Estudio de Cuenca Urbana-SWMM 5 (Murcia Balaguer)

Resumen
Ttulo: Estudio de la cuenca de La Riereta en Sant Boi de Llobregat mediante un

modelo de drenaje dual utilizando SWMM 5
Autor: Mrcia Balaguer, Anna
Tutor: Gmez Valentn, Manuel
Palabras clave: drenaje urbano, drenaje dual, SWMM 5, escorrenta superficial

RESUMEN
Hoy en da, la gran mayora de los estudios hidrolgicos e hidrulicos de
cuencas urbanas se realiza asumiendo que la escorrenta generada en superficie se
introduce en la red de colectores en los puntos ms prximos pertenecientes a dicha
red para cada zona y, a partir de aqu, se realiza el clculo hidrulico de los conductos.
En ellos, generalmente, no se consideran en detalle las interacciones entre lo que
sucede en superficie y lo que pasa en la red subterrnea. As, como ejemplo
simplificativo, no se evala el flujo en calles y las transferencias de caudal que pueden
darse: entradas a la red de alcantarillado va sumideros o salidas de la misma cuando
entra en carga y, consecuentemente, se produce retorno de agua al exterior.
En esta tesina se propone elegir una cuenca urbana de la que se dispone de
buena informacin, la cuenca de La Riereta en el municipio de Sant Boi de Llobregat, y
realizar un estudio de flujos considerando el comportamiento conjunto de la red de
alcantarillado y la red de calles existente en superficie. El modelo as descrito se
conoce como drenaje dual urbano.
Para su estudio se proceder a la elaboracin de dos modelos hidrolgico-
hidrulicos mediante el software EPA-SWMM 5.0: un primer modelo siguiendo los
principios del drenaje dual y otro basado en las teoras clsicas. Los resultados
obtenidos a partir del modelo dual permitirn estudiar el comportamiento del flujo en
ambas redes del sistema, las calles y los colectores, as como realizar un anlisis
comparativo entre estos resultados y los obtenidos a partir de una segunda
modelizacin de la cuenca de La Riereta siguiendo las metodologas clsicas para el
estudio de cuencas urbanas, es decir, ignorando el comportamiento del flujo en
superficie.
Se mostrar especial inters en evaluar las ventajas e inconvenientes del uso
de un modelo que requiere un alto nivel de detalle y, consecuentemente, supone un
incremento del tiempo de trabajo para su elaboracin frente los modelos tradicionales,
mucho ms simples y sencillos de elaborar. De esta manera se valorar la
conveniencia o no de invertir ms tiempo y recursos para modelar las cuencas
siguiendo los principios del drenaje dual.

Abstract
Title: Study of La Riereta basin in Sant Boi de Llobregat using a dual drainage
model elaborated with SWMM 5
Author: Mrcia Balaguer, Anna
Supervisor: Gmez Valentn, Manuel
Keywords: urban drainage, dual drainage systems, SWMM 5.0, stormwater

ABSTRACT
Nowadays, most of the hydrological and hydraulic studies about urban basins
are done assuming that the generated surface run-off is introduced in the sewer
system at the nearest points from this network for each zone. From that point the
hydraulic calculus of the pipes are done. In these calculus the interactions between
what occurs in the surface and in the underground network are not considered since
they dont take into account when the hydraulic capacity of a sewer system is
exceeded, pipe flow is pressurized or the water flows out from the buried pipe system
to the streets.
The aim of this thesis is to study La Rieretas urban basin, located at San Boi de
Llobregats town council, considering the global flow behavior of the sewerage and the
surface channels, representing a looped network. This model is known as urban dual
drainage.
For the study of the basin two hydrological-hydraulic models will be elaborated
with EPA-SWMM 5.0: in the first place a model which follows the dual drainage
concepts and secondly another one following the classical theories. The obtained
results from the first model will allow us to study the flows behavior in both systems
networks: stormwater runoff on surface channels and waters flow through pipes. At the
same time we will be able to develop a comparative analysis between the results from
the first model and the results obtained from the second model that follows the
classical theories for modelling urban basins and ignores the flows behavior at the
surface.
An evaluation of the advantages and disadvantages of using a model which
requires a high level of detail and, consequently, an increase of the working time for its
elaboration in front of the traditional models, much more simple and easy to elaborate,
will be done. In this way the advisability or not of investing higher time and resources
will be valuated to modelate the basins following the dual drainage principles.

Agradecimientos
AGRADECIMIENTOS

Esta tesina es el resultado de muchos meses de trabajo durante los que he
recibido el apoyo y la ayuda de muchas personas sin las cules la elaboracin de la
tesina hubiera sido un trabajo mucho ms difcil o casi imposible.
Primeramente, me gustara agradecer al profesor Manuel Gmez por el inters
que siempre ha mostrado y por ayudarme cuando lo he necesitado.
De la misma manera, quera agradecer el tiempo dedicado por el doctorando
Rodrigo Concha a introducirme en el mundo del SWMM 5.0 ms profundamente, as
como por su dedicacin y disponibilidad en todo momento.
Por ltimo, agradecer a mi familia y amigos por el simple hecho de estar
siempre all.
Muchas gracias a todos!

ndice
NDICE DE CONTENIDO
Captulo 1. INTRODUCCIN Y OBJ ETIVOS ............................................................ 1
1.1 Introduccin ........................................................................................... 1
1.2 Objetivos ................................................................................................ 2
1.3 Motivacin ............................................................................................. 2
1.4 Metodologa ........................................................................................... 3
Captulo 2. LA HIDROLOGA EN MEDIO URBANO ................................................. 5
2.1 Introduccin ........................................................................................... 5
2.2 Caracterizacin de la lluvia .................................................................... 7
2.2.1 Prdidas de precipitacin ................................................................. 8
2.3 Ecuaciones bsicas para el estudio del flujo unidimensional en lmina
libre en calles y colectores .................................................................................. 8
2.3.1 Aproximaciones a la solucin de las ecuaciones de Saint-Venant .. 9
2.4 Sistemas de captacin ........................................................................ 10
Captulo 3. EL DRENAJ E DUAL URBANO ............................................................. 17
3.1 Introduccin al drenaje dual urbano .................................................... 17
3.2 Estudios previos considerando Drenaje Dual Urbano ......................... 19
Captulo 4. DESCRIPCIN DE LA CUENCA DE LA RIERETA .............................. 21
4.1 Caractersticas generales de la cuenca de La Riereta ........................ 21
4.2 Descripcin de la red de calles ............................................................ 23
4.2.1 Seccin transversal ........................................................................ 23
4.2.2 Pendiente longitudinal .................................................................... 24
4.2.3 Pendiente transversal ..................................................................... 25
4.3 Descripcin de la red de alcantarillado ................................................ 26
4.3.1 Elementos de captacin ................................................................. 28
Captulo 5. EPA SWMM 5.0 ..................................................................................... 35
5.1 Introduccin al EPA SWMM 5.0. ......................................................... 35
5.2 Modelizacin del drenaje dual urbano con EPA SWMM 5.0 ............... 41
5.2.1 Pozos de registro ........................................................................... 42
5.2.2 Rejas de captacin ......................................................................... 44

Universitat Politcnica de Catalunya
Captulo 6. ELABORACIN DEL MODELO DUAL ................................................. 45
6.1 Discretizacin de las subcuencas ....................................................... 46
6.2 Sistema mayor ..................................................................................... 48
6.2.1 Descripcin de los elementos que intervienen en el modelo ......... 49
6.3 Sistema menor .................................................................................... 51
6.3.1 Descripcin de los elementos que intervienen en el modelo ......... 51
6.4 Elementos de captacin ...................................................................... 51
6.5 Pozos de registro ................................................................................. 54
6.6 Salida de la cuenca ............................................................................. 55
6.7 Lluvia ................................................................................................... 55
6.8 Opciones de simulacin ...................................................................... 55
6.9 Errores de continuidad ........................................................................ 58
6.10 Calibracin y validacin del modelo .................................................... 58
6.10.1 Determinacin de la lluvia efectiva ................................................. 59
6.10.2 Calibracin ..................................................................................... 61
6.10.3 Validacin ....................................................................................... 63
6.11 Anlisis del comportamiento del modelo dual ..................................... 66
6.11.1 Susana ........................................................................................... 67
6.11.2 J ordi ................................................................................................ 70
Captulo 7. COMPARACIN ENTRE EL MODELO DUAL Y EL MODELO
TRADICIONAL .............................................................................................................. 75
7.1 Elaboracin del modelo Tradicional .................................................... 75
7.2 Anlisis comparativo de los resultados obtenidos mediante el modelo
Dual y el modelo Tradicional para lluvias registradas ....................................... 77
7.3 Anlisis comparativo de los resultados obtenidos mediante el Modelo
Dual y el Modelo Tradicional para eventos de lluvia extremos ......................... 82
7.3.1 Clculo de las tormentas de proyecto. ........................................... 83
7.3.2 Anlisis de los resultados obtenidos .............................................. 85
7.4 Evaluacin del cumplimiento de los criterios de riesgo ....................... 97
Captulo 8. CONCLUSIONES ................................................................................ 103
8.1 Conclusiones generales .................................................................... 104

ndice
8.2 Futuras lneas de investigacin ......................................................... 106
Captulo 9. BIBLIOGRAFA .................................................................................... 107

