. Luego el modelo se valida aplicando unnuevo conjunto de datos de entrada manteniendo fijos los parámetros del modelo definidos en la

calibración. En general el ajuste de resultados del modelo y los determinados por medidas reales puede

verificarse por coeficiente de correlación o por m"nimo error cuadrático medio.

O#(ención e %ei"en(!),$"$ in$l inalmente se introduce el sedimentograma correspondiente a la evolución del proceso de erosión de

sólidos en la cuenca ficticia determinado en cada conducto de análisis como una entrada directa en elnodo de salida del conducto real correspondiente.

4omo resultado de una nueva simulación del modelo real se obtiene un sedimentograma de salida que

integra las dos fuentes de material sólido. 5igura ;. Esquema *9. Es decir que con la modificación

incorporada se obtiene como resultado la evolución de la carga total de sólidos que contempla tanto el

proceso de lavado en la superficie de la cuenca como el producido dentro del conducto con tendencia a

sedimentar en tiempo seco y el aportado por las mismas aguas residuales.

El ajuste del m:todo a la evolución real de sólidos en un sistema de alcantarillado durante un evento de

tormenta debe calibrarse y verificarse con registros reales medidos en vertederos del sistema de análisis o

en un punto de control a la salida del sistema.

RESULTADOS Y AN2LISIS

La verificación inicial de la metodolog"a propuesta como base en la predicción de la movilización de

sólidos depositados en conductos de alcantarillado unitario se ha llevado a cabo mediante la utilización

de registros de vertidos e información del sistema en una cuenca ubicada en la zona urbana de la localidad

de ?ranollers en la comunidad autónoma de 4ataluña España.

#e parte de un modelo hidrodinámico del sistema calibrado y verificado con datos de precipitaciones ycaudales de escurrimiento medidos durante la campaña de muestreo realizada entre %ayo de 7';' y

Dctubre de 7';;.


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,revio a la aplicación de la metodolog"a propuesta se analizó el sistema de alcantarillado de la zona de

estudio a fin de determinar tramos de conducciones con tendencia a la sedimentación sobre los que

posteriormente se determinó el volumen de sólidos acumulados mediante la aplicación del m:todo de

,isano para un per"odo de 7' d"as previos al evento de precipitación.

#e implementa en #$%% &.' la metodolog"a antes e!plicada de las cuencas ficticias en conductos paralos que previamente se determinara su tendencia a presentar sedimentación.

*ebido a no contar en este primer desarrollo con medidas reales de la evolución de los sólidos a lasalida del conducto real que nos permita calibrar y validar el modelo de sólidos el sedimentograma

que denominamos real se obtuvo de la aplicación de la apro!imación emp"rica de van )ijn para

arrastre de fondo desarrollada para r"os. Esta es una de las formulaciones que se han utilizado en

alcantarillado debido a que da relativamente similares resultados a los reales cuando se estudia eltransporte en conductos de sólidos de caracter"sticas no cohesivas homog:neos en composición y

uniformes en distribución granulom:trica bajo condiciones de flujo uniforme. #i bien este no es lasituación real en alcantarillado unitario se consideran los resultados de la aplicación de van )ijn

como una primera apro!imación a los registros reales de transporte sólido a efectos de confirmar la

factibilidad de aplicación de la metodolog"a propuesta.

#e muestran en las gráficas de la igura 7 y abla ; sedimentogramas obtenidos de la aplicación de la

formulación de van )ijn para transporte de fondo y el obtenido de la implementación en #$%%&.'de una cuenca ficticia seg3n la metodolog"a e!plicada. *e la comparación de la má!imaconcentración de sólidos de salida y la masa total de sólidos erosionada obtenidas con ambos

procedimientos se evidencia un ajuste que podemos considerar admisible si bien las diferencias pueden incluso ser mayores a un ;'G en algunos eventos.

/i)',$ 1.- #edimentograma total calculado con ambas metodolog"as y resultados de muestras puntualesT$#l$ .- 4oncentración y masa total de sólidos lavados en conductos calculados mediante formulaciónde van )ijn y por procedimiento de cuenca ficticia.


