Modelización numérica en una dimensión 1D de estructuras de drenaje en sistemas de alcantarillado

Numerical modelling in a 1D dimension of drainage structures in sewage systems

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Abstract (es)

Contexto: los procesos de desarrollo urbano conducen a la alteración de los paisajes naturales y a la modificación
de la cobertura vegetal. Como resultado, las inundaciones son cada vez más frecuentes y más devastadoras que en el pasado. Para comprender y abordar mejor estos impactos, la evolución computacional ha facilitado un uso más amplio de las herramientas de modelado. Desde la década de 1970, el modelado matemático se ha convertido en un recurso importante para el diagnóstico y diseño de sistemas de drenaje. Se han desarrollado modelos numéricos que permiten resolver las ecuaciones de Saint Venant de manera simplificada (modelos difusivos y cinemáticos) o en su forma completa (conservación de la masa y del momento).
Objetivo: desarrollar un modelo hidrodinámico integrado mediante el software Stormwater Management Model (SWMM) para simular la operación conjunta de las estructuras de drenaje superficial y subsuperficial en el sistema de alcantarillado combinado del barrio Santa-Inés de Tunja, con el fin de evaluar los caudales generados, el balance hidrológico urbano y la peligrosidad del flujo en las calles.
Metodología: la modelización se lleva a cabo mediante el programa informático Stormwater Management Model (SWMM). Se trata de un modelo dinámico lluvia-escorrentía utilizado para la simulación de la cantidad y calidad del agua en zonas urbanas. En el presente estudio se desarrolló un análisis de la operación hidráulica integrada de estructuras de drenaje, como sumideros y aliviaderos, en el sistema de alcantarillado combinado existente en el barrio Santa-Inés de la ciudad de Tunja, Colombia. Se analizó el drenaje superficial (modelo calle), estudiando los efectos sobre los caudales generados y el balance hidrológico de la cuenca urbana, permitiendo determinar la peligrosidad del flujo en las calles de la zona. Resultados: a través de este estudio, fue posible construir el modelo numérico integrado de estructuras de drenaje urbano. Se generaron análisis hidráulicos entre el modelo de superficie y el modelo de subsuelo. Como resultado, se pudo determinar la fracción volumétrica de precipitación efectiva generada por las conexiones viales y domiciliarias. Además, se estimó el volumen de escorrentía captado por los sumideros.
Conclusiones: estos resultados ponen de relieve la importancia de la integración de los modelos superficial y subsuperficial en los sistemas de drenaje urbano y permiten evaluar la peligrosidad del flujo en las calles del distrito de drenaje estudiado.

Abstract (en)

Context: Urban development leads to the alteration of natural landscapes and the modification of vegetation coverage. As a result, floods are becoming increasingly frequent and more devastating than in the past. To better understand and address these impacts, advances in computational technology has facilitated the broader use of modelling tools. Since the 1970s, mathematical modelling has become an important resource in the diagnosis and design of drainage systems. Numerical models have been developed that allow the Saint-Venant equations to be solved in a simplified way (diffusive and kinematic models) or in their complete form (conservation of mass and momentum).
Objective: To develop an integrated hydrodynamic model using the Stormwater Management Model (SWMM) software to simulate the joint operation of surface and subsurface drainage structures in the combined sewer system of the Santa-Inés neighborhood of Tunja. The model aims to evaluate the flows generated, the urban hydrological balance, and the flow hazard in the streets. Methodology: Modeling is carried out using the Stormwater Management Model (SWMM) software. This is a dynamic rainfall-runoff model used for the simulation of the quantity and quality of water in urban areas. This study analyzed the integrated hydraulic operation of drainage structures such as sinks and spillways in the existing combined sewerage system of the Santa-Inés neighborhood in the city of Tunja, Colombia. The surface drainage (street model) was examined to assess its effects on the generated flows and on the hydrological balance of the urban basin, allowing for the hazard of the flow in the streets of the area to be determined.
Results: The study produced an integrated numerical model of urban drainage structures. Water and hydraulic analysis were generated between the surface model and the subsurface model. As a result, the volume fraction of effective rainfall generated by the road and domicile connections was determined, and the volume of runoff captured by the sinks was estimated
Conclusions: The findings highlight the importance of the integration of the surface and subsurface models in urban drainage systems and allow for an evaluation of the hazard of the flow in the streets of the drainage district under study.