ndice
NDICE DE TABLAS

Tabla 2-1.- Rango de validez de las ecuaciones para estimar A, B. ............................ 14
Tabla 2-2.- Valores del coeficiente k de acuerdo al ancho de media calzada. ............. 15
Tabla 2-3.- Rango de validez de las nuevas ecuaciones para obtener A, B. ............... 16
Tabla 4-1.- Registro de visitas. ..................................................................................... 21
Tabla 4-2.- Caractersticas geomtricas de las calles. ................................................. 25
Tabla 4-3.- Caractersticas del colector principal. ......................................................... 27
Tabla 4-4.- Parmetros caractersticos de las rejas convencionales. .......................... 30
Tabla 4-5.- Eficiencia de captacin de una reja modelo E-25 situada en una calle con
pendiente longitudinal del 1% ....................................................................................... 31
Tabla 4-6.- Parmetros caractersticos de las macro-rejas. ......................................... 34
Tabla 6-1.- Pendiente de las calles donde se ubican las macro-rejas. ........................ 53
Tabla 6-2.- Parmetros de los orificios que representan la salida de flujo a travs de
las rejas. ....................................................................................................................... 54
Tabla 6-3.- Intervalos de tiempo utilizados en la computacin. .................................... 56
Tabla 6-4.- Parmetros de entrada para el modelo de infiltracin (Horton). ................ 57
Tabla 6-5.- Errores de continuidad obtenidos para la modelizacin. ............................ 58
Tabla 6-6.- Eventos de lluvia utilizados para la calibracin y validacin. ..................... 59
Tabla 6-7.- Prdidas constantes para los eventos J ordi y Efrn. ................................. 59
Tabla 6-8.- Resultados de la calibracin para el evento de lluvia J ordi. ....................... 63
Tabla 6-9.- Resultados de la calibracin para el evento de lluvia Efrn. ...................... 63
Tabla 6-10.- Prdidas constantes para los eventos Fidel, Martina y Susana. .............. 64
Tabla 6-11.- Resultados de la validacin para el evento de lluvia Fidel. ...................... 66
Tabla 6-12.- Resultados de la validacin para el evento de lluvia Martina. .................. 66
Tabla 6-13.- Resultados de la validacin para el evento de lluvia Susana. ................. 66
Tabla 6-14.- Outlets (Rejas) que captan mayor caudal para el evento Susana. .......... 67
Tabla 6-15.- Conductos que actan a presin durante el evento Susana. ................... 69
Tabla 6-16.- Outlets (Rejas) que captan mayor caudal para el evento J ordi. .............. 71
Tabla 6-17.- Conductos que actan a presin para el evento J ordi. ............................ 72
Tabla 6-18.- Elementos de captacin a travs de los que se produce salida de flujo
(J ordi). ........................................................................................................................... 73
Tabla 7-1.- Valores de prdidas constantes para ajustar el modelo tradicional. .......... 76
Tabla 7-2.- Elementos necesarios para la elaboracin de los modelos mediante EPA
SWMM 5.0. ................................................................................................................... 77
Tabla 7-3.- Nivel de ajuste del modelo dual y tradicional en comparacin con los datos
observados (J ordi). ....................................................................................................... 79
observados (Efrn). ...................................................................................................... 79
observados (Fidel). ....................................................................................................... 80
observados (J ordi). ....................................................................................................... 81

observados (Susana). ................................................................................................... 82
Tabla 7-8.- Caractersticas de las tormentas de proyecto. ........................................... 84
Tabla 7-9.- Resultados obtenidos en la salida del colector para las distintas lluvias de
proyecto. ....................................................................................................................... 87
Tabla 7-10.- Errores de continuidad obtenidos para las lluvias de proyecto. ............... 87
Tabla 7-11.- Volumen de lluvia precipitada. ................................................................. 88
Tabla 7-12.- Volumen de escorrenta que sale de la cuenca. ...................................... 89
Tabla 7-13.- Porcentajes del volumen total precipitado para el modelo Simple. .......... 90
Tabla 7-14.- Elementos a travs de los cuales se produce salida de flujo en el modelo
Dual para las tormentas de proyecto. ........................................................................... 92
Tabla 7-15.- Nodos que no cumplen el criterio de riesgo de calado mximo. .............. 98
Tabla 7-16.- Conductos que no cumplen el criterio de riesgo de velocidad mxima. 101

ndice
NDICE DE FIGURAS

Figura 1-1.- Esquema de la metodologa seguida. ......................................................... 3
Figura 2-1.- Influencia de la urbanizacin sobre la respuesta hidrolgica de una
cuenca. ........................................................................................................................... 7
Figura 2-2.- Representacin del comportamiento hidrolgico de una cuenca. .............. 7
Figura 2-3.- Aproximaciones simplificadas de las Ecuaciones de Saint-Venant. ......... 10
Figura 2-4.- Ejemplos de elementos de captacin. ...................................................... 11
Figura 2-5.- Plataforma de ensayo para rejas e imbornales. ........................................ 12
Figura 2-6.- Representacin de los resultados obtenidos en un ensayo. ..................... 13
Figura 2-7.- Seccin de media calzada que cumple la condicin (x > 3m, y x Ix) 15
Figura 3-1.- Esquema de un sistema de drenaje dual urbano. ..................................... 18
Figura 3-2.- Flujo a travs de un sumidero: a) descarga libre hacia el colector, b)
descarga de flujo sumergido hacia el colector y c) descarga desde el colector hacia la
superficie. ..................................................................................................................... 19
Figura 4-1.- Mapa de situacin de Sant Boi de Llobregat. ........................................... 22
Figura 4-2.- Delimitacin de la cuenca de la Riereta. ................................................... 23
Figura 4-3.- Seccin transversal tpica de una calle de la cuenca de La Riereta. ........ 24
Figura 4-4.- Representacin esquemtica de: a) una red arborescente y b)una red
mallada. ........................................................................................................................ 26
Figura 4-5.- Bajantes de dos viviendas de la zona. ...................................................... 28
Figura 4-6.- Modelos de rejas convencionales ............................................................. 29
Figura 4-7.- Fotografa de una reja modelo E-25 situada en C/ Vctor Balaguer. ........ 31
Figura 4-8.- Curva de eficiencia de una reja modelo E-25 situada en una calle con
pendiente longitudinal del 1%. ...................................................................................... 32
Figura 4-9.- Modelos de MACRO-REJ AS. ................................................................... 33
Figura 4-10.- Ejemplo de rejas colmatadas. ................................................................. 34
Figura 5-1.- Esquema de del modelo de Depsito No Lineal de SWMM 5. ................. 36
Figura 5-2.- Representacin nodo-conector de un sistema de drenaje urbano en EPA-
SWMM 5.0. ................................................................................................................... 38
Figura 5-3.- Vista transversal de la calle y del colector ................................................ 42
Figura 5-4.- Esquema de la salida de a travs de un pozo de registro ........................ 43
Figura 5-5.- Esquema de una reja representada con conexin doble .......................... 44
Figura 6-1.- Esquema de discretizacin de subcuencas. ............................................. 46
Figura 6-2.- Representacin del cruce de calles entre C/Torre Figueras y C/Mossen
Cinto Verdaguer. ........................................................................................................... 49
Figura 6-3.- Esquema de la seccin de la cuneta izquierda. ........................................ 50
Figura 6-4.- Esquema de la seccin de la cuneta derecha. ......................................... 50
Figura 6-5.- Esquema de la seccin de una calle de tipo invertida. ............................. 50
Figura 6-6.- Ventana de SWMM 5.0 con las opciones de simulacin para onda
dinmica. ...................................................................................................................... 57
Figura 6-7.- Hidrograma registrado y calculado en la salida de la cuenca para el evento
J ordi. ............................................................................................................................. 60
Efrn. ............................................................................................................................ 60

Figura 6-9.- Hidrogramas registrado y calculados para el evento J ordi. ...................... 62
Figura 6-10.- Hidrogramas registrado y calculados para el evento Efrn. ................... 62
Figura 6-11.- Hidrogramas registrado y calculados para el evento Fidel. .................... 64
Figura 6-12.- Hidrogramas registrado y calculados para el evento Martina. ................ 65
Figura 6-13.- Hidrogramas registrado y calculados para el evento Susana. ................ 65
Figura 6-14.- Hidrograma de entrada al colector a travs de la Macro 2 al final de la
calle Llus Castells (Susana). ....................................................................................... 68
Figura 6-15.- Hidrograma de entrada al colector a travs de una reja E-25 situada en la
calle Baldiri Comas (Susana). ...................................................................................... 68
Figura 6-16.- Perfil longitudinal del colector de la calle Cerdenya y Francesc Maci. . 69
Figura 6-17.- Detalle del cruce entre las calles Francesc Maci y Cerdenya en el
modelo. ......................................................................................................................... 70
Figura 6-18.- Hidrograma de entrada al colector a travs de una Macro 2 al final de la
calle Llus Castells (J ordi). ............................................................................................ 71
Figura 6-19.- Hidrograma de entrada al colector a travs de una E-25 situada en la
calle Baldiri Comas (J ordi). ........................................................................................... 72
Figura 7-1.- Hidrogramas en la salida de la cuenca para el evento de lluvia J ordi. ..... 78
Figura 7-2.- Hidrogramas en la salida de la cuenca para el evento de lluvia Efrn. .... 79
Figura 7-3.- Hidrogramas en la salida de la cuenca para el evento de lluvia Fidel. ..... 80
Figura 7-4.- Hidrogramas en la salida de la cuenca para el evento de lluvia Martina. . 81
Figura 7-5.- Hidrogramas en la salida de la cuenca para el evento de lluvia Susana. . 82
Figura 7-6.- Tormenta de proyecto para T=2 aos. ...................................................... 83
Figura 7-7.- Tormenta de proyecto para T=5 aos. ...................................................... 84
Figura 7-8.- Tormenta de proyecto para T=10 aos. .................................................... 84
Figura 7-9.- Hidrogramas en la salida de la cuenca por el colector para la tormenta de
proyecto T=2 aos. ....................................................................................................... 85
proyecto T=5 aos. ....................................................................................................... 86
proyecto T=10 aos. ..................................................................................................... 86
Figura 7-12.- Nodos con salida de flujo de la red de colectores en el modelo Simple. 91
Figura 7-13.- Detalle del modelo Dual en el cruce de la C/ J aume I con C/ Llus
Castells. ........................................................................................................................ 92
Figura 7-14.- Hidrograma de caudal captado por la macro-reja de la C/ J aume I. ....... 93
Figura 7-15.- Detalle del modelo Dual en la zona del cruce de la C/ Pare Pere de Piera
y C/ Llus Pascual Roca. ............................................................................................... 94
Figura 7-16.- Caudal entrante y saliente por una reja E-25 situada en la C/ Pare Pere
de Piera. ....................................................................................................................... 95
Figura 7-17.- Nivel piezomtrico del flujo por la calle y por el colector en la reja 48. ... 95
Figura 7-18.- Flujo saliente a travs del pozo de registro 62. ....................................... 96
Figura 7-19.- Nivel piezomtrico del flujo por la calle y por el colector en el pozo 62. . 96
Figura 7-20.- Perfil longitudinal de la C/ Cerdenya y la C/ Francesc Maci entre los
nodos Q149 y Q142. ..................................................................................................... 99
Figura 7-21.- Perfil longitudinal del colector que recorre la C/ Cerdenya y la C/
Francesc Maci entre los nodos P76 Y p67. ................................................................ 99

ndice
Figura 7-22.- Zonas donde no se cumple el criterio de calado mximo. .................... 101
Figura 7-23.- Zonas donde no se cumple el criterio de velocidad mxima. ............... 102