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*ada la complejidad en el tema de modelación de la calidad de agua de alcantarillado y las importantes

dificultades que se tienen en la recolección de muestras representativas del fenómeno de transporte es de

aceptación generalizada en el área 56ertrand-Araje+si 7''=9 que la calidad de resultados de un modelo

sea adecuada o satisfactoria cuando se verifique el mismo orden de magnitud entre los valores calculados

de tasas de transporte sólido y los medidos y mantengan una evolución similar en el tiempo pudiendoadmitirse pequeñas discrepancias de desfase temporal y en valores má!imos.

al lo indicado en la e!plicación de la metodolog"a el sedimentograma final se obtiene a partir deuna tercera simulación del sistema en #$%% &.' incorporando previamente en los nodos de salida

de cada conducto de análisis los sedimentogramas obtenidos para las cuencas ficticias. El

sedimentograma final obtenido en una sección de control integra las fuentes de sólidos provenientes

de la escorrent"a superficial los propios de las aguas residuales y los lavados desde el interior de losconductos.

En la igura 8 se muestran los resultados obtenidos con esta metodolog"a para los eventos de lluviade ejemplo. La evolución de sólidos obtenida de la aplicación normal del modelo en #$%%&.'

referenciada como sedimentograma #$%% normalM no evidencia el efecto del lavado en el

interior del conducto que s" puede observarse en el sedimentograma resultante de la aplicación del

modelo modificado mediante el procedimiento de cuenca ficticia. #e observa en la misma gráfica que

la influencia del lavado dentro de las conducciones al inicio de la tormenta puede ser relevante en lacalidad del agua observada en un punto de control a la salida del sistema.

En la gráfica tambi:n se distingue que luego del aporte de los sólidos movilizados desde los depósitos en

el interior de los conductos los valores de carga sólida son iguales en ambas metodolog"as y las curvas se

superponen correspondi:ndose con la llegada del caudal y contaminantes asociados a la escorrent"asuperficial.

/i)',$ 3.- #edimentograma de salida evaluados mediante modelo en #$%% original y nuevametodolog"a

,ara los mismos eventos se muestran en la igura H mediante una curva de doble masa acumulada losresultados obtenidos.

En ellas se evidencia claramente el fenómeno de primer lavado que ocurre al inicio de la tormenta con

altas concentraciones de sedimentos en el primer periodo de tormenta.


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/i)',$ 4.- 4urva de doble masa acumulada. ,rocedimiento #$%% original y modificado#e observa que para un escurrimiento inicial del 7&G del volumen de agua total del evento se registra el

aporte del I'G de la carga sólida total en uno de los eventos y poco más del


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CONCLUSIONES

4on los resultados obtenidos hasta el momento consideramos que la metodolog"a propuesta permiteconsiderar el proceso de erosión y re-suspensión de sólidos pree!istentes en el interior de sistemas

unitarios que hasta ahora #$%% &.' no los considera en su modelo de calidad. *e este modo laconsideración introducida que permite utilizar las funciones de lavado en superficie disponibles en

#$%% &.' mediante cuencas ficticiasCconductos consigue aportar una mejora en la capacidad de trabajo

actual de este soft+are.

#in embargo es crucial para el desarrollo de modelos que permitan describir apropiadamente el

movimiento de sólidos considerar las caracter"sticas particulares de los sedimentos propios del

alcantarillado. Las modificaciones necesarias de realizar implican la incorporación de caracter"sticas de

los sólidos transportados tales como cohesión y no-uniformidad en tamaño de part"culas y densidad. La

introducción de esas particularidades permitirá predecir con una mejor estimación los cambios de

concentración en general significativos que se producen en el escurrimiento de agua en el periodo inicial

de un evento de precipitación.

El buen ajuste inicial obtenido hasta el momento con la metodolog"a su relativa simplicidad de

implementación y la posibilidad de utilizar para el cálculo el soft+are #$%% &.' de licencia libreampliamente empleado en hidrolog"a urbana justifica la decisión de continuar trabajando en la

optimización del esquema de cálculo propuesto.


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RE/ERENCIAS

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transporte de sedimentos depositados en alcantarillado unitario

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