Captulo 1: Introduccin y objetivos
1
Captulo 1. INTRODUCCIN Y OBJETIVOS

1.1 Introduccin
El concepto de drenaje dual, entendido como el drenaje conjunto entre dos
sistemas, apareci en Amrica del Norte en los aos 80. Estos sistemas son el
sistema menos, representado por la red de alcantarillado, y el sistema mayor,
representado por las calles.
Desde los albores de la Hidrologa Urbana hasta hoy en da, la mayora de los
estudios de las redes de drenaje pluvial se han realizado asumiendo que la escorrenta
siempre llega al colector y se han centrado en reproducir con exactitud el
comportamiento del agua una vez esta se encuentra dentro de la red de alcantarillado,
ignorando o prestando menos atencin de la que requerira el estudio del
comportamiento de la escorrenta en superficie y los problemas que conlleva la
presencia de ella en las calles para la vida diaria.
Hoy en da, debido al continuo crecimiento de los ncleos urbanos y la
consecuente impermeabilizacin del terreno, la hidrologa de las cuencas se ha visto
sustancialmente alterada obligndonos a estudiar con ms detalle la respuesta de la
cuenca a los eventos de lluvia. Por lo tanto, para conseguir una representacin ms
cercana a la realidad del comportamiento de una cuenca urbana durante un episodio
de lluvia, es importante considerar la interaccin hidrulica entre el flujo en las calles y
el flujo en los colectores. Para considerar esta interaccin es necesario cuantificar el

2
flujo en las calles, en los colectores y, sobre todo, las transferencias de caudal que
pueden existir de manera bidireccional a travs de los sumideros o pozos de registro
de la red de alcantarillado.
A lo largo de esta tesina pretendemos modelar, siguiendo los principios bsicos
del drenaje dual, una cuenca urbana de reducidas dimensiones utilizando el software
EPA SWMM 5.0 y comparar, posteriormente, los resultados obtenidos con un estudio
tradicional de la misma cuenca. Esto nos permitir evaluar la importancia de la
incorporacin de nuevos factores y parmetros, no considerados hasta la actualidad,
en la mayora de los estudios de las redes de drenaje urbano.

1.2 Objetivos
El objetivo principal de este documento es reproducir la respuesta hidrolgica
de una cuenca urbana de Sant Boi de Llobregat ante una serie de eventos de lluvia
registrados, as como el comportamiento hidrulico en las conducciones de la red de
alcantarillado y en las calles elaborando un modelo de drenaje dual, con un alto nivel
de detalle, utilizando la herramienta de clculo EPA SWMM 5.0.
La modelizacin desarrollada nos permitir evaluar el comportamiento de la
cuenca estudiada frente las tormentas de proyecto de perodo de retorno de 2, 5 y 10
aos. Mediante estas simulaciones podremos ver el funcionamiento de la red de
drenaje frente a eventos de lluvia extremos, as como conocer las zonas que
presentan problemas de inundacin o donde los niveles de agua o las velocidades del
flujo en superficie pueden llegar a ser peligrosos para la seguridad de la poblacin.
Por ltimo, pretendemos hacer un anlisis comparativo de los resultados
obtenidos a partir del modelo dual desarrollado y un nuevo modelo simplificado de la
misma cuenca siguiendo los principios tradicionales del drenaje urbano. Esta
comparativa nos permitir valorar la importancia del uso de modelos que presentan un
alto nivel de detalle para la estudio de redes de drenaje urbano.

1.3 Motivacin
Durante las ltimas dcadas se han hecho grandes mejoras en los sistemas de
drenaje urbano en numerosas poblaciones donde surgan problemas de inundacin,
pero, aun as, en algunas actuaciones no se ha conseguido solucionar la problemtica
inicial planteada. En algunos casos, esto se debe a la no consideracin, durante la
etapa de estudio de la solucin adoptada, de la continua interaccin entre los dos
niveles por donde circula agua: la calle y la red de colectores. La no consideracin de
la transmisin bidireccional de flujo entre ambos niveles no permite contemplar la
opcin de salida de agua al exterior cuando los colectores entran en carga y,
consecuentemente, no considera el incremento de volumen de escorrenta en

Captulo 1: Introduccin y objetivos
3
superficie que, si supera ciertos niveles, podra provocar problemas de inundacin en
la poblacin.
La falta de estudios que incorporen estos conceptos, juntamente con el inters
creciente que presentan varios municipios de mejorar sus sistemas de drenaje urbano
que se encuentran obsoletos o son inexistentes, han sido los factores determinantes
para ir ms all en el estudio tradicional de una red de drenaje urbano y as poder
saber si mediante estudios ms detallados podemos predecir con ms exactitud el
comportamiento hidrolgico e hidrulico de una cuenca urbana.

1.4 Metodologa
Con el objetivo de modelar la cuenca urbana de La Riereta bajo el prisma del
drenaje dual, necesitamos partir de datos fiables que nos permitan describir la cuenca
con un alto nivel de detalle. Por este motivo, el primer paso y uno de los ms
importantes para obtener unos buenos resultados, es la obtencin de toda la
informacin necesaria para desarrollar la modelizacin con el software escogido (ver
Figura 1-1). En la Figura 1-1 se muestra el esquema de trabajo desarrollado en esta
tesina.

Figura 1-1.- Esquema de la metodologa seguida.
Se han realizado varias visitas de campo a la zona de estudio para recoger la
informacin necesaria que permitir reproducir con exactitud todas las caractersticas
que definen la cuenca y los elementos que determinarn el comportamiento de sta.
Por otro lado, para el proceso de calibracin y validacin del modelo, se ha hecho uso
Trabajodecampo
Elaboracindel
modelo
Calibraciny
validacindelmodelo
Comportamientocon
tormentasdeproyecto
ModeloDualvs
ModeloTradicional

4
de datos de eventos de lluvia registrados durante el periodo de tiempo comprendido
entre enero de 1995 y diciembre de 1998 y de los respectivos caudales registrados en
la salida de la cuenca para cada lluvia.
Una vez obtenida toda la informacin necesaria para describir la cuenca de
estudio, procederemos a la elaboracin del modelo utilizando el software EPA SWMM
5.0. Introducidos todos los valores y parmetros que describen la cuenca de La
Riereta, calibraremos y validaremos el modelo mediante los datos de los eventos de
lluvia y los caudales en la salida de la cuenca registrados previamente.
Una vez calibrado y validado el proyecto ya podemos proceder a la obtencin
de resultados mediante la simulacin del comportamiento de la cuenca cuando le
aplicamos tormentas de proyecto de periodo de retorno 2 aos, 5 aos y 10 aos. Nos
permitir ver dnde se presentan los problemas de inundacin para lluvias extremas.
Por ltimo, se elaborar un nuevo modelo de la cuenca siguiendo los principios
tradicionales de drenaje urbano y se realizar un estudio conjunto de los resultados
obtenidos para ambos modelos.

Captulo 2: La hidrologa en medio urbano
5
Captulo 2. LA HIDROLOGA EN MEDIO URBANO

2.1 Introduccin
La Hidrologa Urbana apareci como consecuencia de los importantes
problemas de inundacin que surgieron en mltiples poblaciones a mediados del siglo
XX. Las redes de alcantarillado existentes en ese momento haban sido construidas a
lo largo del siglo XIX tras conocer la relacin entre el desarrollo de enfermedades
endmicas y la ausencia de un correcto drenaje de las aguas residuales. Estas redes
de alcantarillado, que recogan tanto las aguas residuales urbanas como las aguas
pluviales, haban sido diseadas y proyectadas sin establecer previamente unos
criterios tcnicos rigurosos. La aparicin de la nueva problemtica, como
consecuencia de la combinacin de las deficiencias que presentaban las
infraestructuras y del gran aumento de la superficie impermeable de las zonas
urbanas, impuls la aplicacin de los conceptos clsicos de la Hidrulica e Hidrologa,
aplicados hasta el momento a cuencas naturales, al medio urbano.
El estudio del drenaje urbano requiere el anlisis detallado de tres fenmenos
de carcter hidrolgico-hidrulico: la caracterizacin de la lluvia, la transformacin de
la lluvia en escorrenta superficial con el fin de obtener los hidrogramas de entrada en
la red de drenaje (colectores) y la propagacin de estos hidrogramas por la red de
colectores (Gmez, et al., 1994).

6
El estudio hidrolgico de cuencas urbanas presenta varias particularidades
respecto el estudio de cuencas naturales. En primer lugar, la escala espacial de
estudio en las cuencas urbanas suele ser mucho ms pequea que la de un estudio
hidrolgico de cuencas naturales. La unidad de medida ser habitualmente la
hectrea, frente al kilmetro cuadrado que usamos generalmente en cuencas
naturales. Este trabajo a escala reducida hace que todos los dems elementos del
estudio queden afectados por un factor de escala. Por ejemplo, los caudales que nos
encontraremos pasarn de ser del orden de miles o cientos de metros cbicos por
segundo (para cuencas rurales) a ser del orden de pocos metros cbicos por segundo.
A pesar de todas estas diferencias, la caracterstica ms significativa y que nos
interesa resaltar es la reduccin de la escala de tiempo para todos los procesos
hidrolgicos. Los tiempos de concentracin pasan a medirse en minutos y por esta
razn la cuenca urbana ser ms sensible a efectos de lluvias muy intensas y de corta
duracin. Partiendo de esto, podemos deducir que es necesario conocer la
informacin de lluvia con un alto nivel de detalle, llegando a intervalos de tiempo de
pocos minutos.
Para hacerse una idea del impacto del proceso urbanizador sobre la respuesta
hidrolgica de una cuenca se adjunta la Figura 2-1. Las diferencias ms importantes a
destacar entre los hidrogramas que se muestran se resumen en:
- Un aumento del volumen total de escorrenta como consecuencia de la
reduccin de la infiltracin. Esto se debe a la elevada impermeabilidad de las
cuencas urbanas.
- El proceso de concentracin de caudal ocurre con mayor rapidez, pues se
alcanzan velocidades mucho ms elevadas debido al decremento de la
rugosidad de los cauces.
- Aumenta el caudal punta cmo consecuencia del aumento de la
impermeabilidad del terreno y el decremento de la rugosidad de los cauces.
- Se acorta el tiempo de concentracin (tiempo que tarda una gota desde el
punto ms alejado de la salida de la cuenca en alcanzar dicha salida)
consecuencia del aumento de velocidades.
- La calidad del agua de escorrenta se deteriora pues al circular por la superficie
arrastra todo tipo de elementos existentes en la ciudad.

7

Figura 2-1.- Influencia de la urbanizacin sobre la respuesta hidrolgica de una
cuenca.
Por ltimo, otro factor diferencial de las cuencas urbanas es la distincin entre
el rea impermeable que est directamente conectada a la red de drenaje y la que no
lo est. Es frecuente que en nuestras ciudades los drenajes de tejados y azoteas sean
realizados mediante bajantes conectados directamente a la red de drenaje. Esta
situacin reduce notablemente los tiempos de entrada en la red al no tener que
discurrir el agua en superficie y demuestra la estrecha relacin existente entre el rea
impermeable directamente conectada a la red y el caudal punta.

2.2 Caracterizacin de la lluvia
Las cuencas hidrolgicas de estudio se consideran un sistema dinmico donde
la informacin de entrada es la lluvia, que sufre una modificacin debida a las
caractersticas de la cuenca (proceso lluvia-escorrenta) para transformarse,
posteriormente, en una seal de salida: el caudal (Figura 2-2).

Figura 2-2.- Representacin del comportamiento hidrolgico de una cuenca.

Por lo tanto, siendo la informacin de entrada, los datos de lluvia son de alta
importancia y deberan proceder de medidas reales de eventos de lluvia registrados
sobre la cuenca objeto de estudio o, en su defecto, en zonas inmediatas. En estudios
como el que nos ocupa, cuyo objetivo es comprobar la situacin de una cuenca ante
lluvias extremas, obtenemos la informacin de estudios de sucesos de lluvias aislados.
Precipitacin
I(t)
CUENCA
Caudal Q(t)

8
2.2.1 Prdidas de precipitacin
Previamente a aplicar la transformacin lluvia-escorrenta se deben estimar las
prdidas de precipitacin para poder obtener la fraccin de lluvia cada que pasar a
ser escorrenta de superficie (lluvia neta).
En cuencas urbanas, debido a su escasa cubierta vegetal, las prdidas de
precipitacin son mucho ms pequeas que en cuencas naturales llegando, en
cuencas muy pequeas y de alto grado de impermeabilizacin, a ser despreciables.
De los cuatro procesos de prdidas existentes: evapotranspiracin, interceptacin,
almacenamiento en depresiones e infiltracin, los dos primeros se pueden desestimar
debido a la pobreza vegetal y a las escasas dimensiones de las cuencas. Solamente
pueden tener una cierta influencia la infiltracin, en funcin de la presencia de suelo
permeable, y las prdidas por almacenamiento en depresiones, charcos, puntos bajos,
etc.

2.3 Ecuaciones bsicas para el estudio del flujo unidimensional
en lmina libre en calles y colectores
Desde el punto de vista hidrulico, se consideran las calles como conductos de
flujo unidimensionales en lmina libre La longitud de las calles suele ser, como
mnimo, un orden de magnitud superior a su ancho, as pues, se puede aplicar la
teora hidrulica clsica para la resolucin del flujo en las mismas.
Por otro lado, una red de colectores est formada por un conjunto de conductos
interconectados entre s a travs de los pozos de registro. Estos conductos, en la
mayora de los casos, estn diseados para trabajar en lmina libre cuando por ellos
circula el caudal de proyecto.
Por lo tanto, para ambos casos, las ecuaciones bsicas que describen el flujo
en lmina libre son la ecuacin de continuidad y la ecuacin de conservacin de la
cantidad de movimiento, esta ltima derivada de la segunda ley de Newton. Estas
ecuaciones, conocidas como las Ecuaciones de Saint-Venant, se han deducido
considerando flujos unidimensionales, es decir, se considera que la velocidad slo
tiene componente en la direccin del eje del conducto.
Para definir las condiciones del flujo en la seccin transversal de un conducto
son suficientes dos variables, el calado y la velocidad o el calado y el caudal (producto
de la velocidad por el rea de la seccin transversal en el punto). Por lo tanto, se
precisan dos ecuaciones (Ecuaciones de Saint-Venant) para resolver cualquier
situacin de flujo. En ellas se hacen las siguientes suposiciones (Cunge, et al., 1980):
El flujo es gradualmente variable, es decir, la distribucin de la presin en la
direccin vertical es hidrosttica. Este concepto es vlido cuando las lneas de
corriente son aproximadamente rectilneas y paralelas, por lo que las

9
componentes verticales de la velocidad y la aceleracin del flujo son
despreciables.
La pendiente del conducto es pequea, de tal manera que los calados medidos
normales al fondo del conducto y los medidos de forma vertical son
aproximadamente iguales (cos 1 y sin tan , siendo el ngulo que
forma el fondo del conducto con la horizontal).
La velocidad del flujo en toda la seccin transversal del conducto es uniforme,
lo que implica que el coeficiente de Boussinesq, [, sea igual a 1. Adems, la
lmina de agua es horizontal a lo largo de la seccin transversal del conducto.
Las prdidas de energa en flujo no permanente se pueden simular con las
leyes de resistencia del flujo permanente, tales como las ecuaciones de
Manning o Chzy.

La ecuacin de la continuidad y la ecuacin de equilibrio dinmico para un
movimiento no permanente en lmina libre fueron desarrolladas por primera vez por
Adhmar J ean Claude Barr de Saint-Venant (1871) y son conocidas comnmente
como ecuaciones de Saint-Venant [2.1].
oq
ox
+
oy
ot
= u
oI
ot
+ I
oI
ox
+ g
oy
ox
- g(S
0
- S
]
) = u

Estas ecuaciones en derivadas parciales, no lineales y de tipo hiperblico,
carecen de solucin en forma analtica excepto en ciertos casos muy simples. Sin
embargo, existen mtodos numricos con los cuales pueden resolverse llegando a
soluciones aproximadas.
2.3.1 Aproximaciones a la solucin de las ecuaciones de Saint-Venant
Debido a las dificultades de resolucin numrica de las ecuaciones de Saint-
Venant, se han venido usando expresiones simplificadas de dichas ecuaciones. Los
mtodos aproximados ms habituales, en funcin de los trminos de la ecuacin de
equilibrio dinmico que se consideran, se muestran en la Figura 2-3:
[2.1]

10

Figura 2-3.- Aproximaciones simplificadas de las Ecuaciones de Saint-Venant.
Todas estas aproximaciones incluyen tambin la ecuacin de la continuidad. La
aproximacin tipo Onda Dinmica incluye todos los trminos de la ecuacin dinmica.
En la aproximacin de la Onda Dinmica cuasi-permanente se desprecia el trmino de
variacin local de la velocidad (oI ot ) y en la aproximacin de la Onda Difusiva se
desprecian los trminos inerciales (oI ot y oI ox ). Finalmente existe la aproximacin
de la Onda Cinemtica, en la que se desprecian los trminos inerciales y de presin
(oI ot; oI ox; goy ox ).
Hoy en da, con el nivel de velocidad de clculo de los ordenadores, carece de
sentido la utilizacin del modelo de Onda Difusiva o de la Onda Dinmica cuasi-
permanente, ya que tampoco tienen solucin analtica, e implementar mtodos
numricos para su resolucin resulta igual de complejo que implementarlos para la
solucin de la Onda Dinmica. Por lo tanto, consideraremos dos mtodos: la Onda
Dinmica y la Onda Cinemtica.
La diferencia principal entre ambos modelos es la no influencia, en el modelo
de Onda Cinemtica, de las condiciones de contorno aguas abajo. Por lo tanto, el
proceso de clculo para este modelo se realizar desde aguas arriba hacia aguas
abajo. Debido a las limitaciones por la imposibilidad de tener en cuenta las condiciones
aguas abajo, su empleo queda restringido a calles de elevada pendiente longitudinal,
mayores a 0.01 y que presentarn, probablemente, flujos supercrticos.

2.4 Sistemas de captacin
El objetivo principal de los sistemas de captacin es introducir los caudales de
escorrenta en la red de alcantarillado, en los puntos previstos, para que el agua no
circule descontroladamente por la superficie de la ciudad. Generalmente algunas

11
superficies de la ciudad estn conectadas directamente a la red de alcantarillado, pero
en el caso de aceras, viales, plazas u otros espacios abiertos cuya escorrenta
producida circular por la va pblica, necesitamos diferentes estructuras como
imbornales, rejillas continuas, etc. que constituyen el sistema de captacin y que
tienen la responsabilidad de recoger el caudal e introducirlo en la red de alcantarillado
(Figura 2-4).
Figura 2-4.- Ejemplos de elementos de captacin.
En muchos casos, el motivo de un mal funcionamiento de la red de
alcantarillado no viene dado por un mal diseo de sta, sino por un dficit de
elementos de captacin o una insuficiente eficiencia hidrulica de stos, que deriva en
niveles de servicio inaceptables en calles y viales urbanos. Un exceso de caudal por la
superficie puede llegar a ser peligroso para la seguridad de los peatones y la
circulacin de los vehculos. Por esta razn es importante elaborar detallados diseos
de sistemas de captacin para limitar los caudales, los calados y las velocidades
mximas que pueden alcanzarse en las calles en relacin a un episodio de lluvia.
La informacin de la que se dispone sobre el comportamiento hidrulico de las
estructuras de captacin es muy pobre, posiblemente debido a la falta de una
normativa especfica que se encargue de regular la capacidad hidrulica de estos
elementos.
Existen mltiples tipos de rejas, todas ellas con distintos niveles de captacin
de escorrenta que se caracterizan por sus dimensiones (ancho y largo), el rea de
huecos, la direccin de las barras, el nmero de barras y la forma de los huecos. La
capacidad hidrulica de una reja de captacin se mide a travs de su eficiencia E (o
rendimiento) que se define como:
E =

cupt
cuIIc

siendo:

cupt
: el caudal de escorrenta captado por la reja.
[2.2]

12

cuIIc
: el caudal de escorrenta que circula por la calle justo en el punto aguas
arriba de la reja.
Debido a la escasa informacin proporcionada por los fabricantes sobre el nivel
de eficiencia de cada una de ellas, en 1997 se empez, por encargo de la empresa de
gestin de alcantarillado de Barcelona (CLABSA, Clavegueram de Barcelona S.A.),
una campaa experimental en el Laboratorio de Hidrulica de la E.T.S. de Ingeniera
de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona (a cargo del grupo de investigacin
FLUMEN). El objetivo de estos ensayos era caracterizar hidrulicamente varias de las
rejas ms comunes en la ciudad de Barcelona, concretamente los modelos R-121,
IMPU, E-25, EBRO e Interceptora. En el 2002 se empezaron a obtener los primeros
resultados.
Para desarrollar el estudio experimental de las rejas se construy una
plataforma como la que se muestra en la Figura 2-5, de 5.5 m de largo por 4 m de
ancho, permitiendo una zona de ensayo til de 5.5 x 3 m
2
, reproduciendo as el ancho
de un vial urbano. La plataforma consta de tres puntos de apoyo, lo que permite
modificar las pendientes, alcanzndose un mximo del 14% de pendiente longitudinal
y un 4% de pendiente transversal. Los caudales mximos de circulacin por la
instalacin alcanzan los 200 l/s.

Figura 2-5.- Plataforma de ensayo para rejas e imbornales.
El objetivo principal de este ensayo era reproducir las condiciones del flujo en
una calle con los elementos geomtricos reales (pendientes longitudinales,
transversales, seccin de la cuneta) para poder medir el calado de aproximacin
y (calado que se alcanza junto al borde de la plataforma, justo aguas arriba del
imbornal) y el caudal captado
x
para una serie de valores de pendientes y caudales
de circulacin.
A la vista de los resultados obtenidos, se propuso una relacin de ajuste
potencial entre la eficiencia de captacin y la relacin y del tipo (Figura 2-6):
E
i
= A_
y
]
-B
[2.3]

13
siendo:
E
i
: la eficiencia de captacin de la reja ensayada.
A, B: los coeficientes caractersticos de la reja.
: el caudal circulante por los 3 metros de ancho de la plataforma (m
3
/s).
y: el calado del flujo inmediatamente aguas arriba de la reja (m).

Figura 2-6.- Representacin de los resultados obtenidos en un ensayo.

Los parmetros A y B, coeficientes caractersticos de las rejas, se determinaron
a partir de ensayos de laboratorio, o se pueden aproximar en funcin de las
caractersticas geomtricas de las rejas como sigue:

A =
u.S9
A
g
-0.35
p
-0.13
(n
t
+1)
0.01
(n
I
+1)
0.11
(n
d
+1)
0.03

B = u.S6
long
oncb

donde:
long es la longitud de la reja (cm).
oncb es el ancho de la reja (cm).
Ag es el rea mnima de la reja que engloba a todos los huecos.
p es el cociente en tanto por ciento entre el rea de huecos totales de la reja,
A
h
y el valor A
g
definido p = (A
h
A
g
) 1uu.
[2.4]

14
n
I
es el nmero de barras longitudinales de la reja.
n
t
es el nmero de barras transversales.
n
d
es el nmero de barras diagonales.
Las expresiones [2.4] que relacionan los parmetros A y B con las
caractersticas geomtricas de las rejas no son aplicables para cualquier reja,
solamente son vlidas para aquellas con dimensiones comprendidas en los siguientes
rangos (Tabla 2-1):
Tabla 2-1.- Rango de validez de las ecuaciones para estimar A, B.
Mnimo (cm) Mximo (cm)
Largo 63.0 97.5
Ancho 33.0 47.5

La funcin de ajuste [2.3], como se ha comentado anteriormente, tan slo
considera el caudal que circula por un ancho de 3 metros junto al bordillo (ancho de la
plataforma de estudio). Desde el 2002, partiendo de los primeros resultados, se ha
seguido investigando en el laboratorio de la UPC para generalizar los resultados para
calles con ancho de mitad de calzada distinto a 3 metros.
Asumiendo la hiptesis de distribucin uniforme de velocidades para cada
seccin de canal, se consigue extender la metodologa propuesta a cualquier calle
independientemente de su ancho (Gmez, et al., 2005). En estos casos, la funcin
potencial anterior se escribe:
E
i
= A_k

cuIIc
y
]
-B

donde k es un coeficiente que depende de la configuracin geomtrica de la calle, y el
producto k
cuIIc
es igual al caudal correspondiente a un ancho de calle de 3 m. A
continuacin, la Tabla 2-2 muestra un resumen de todas las expresiones para
determinar el coeficiente k para cualquier tipo de calzada.

[2.5]

15

Tabla 2-2.- Valores del coeficiente k de acuerdo al ancho de media calzada.
Ancho de la mitad de la calzada x = 3m
Para cada y k = 1
Ancho de la mitad de la calzada x < Sm
y x I
x
k = 1
x I
x
y S I
x

k =
1
1 - [1 -
x I
x
y

2

y S I
x
k =
1 - [1 -
S I
x
y

2
1 - [1 -
x I
x
y

2

Ancho de la mitad de la calzada x > Sm
y S I
x
k = 1
S I
x
y x I
x

k = 1 - _1 -
S I
x
y
]
2

y x I
x
k =
1 - [1 -
S I
x
y

2
1 - [1 -
x I
x
y

2

donde:
I
x
es la pendiente transversal de la calle (m/m).

Figura 2-7.- Seccin de media calzada que cumple la condicin (x > 3m, y x I
x
)

A partir de las ecuaciones para encontrar el valor de k que se agrupan en la
Tabla 2-2, el caudal captado (
cupt
) ser:
[2.6]

16
cupt
= E
i
= k
cuIIc
E
i
= k
cuIIc
A _k
cuIIc
y
_
-B

y la eficiencia de la rejilla E relativa al caudal total (
cuIIc
):
E =

cupt
cuIIc
= k A _k
cuIIc
y
_
-B

Por otro lado, durante estos ltimos aos, se ha seguido ensayando con otros
modelos de rejas (convencionales y no convencionales), mayoritariamente de
dimensiones ms reducidas en comparacin con las ensayadas hasta el momento o
de mayores dimensiones (macro-rejas). stas ltimas se caracterizan por tener
dimensiones de 50 cm de ancho y 100 cm de largo aproximadamente, un valor
elevado de rea de huecos y, generalmente, una muy buena eficiencia de captacin.
Las condiciones de los ensayos fueron las mismas que las expuestas
anteriormente, modificando nicamente el regulador de caudales por uno de mayor
precisin (1 l/s). Se ensayaron tres nuevos modelos de rejas convencionales, as como
dos modelos de macro-rejas. Considerando los resultados obtenidos en la primera
fase experimental (Gmez, et al., 1997) y los obtenidos en esta segunda fase, se
actualizaron las expresiones [2.4] quedando:
A =
1.988 A
g
0.403
p
0.190
(n
t
+1)
0.088
(n
I
+ 1)
0.012
(n
d
+ 1)
0.082

B = 1.S46
long
0.179
oncb
0.394

siendo:
long es la longitud de la reja (cm).
oncb es el ancho de la reja (cm).
Ag es el rea mnima que engloba a todos los huecos de la reja.
p es el cociente en tanto por ciento entre el rea de huecos totales de la reja,
A
h
y el valor A
g
definido p = (A
h
A
g
) 1uu.
n
I
es el nmero de barras longitudinales de la reja.
n
t
es el nmero de barras transversales.
n
d
es el nmero de barras diagonales.

El nuevo rango de aplicacin de las expresiones [2.8] obtenidas ser:
Tabla 2-3.- Rango de validez de las nuevas ecuaciones para obtener A, B.
Mnimo (cm) Mximo (cm)
Largo 59.0 100.0
Ancho 26.0 50.0
[2.7]
[2.8]

Captulo 3: El drenaje dual urbano
17
Captulo 3. EL DRENAJE DUAL URBANO

3.1 Introduccin al drenaje dual urbano
Hoy en da, la mayora de los estudios sobre redes de drenaje que se realizan
coinciden en considerar que todo el volumen de agua que cae en una misma
subcuenca se introduce en el sumidero ms cercano a ella, sin tener en cuenta si ste
es capaz de captar la totalidad del caudal desaguado en todo momento. Esta
suposicin es completamente irreal pues, como se ha comentado en los apartados
introductorios, todos los elementos de captacin tienen eficiencias distintas
caracterizadas a partir de sus propiedades y las caractersticas geomtricas de la
superficie donde se encuentran.
Por lo tanto, siguiendo estos principios, tendremos para cada reja o sumidero
una fraccin del volumen de escorrenta que se introducir en la red de alcantarillado y
el resto seguir su curso por la superficie, contribuyendo a la escorrenta superficial de
la subcuenca adyacente y, pudindose introducir a la red de drenaje a su paso por el
siguiente sumidero.
En general, se puede decir que un sistema de drenaje dual urbano est
formado por tres sistemas: un sistema superficial de transporte de escorrenta (sistema
mayor), un sistema soterrado de transporte del flujo pluvial (sistema menor) y un
sistema de captacin de la escorrenta superficial (Figura 3-1).

18
El sistema superficial est compuesto en la mayora de los casos por las calles,
las cuales son los elementos primarios de transporte de la escorrenta superficial. La
propagacin del flujo en stas se puede realizar utilizando una aproximacin
unidimensional (1D) o bidimensional (2D) del flujo no permanente en lmina libre. Si el
flujo en la calle permanece confinado por los bordillos, una aproximacin 1D parece
ser la mejor opcin, pues el coste computacional es mucho menor en relacin a una
aproximacin 2D (Leandro, et al., 2009).

Figura 3-1.- Esquema de un sistema de drenaje dual urbano.
Por otro lado, la red de colectores est compuesta por conductos cerrados y
pozos de registro. Es una prctica comn considerar la propagacin del flujo en
colectores como unidimensional no permanente en lmina libre. El funcionamiento en
lmina libre permite la conexin del colector con la superficie de la ciudad, lo que
facilita la incorporacin de caudales. En ciertas situaciones, si se presenta un caudal
superior en el colector al considerado en el proyecto, ste podra entrar en carga. En
estos casos, el flujo puede salir hacia la calle a travs de los pozos o de las rejas
produciendo inundacin superficial. Evidentemente, ello es tanto ms probable cuanto
menos profundo sea el colector.
El sistema de captacin superficial de la escorrenta est compuesto de las
rejas, sumideros e imbornales que existen en la superficie del medio urbano, cuyo
objetivo es captar la escorrenta superficial e introducirla en la red de colectores en los
puntos previstos para ello (Gmez, 2008). Cuando el colector entra en carga la
transmisin de flujo invierte su sentido permitiendo, al flujo que circula por la red, salir
hacia la calle. As, el sistema de captacin tiene un rol importante dentro de un sistema
de drenaje dual urbano pues es donde se producen las transferencias de flujo de
manera bidireccional. Estas transferencias de flujo se pueden modelar utilizando

Captulo 3: El drenaje dual urbano
19
ecuaciones tipo aliviadero u orificio, asegurando de esta forma una restriccin al flujo
entre la red superficial y la red de colectores en ambos sentidos.

Figura 3-2.- Flujo a travs de un sumidero: a) descarga libre hacia el colector, b)
descarga de flujo sumergido hacia el colector y c) descarga desde el colector hacia la
superficie.
Como se aprecia en la Figura 3-2, la direccin del flujo en los elementos de
captacin vendr condicionada por la relacin entre los niveles piezomtricos que se
tenga en la calle y en el colector en el punto donde se encuentra el imbornal o
sumidero. De esta manera, cuando el nivel de la lmina de agua en el colector est
por debajo del nivel de la calle, el nivel piezomtrico del colector no influye en la
eficiencia de captacin del sumidero, y el flujo va desde la calle hacia el colector en
descarga libre (Figura 3-2a). Si el nivel piezomtrico aumenta en el colector de tal
manera que ste se encuentre por encima del nivel de la calle, pero por debajo del
nivel de la lmina de agua del flujo en la calle, la reja sigue captando flujo hacia el
colector pero condicionada por el nivel piezomtrico del colector (Figura 3-2b). Por
ltimo, si en el punto donde se encuentra la reja de captacin el nivel piezomtrico del
colector est por encima del nivel de la lmina de agua en la calle, el flujo va desde el
colector hacia la superficie (Figura 3-2c).

3.2 Estudios previos considerando Drenaje Dual Urbano
A pesar de no estar muy extendido el uso de sistemas de drenaje dual para la
modelizacin de cuencas urbanas, encontramos algunos precedentes en los que nos
hemos basado a la hora de realizar nuestro estudio.
Uno de los primeros estudios considerando drenaje dual se realiz en
Kaiserslautern (Alemania) para intentar resolver la problemtica que se les presentaba
en la parte baja de una cuenca de la poblacin, donde se inundaban varias viviendas
durante eventos de lluvia intensos. El mtodo que usaron para modelar la cuenca fue
el RisUrSim (Schmitt, et al., 2004).

20
En 2005 se model, usando un sistema de drenaje dual, el Campus de la
Universidad de Palermo (Nasello, et al., 2005) siguiendo la metodologa DORA. El
mismo ao, se present tambin una modelacin de la cuenca de Motilal ki Chal en la
ciudad de Indore (India) mediante el mtodo SIPSON (Djordjevic, et al., 2005).
En los pases nrdicos, concretamente en algunas ciudades de Suecia, se han
diseado las redes de alcantarillado para periodos de retorno bajos, de 2 a 5 aos, y
se ha realizado un anlisis conjunto del comportamiento de la red enterrada y del flujo
en la calle, aceptando un sistema de drenaje dual. Ello supone adems la
incorporacin de la presencia del agua en el diseo de la ciudad en superficie,
previendo vas de circulacin y puntos de recogida de la misma. Estos estudios se
basan en considerar que parte del flujo circula por la red y parte del flujo circula por la
calle cuando la capacidad de desage de la red se supera. Esta idea no es fcilmente
aplicable a ciudades muy consolidadas y ms antiguas, como por ejemplo las
nuestras, pues en ellas en ocasiones nos encontramos con calles de perfil longitudinal
tal, que tenemos puntos bajos en los que se concentra caudal afluente de las calles
colindantes. Si este punto bajo no se drena mediante un conducto de la red enterrada,
podemos crear un problema local de inundacin grave.

Captulo 4: Descripcin de la Cuenca de la Riereta
21
Captulo 4. DESCRIPCIN DE LA CUENCA DE LA RIERETA

En este apartado se procede a la descripcin de las caractersticas ms
importantes de la cuenca objeto de estudio, as como del municipio donde se ubica.
En particular, se pretende describir en detalle la red de drenaje actual as como
otros detalles observados durante las visitas de campo realizadas a la zona. Han sido
necesarias un total de tres visitas a la zona de estudio durante la elaboracin de esta
tesina:
Tabla 4-1.- Registro de visitas.
VISITAS DA
1 visita 30/03/2010
2 visita 05/11/2010
3 visita 30/11/2010

4.1 Caractersticas generales de la cuenca de La Riereta
La cuenca de La Riereta, se ubica en el municipio de Sant Boi de Llobregat
(Baix Llobregat) en el rea metropolitana de Barcelona (Catalunya) y en el delta del ro
Llobregat, a una distancia de poco ms de 4 Km. del mar (Figura 4-1). Su trama
urbana puede ser considerada como representativa de otras poblaciones de su

22
entorno. Se caracteriza por presentar pendientes medias-altas en su parte superior y
un terreno ms llano cerca de la zona de la desembocadura del ro Llobregat.
Figura 4-1.- Mapa de situacin de Sant Boi de Llobregat.

La cuenca experimental presenta un rea de 16.87 Ha, abarcando el casco
antiguo de la poblacin de Sant Boi de Llobregat, con ausencia casi total de zonas
verdes y una elevada impermeabilidad en superficie. A continuacin se adjunta una
ortofoto donde se aprecian los lmites de la cuenca de La Riereta (Figura 4-2). Los
lmites de la cuenca representados se han determinado en base a la topografa
superficial, a la disposicin de la red de alcantarillado y al punto de drenaje de los
tejados.La delimitacin de las superficies de aportacin de escorrenta a la red se
realizar ms adelante en el apartado de discretizacin en subcuencas.

23

Figura 4-2.- Delimitacin de la cuenca de la Riereta.

4.2 Descripcin de la red de calles
La trama urbana de una ciudad viene definida por sus calles. Con el objetivo de
caracterizar los tramos de calles que forman parte del rea de estudio nos fijamos en
la seccin de las calles as como en sus pendientes, tanto longitudinales como
transversales.
4.2.1 Seccin transversal
Las secciones transversales de las calles pueden ser de una infinidad de
formas diferentes, pero generalmente estn compuestas por los siguientes elementos:
la lnea de edificacin, la acera, el bordillo y la calzada, con una disposicin simtrica
de estos elementos con respecto al eje de la calzada (Figura 4-3). En algunos casos
se puede prescindir de algn elemento de la seccin tipo.

24

Figura 4-3.- Seccin transversal tpica de una calle de la cuenca de La Riereta.
Durante los trabajos de campo se han reconocido dos tipos de seccin de calle.
La mayora de las calles de la cuenca de La Riereta presentan una seccin transversal
como la representada en la Figura 4-3. Por otro lado, encontramos algunas calles que
se caracterizan por presentar una seccin invertida, es decir, existe una pendiente del
2% hacia el eje longitudinal de la calle. Por ltimo, destacar que en calles peatonales
como la C/ de Ponent y la C/ de la Palla no existe el escaln entre la acera y la
calzada, es decir, a lo largo de todo el ancho de calle se mantiene el mismo nivel.
La acera suele estar elevada con respecto a la calzada una altura variable que,
en la mayora de las calles, es de 10 a 20 cm. Para nuestro modelo, consideraremos
que la altura de todos los bordillos existentes es de 15 cm.
4.2.2 Pendiente longitudinal
La pendiente longitudinal es la que se refiere al eje longitudinal de la calle.
Normalmente, la pendiente es constante o vara muy poco en el tramo de calles
delimitado por dos cruces adyacentes, por lo que podemos definir estas pendientes
medias en funcin de las cotas de los cruces que delimitan el tramo y la longitud del
mismo. En la Tabla 4-2 se muestran las pendientes medias de las calles incorporadas
en el modelo.
La cuenca de La Riereta presenta tramos de calles con pendientes
longitudinales medias comprendidas entre el 1% y el 8% segn si los tramos se
encuentran en la parte baja o en la parte alta de la cuenca, respectivamente.

25
Tabla 4-2.- Caractersticas geomtricas de las calles.
Calle
Cota
mxima
Cota
mnima
Longitud
(m)
Pendiente
media
de la Rutlla 15.432 14.758 46.33 0.01
Llus Castells 16.748 15.432 41.21 0.03
de les Eres 21.22 18.596 39.91 0.07
de Ponent 23.007 21.22 29.53 0.06
de la Palla 22.706 19.223 57.1 0.06
Jaume I 19.459 15.432 163.67 0.02
Victor Balaguer 25.679 25.144 60.47 0.01
Baldiri Comas
Tramo I 28.536 23.225 113.99 0.05
Tramo II 25.144 23.225 94.6 0.02
Canonge Jaume Collell 24.924 19.459 105.48 0.05
Llus Pacual Roca 27.413 25.178 136.39 0.02
Pare Pere de Piera 34.955 26.174 205.28 0.04
Torre Figueres 33.888 25.201 221.4 0.04
Mossn Cinto Verdaguer 32.007 27.593 145.66 0.03
Amadeu Vives 34.79 29.971 150.83 0.03
Pintor Fortuny
Tramo I 27.25 26.427 115.26 0.01
Tramo II 39.931 26.427 204.38 0.07
Francesc Maci 26.843 24.777 193.43 0.01
Cerdenya 34.155 25.68 241.24 0.04
Salvat Papasseit
Tramo I 38.566 32.496 136.37 0.04
Tramo II 32.496 30 101.22 0.02
Viuda Vives 38.342 28.266 174.53 0.06
Sant Joan Bosco 37.508 34.155 60.52 0.06
Mallorca 28.266 25.243 158.36 0.02
Pompeu Fabra 25.384 19.459 122.9 0.05
St 6 18.643 17.204 95.98 0.01

4.2.3 Pendiente transversal
La funcin principal de la pendiente transversal de la calzada y de las aceras es
permitir el escurrimiento del agua de lluvia hacia los sumideros o puntos de entrada de
la escorrenta a la red de drenaje, con el objetivo de mantener seca la zona de
circulacin de vehculos o, en su caso, de peatones.
Hemos considerado que la pendiente debido al bombeo transversal de la
calzada es, para todos los casos, de un 2% y hemos fijado una pendiente transversal
del 1% para todas las aceras de la cuenca.

26
En el caso de las calles que presentan una seccin invertida (calles
peatonales) tambin se ha considerado una pendiente transversal del 2% que
favorece la entrada de agua en los puntos de captacin situados en el eje de simetra
de la calzada.

4.3 Descripcin de la red de alcantarillado
La red de alcantarillado de La Riereta es de tipo unitaria y con una estructura
mallada. Hidrulicamente en las redes malladas, a diferencia de las arborescentes, el
agua no tiene un camino nico para ir por la red de un punto A hasta otro punto B
(Figura 4-4).

Figura 4-4.- Representacin esquemtica de: a) una red arborescente y b)una red
mallada.
La red est constituida, en su mayora, por conductos de seccin circular con
dimetros variables y todos estos son de hormign.
El colector principal dentro de la cuenca tiene una longitud total de 869 m y lo
podemos dividir en 4 tramos. El primero est comprendido entre la calle Cerdenya y la
calle Francesc Maci. Su longitud total es de 365 m con una pendiente media del
2.7%. La seccin transversal que presenta es circular con distintos dimetros
comprendidos entre 300 y 600 mm. El segundo tramo aguas abajo discurre por la calle
J aume I y su longitud y pendiente media son de 350 m y 2.8% respectivamente. Su
seccin transversal es circular de 1500 mm de dimetro a excepcin de los ltimos
50m que es de 1200 mm. El tercer tramo a distinguir discurre por la calle de la Rutlla
con una longitud y pendiente media de 100 m y 1.3% respectivamente. Su seccin
transversal es circular de 1500 mm de dimetro. El cuarto y ltimo tramo que finaliza
en el punto de medida de la cuenca situado en la calle J oan Bardina tiene una longitud
estimada de 54 m y una pendiente media del 0.65%, con un colector circular de
dimetro 1200 mm. En la Tabla 4-3 se resumen los datos mencionados:

a) b)

27
Tabla 4-3.- Caractersticas del colector principal.

Longitud
(m)
Pendiente
media
Seccin
Tramo 1 365 2.7%
Circular con dimetros
entre 300 y 600 mm.
Tramo 2 350 2.8%
de 1200 o 1500 mm.
Tramo 3 100 1.3%
Circular con dimetro de
1500 mm.
Tramo 4 54 0.65%
Circular con dimetro de
1200 mm.
TOTAL 869 2.45%
entre 300 y 1500 mm.

Cabe destacar el hecho de que la superficie de la cuenca presenta una elevada
pendiente transversal al colector que discurre por los puntos bajos de la cuenca y es
donde se ha situado el medidor de caudal de la salida de la cuenca.
Durante las visitas de campo, se observa que el drenaje de los tejados, en
muchas ocasiones, no est conectado directamente a la red de alcantarillado sino que
vierte directamente a la calle a travs de canelones de desage (Figura 4-5). Esto se
debe a que la cuenca de estudio se ubica en medio del casco antiguo del municipio de
Sant Boi de Llobregat donde encontramos, mayoritariamente, construcciones antiguas.
Adems, se distingue entre construcciones con tejado tipo galera y otras con
tejados que vierten a dos aguas. Este hecho tambin se tendr en consideracin a la
hora de realizar la discretizacin de las subcuencas que representan a los tejados.

28
Figura 4-5.- Bajantes de dos viviendas de la zona.
4.3.1 Elementos de captacin
Repartidos por todas las calles que conforman la cuenca de La Riereta
encontramos un gran nmero de elementos de captacin. Mayoritariamente se trata de
diferentes modelos de rejas convencionales pero, en puntos conflictivos de la zona con
valores altos de escorrenta, tambin podemos encontrar macro-rejas que garantizan
una rpida evacuacin de la escorrenta superficial debido al elevado valor de rea de
huecos que presentan.
Uno de los objetivos principales de las visitas de campo ha sido observar el
estado actual de las rejas existentes, determinar sus ubicaciones en la cuenca as
como obtener la informacin necesaria para clasificarlas y caracterizarlas.
Dentro de la zona de estudio encontramos 10 modelos de rejas convencionales
distintos (Figura 4-6) y 3 modelos de macro-rejas (Figura 4-9). El procedimiento que
seguiremos para caracterizarlas no ser el mismo para ambos casos.

29
REJA A REJA F

E-25 BARCINO

IMPU DELTA 50

MERIDIANA REJA I

R-121 EBRO

Figura 4-6.- Modelos de rejas convencionales

30
Para poder caracterizarlas y conocer las eficiencias de captacin de las rejas
convencionales debemos partir de algunas de sus caractersticas fsicas: su longitud
(I), ancho (w), rea total (A), rea de huecos (A
h
), nmero de barras transversales
(n
t
), longitudinales (n
I
) y diagonales (n
d
).
De los 10 tipos de reja que debemos incorporar en nuestro modelo, 7 de ellos
ya han sido caracterizados en estudios previos por el Laboratorio de Hidrulica de la
E.T.S. de Ingeniera de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona (FLUMEN). Sus
caractersticas geomtricas y parmetros caractersticos se agrupan en la Tabla 4-4.
Tabla 4-4.- Parmetros caractersticos de las rejas convencionales.
Modelo L (cm)
W
(cm)
A
(cm
2
)
A
h

(cm
2
)
n
|
n
t
n
d
Coef. Caract.
A B
REJA A 71.25 27.5 1959 714 0 16 0 0.32 0.93
REJA F 46.5 25 1163 370 3 1 0 0.36 0.67
E-25 63 33 2079 873 1 0 12 0.39 0.77
BARCINO 74.5 26 1937 852 1 0 11 0.36 0.85
IMPU 78 34.1 2660 693 1 17 0 0.4 0.82
DELTA 50 75 30 2250 1236 4 0 12 0.38 0.75
MERIDIANA 80 30 2400 736 0 15 0 0.35 0.85
REJA I 44 28 1232 378 0 8 0 0.34 0.57
R-121 78 36.4 2839 1214 5 1 0 0.47 0.77
EBRO 77 34.5 2657 1050 2 13 0 0.44 0.81

Para obtener los coeficientes caractersticos de las rejas que no han sido
ensayadas previamente (REJ A A, REJ A F y REJ A I) nos fijamos en sus caractersticas
geomtricas. Segn sus dimensiones, la REJ A A sera la nica que podramos
caracterizar mediante las ecuaciones que aproximan A y B, pues la longitud de la
REJ A F y de la REJ A I no entra dentro del rango de validez de estas ecuaciones.
Recordamos que las ecuaciones de aproximacin de los parmetros A y B obtenidas
de forma experimental son:
A =
1.988 A
g
0.403
p
0.190
(n
t
+1)
0.088
(n
I
+ 1)
0.012
(n
d
+ 1)
0.082

B = 1.S46
long
0.179
oncb
0.394

vlidas para rejas de longitud entre 59 y 100 cm y ancho entre 26 y 50 cm.
Debido a la imposibilidad de caracterizar las rejas mediante la elaboracin de
nuevos ensayos de laboratorio, nos vemos forzados a extender la validez de estas
ecuaciones para todas las rejas existentes en el rea de estudio. Consideramos que
[4.1]

31
pese a no encontrarse dentro de los rangos de validez establecidos, los valores que
obtenemos de eficiencia para estas rejas son coherentes.
Los valores obtenidos para los parmetros A y B de estas rejas tambin se
resumen en la Tabla 4-4.
Una vez conocidos los coeficientes caractersticos de cada modelo de reja
podemos conocer la curva de eficiencia de captacin de estas para cada pendiente de
calle. Por ejemplo para una reja modelo E-25 (Figura 4-7) situada en una calle con una
pendiente longitudinal del 1%, segn el caudal circulante por la calle justo aguas arriba
de la reja, obtenemos los valores de eficiencia siguientes:

Figura 4-7.- Fotografa de una reja modelo E-25 situada en C/ Vctor Balaguer.

Tabla 4-5.- Eficiencia de captacin de una reja modelo E-25 situada en una calle con
pendiente longitudinal del 1%
Caudal entrante
(m
3
/s)
Caudal captado
(m
3
/s)
Eficiencia y (m)
0.01 0.010 1.000 0.034
0.02 0.015 0.742 0.046
0.03 0.019 0.621 0.055
0.05 0.027 0.543 0.068
0.075 0.034 0.450 0.081
0.1 0.039 0.391 0.092
0.3 0.067 0.223 0.147
0.6 0.092 0.153 0.198
0.9 0.111 0.123 0.236
1 0.116 0.116 0.247

32

Figura 4-8.- Curva de eficiencia de una reja modelo E-25 situada en una calle con
pendiente longitudinal del 1%.

Por otro lado, se han encontrado tres tipos de rejas continuas. Las rejas
continuas se caracterizan, a diferencia de las convencionales que se encuentran
situadas en las cunetas de las calles, por ocupar todo el ancho de la calle. En general
son una tipologa de rejas que presentan unas altas eficiencias de captacin debido a
la elevada rea de huecos que presentan. Los tres tipos de rejas continuas presentes
en el rea de estudio se representan en la Figura 4-9.

0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
0.292 0.433 0.546 0.732 0.922 1.087 2.037 3.027 3.816 4.053
E
f
i
c
i
e
n
c
i
a
Q/y

33
MACRO 1
MACRO 2
MACRO 3
Figura 4-9.- Modelos de MACRO-REJAS.

34
No existen estudios previos de los tres tipos de macro-rejas que se han
encontrado en la zona de estudio, por lo tanto, se ha tomado medidas in situ durante
las visitas de campo para poder caracterizarlas (Tabla 4-6). Los coeficientes
caractersticos correspondientes a cada una de ellas han sido proporcionados por el
Departamento de Hidrulica de la Escuela de Caminos, Canales y Puertos de
Barcelona.
Tabla 4-6.- Parmetros caractersticos de las macro-rejas.
Modelo (cm)

(cm)

(cm
2
)

(cm
2
)
Coef. Caract.

MACRO 1 392 98.5 38612 12544 0.77 0.41
MACRO 2 394 49 19306 6272 0.6 0.52
MACRO 3 231 38.5 8893.5 3456 0.66 0.47

El fenmeno de la colmatacin es de gran importancia a la hora de estudiar el
comportamiento del sistema de drenaje de aguas pluviales de una cuenca urbana
pues la obturacin de parte de los elementos de captacin puede suponer que un
sistema correctamente dimensionado para captar las aguas de la zona no logre
alcanzar su objetivo, impidiendo introducir el agua que se encuentra en superficie a los
colectores. En muchos casos donde encontramos este fenmeno pueden aparecer
problemas de inundaciones. Por este motivo es de gran importancia un correcto
mantenimiento y limpieza de todos estos elementos. Durante las visitas de campo nos
fijamos en el estado de mantenimiento de las rejas y comprobamos que, a excepcin
de una de ellas, todas se encuentran en buen estado.
Figura 4-10.- Ejemplo de rejas colmatadas.

Captulo 5: EPA SWMM 5.0
35
Captulo 5. EPA SWMM 5.0

5.1 Introduccin al EPA SWMM 5.0.
El Stormwater Management Model (modelo de gestin de aguas pluviales) fue
desarrollado por la Agencia de Proteccin del Medioambiente de los Estados Unidos
en 1971. Hoy en da, es uno de los software de clculo de drenaje urbano ms
extendido. Una de las claves de la popularidad de este software es que es de dominio
pblico y, por lo tanto, gratuito.
Es un modelo dinmico de simulacin de precipitaciones que permite
reproducir el comportamiento hidrolgico e hidrulico de un sistema de drenaje
urbano, tanto en trminos de la escorrenta como en trminos de calidad de la misma.
La edicin actual, que corresponde a la 5 versin del programa, se caracteriza por su
interfaz grfica tipo Windows y la incorporacin de diversos objetos que permiten al
usuario realizar las simulaciones numricas del sistema de drenaje estudiado.
La componente hidrolgica de EPA SWMM 5.0 utiliza un modelo agregado de
depsito no lineal para calcular los hidrogramas de escorrenta superficial que se
generan en la cuenca urbana debido a la precipitacin. Este modelo de depsito no
lineal considera tambin los procesos de infiltracin, evaporacin y almacenamiento en
superficie, y es aplicable tanto a zonas impermeables como permeables de la cuenca
de estudio.

36
Dependiendo del nivel de conocimiento de la cuenca y del objetivo del modelo
a desarrollar, el usuario debe dividir la cuenca de estudio en subcuencas, modeladas
utilizando objetos denominados subcatchments, cada una de las cuales genera su
propia escorrenta que acaba introducindose en la red en un determinado punto o
nodo de de la red de drenaje.
Los clculos de la escorrenta estn basados en un modelo de depsito
modificado con la Onda Cinemtica (Depsito No Lineal). El modelo divide cada
subcuenca, en funcin de los parmetros introducidos, en una zona impermeable sin
retencin superficial, otra impermeable con retencin y una ltima zona permeable con
retencin superficial. La escorrenta es generada aproximando el funcionamiento de
cada una de estas zonas a un depsito no lineal como el representado por la Figura
5-1.

Figura 5-1.- Esquema de del modelo de Depsito No Lineal de SWMM 5.
El caudal de salida de cada subcuenca responde a la siguiente ecuacin:
=
w
n
(J - J
p
)
5
3
,
S
1
2
,

donde,
: caudal de salida de la subcuenca.
w: ancho de la subcuenca.
n: coeficiente de rugosidad de Manning.
J: profundidad del agua.
J
p
: profundidad de retencin superficial.
S: pendiente media de la subcuenca.
La ecuacin del depsito no lineal se establece resolviendo el sistema de
ecuaciones que constituyen la ecuacin de continuidad y la ecuacin de Manning. La
ecuacin de cada subcuenca queda:
[5.1]
[5.2]

37
JI
Jt
= A
JJ
Jt
= A i -
siendo:
I: volumen de agua en la subcuenca (I = A J).
J: profundidad del agua o calado.
t: tiempo.
A: superficie de la subcuenca.
i: lluvia neta (lluvia total menos las prdidas por infiltracin y evaporacin).
: caudal de salida de la subcuenca segn la ecuacin [5.1].
Combinando las ecuaciones [5.1] y [5.2] se obtiene la ecuacin diferencial, no
lineal, para obtener el calado:
Jp
Jt
= i -
w
A n
(J - J
p
)
5
3
,
S
1
2
,

Esta ecuacin se resuelve mediante un esquema en diferencias finitas de
Newton-Raphson, para cada incremento de tiempo. Por este motivo, es conveniente
evitar trabajar con subcuencas con reas muy pequeas e incrementos de tiempo
largos, pues pueden provocar problemas de convergencia del esquema.
Los datos de entrada (inputs) requeridos para el clculo de la escorrenta
superficial son:
1. Datos de lluvia.
2. Caractersticas de las subcuencas:
a. Asignacin de un hietograma (evento de lluvia) a cada subcuenca.
b. Nombre de identificacin de la subcuenca.
c. Identificacin del lugar donde drena la subcuenca. Punto de entrada
a la red.
d. Ancho de la subcuenca.
e. rea en planta de la subcuenca.
f. Pendiente media de la subcuenca.
g. Coeficiente de rugosidad de Manning de las zonas permeables e
impermeables.
h. Volumen, por unidad de rea, de almacenamiento o retencin de la
zona permeable e impermeable.
i. Parmetros de infiltracin. Variarn segn el modelo de infiltracin
escogido.
3. Otros parmetros. Permite ajustar el intervalo de tiempo de la discretizacin
numrica, as como la duracin total de la simulacin y el sistema de
unidades, entre otros.
En trminos hidrulicos, EPA SWMM 5.0 puede propagar los caudales que
ingresan en la red de drenaje mediante la resolucin de las ecuaciones del flujo en
[5.3]

38
lmina libre no permanente unidimensional (ecuaciones de Saint-Venant), utilizando
un esquema numrico de diferencias finitas de tipo explcito. Este esquema numrico
es aplicado partiendo de la representacin nodo-conector de una red de drenaje, tal y
como se muestra en la Figura 5-2.
En cada elemento de conducto (Conduit), SWMM 5 calcula el caudal en cada
instante de tiempo de la simulacin, resolviendo las ecuaciones de Saint-Venant [5.4].
oA
ot
+
o
ox
= u
o
ot
+
o _
2
A
,
_
ox
+ g A
oE
ox
+ g A S
]
= u
Por otro lado, para cada elemento nodo (Junction), el programa determina el
nivel de la lmina de agua E en cada paso de tiempo de clculo, aplicando la ecuacin
[5.5]:
oE
ot
=

A
s

siendo el flujo neto hacia el nodo (flujos de entrada menos flujos de salida) y A
s
el
rea del nodo (como se observa en la Figura 5-2, el rea incluye el nodo propiamente
dicho y el rea superficial correspondiente a la mitad de la longitud de los conductos
que confluyen en ese nodo).
Las Junctions representan los nodos de la red de drenaje que se va a modelar
y a las uniones de los conductos. Corresponden, en la realidad, a los pozos de registro
de la red de alcantarillado y a los puntos de entrada de agua desde la superficie a la
red de alcantarillado (sumideros).

Figura 5-2.- Representacin nodo-conector de un sistema de drenaje urbano en EPA-
SWMM 5.0.
[5.4]
[5.5]

39
Las ecuaciones planteadas se resuelven de manera secuencial, mediante el
mtodo de Euler modificado, para determinar el flujo en cada conducto y el calado en
cada nodo para cada intervalo de tiempo. Este esquema de resolucin, de tipo
explcito, puede provocar problemas de inestabilidad numrica si los incrementos de
tiempo de clculo utilizados no son suficientemente pequeos.
Las condiciones que se deben cumplir para que el esquema sea estable
numricamente son:
1. Condicin de Courant, donde se limita el incremento de tiempo de clculo al
tiempo necesario por una onda dinmica para propagarse a lo largo de la
longitud del conducto. Algebraicamente:
t
I
g

donde,
t: incremento de tiempo.
I: longitud del conducto.
: calado mximo del conducto.
g: gravedad.

2- Condicin sobre los nodos:
t u.1 A
s
E
mux

donde,
A
s
: rea del nodo.
E
mux
: Elevacin mxima del agua en t.
: Flujo neto de entrada al nodo.

Por lo tanto, las ecuaciones [5.6] y [5.7] presentarn un carcter ms restrictivo
en los conductos ms cortos y con mayores entradas de caudal. Destacar que
incrementos de tiempo de pocos segundos (1-10 seg) son comunes en la prctica
cuando usamos SWMM 5.0.
Otra situacin en la que SWMM 5.0 puede presentar problemas se da cuando
el caudal circulante es nulo o prcticamente nulo. Tambin pueden aparecer
[5.6]
[5.7]

40
problemas si la simulacin se alarga demasiado en el tiempo una vez ha salido de la
cuenca toda la escorrenta. Cuando entremos en detalle en el estudio que nos ocupa
veremos, ms ampliamente, cules son estos problemas y cuando se nos presentan.
Por ltimo, dentro del apartado de restricciones, mencionar que para la
resolucin de las ecuaciones de Saint-Venant se necesita una condicin de contorno
aguas abajo. Esta condicin se impondr al nodo que acte como salida de la cuenca
(Outfall) y se restringe el nmero de conductos que pueden llegar a ese nodo a un
nico conducto.
Dentro de sus aplicaciones, EPA SWMM 5.0 nos permite modelar redes de
conductos cerrados y de seccin abierta, donde se tengan flujos en lmina libre o
donde se produzca la entrada en carga en los conductos cerrados, adems de simular
la condicin de salida de flujo hacia la superficie a travs de los nodos del sistema
(Flooding). Tambin es posible modelar elementos especiales de una red de drenaje
tales como vertederos, orificios y bombas, utilizando los objetos reguladores de flujo
que incorpora EPA SWMM 5.0: Weirs, Orifices y Pumps, respectivamente. La nueva
versin incorpora un nuevo tipo de objeto regulador llamado Outlet. ste representa
una funcin de transferencia de caudal que depende del calado aguas arriba o de la
diferencia de carga entre los extremos aguas arriba y aguas debajo de este objeto.
Todos los objetos reguladores consideran la opcin de activar una Flap Gate, que es
una especie de vlvula de clapeta, cuya funcin es impedir la inversin del flujo en
dicho elemento.
Al igual que otros programas de clculo utilizados en el anlisis de cuencas
urbanas, EPA SWMM 5.0 puede considera la situacin de inundacin superficial
(Flooding) de dos maneras diferentes: asumiendo que el flujo que se escapa por los
nodos se pierde del esquema de red y no vuelve a incorporarse a ste, o asumiendo
que el flujo que sale a travs de los nodos se almacena temporalmente sobre stos
dentro de un volumen virtual, hasta cuando vuelvan a tener capacidad suficiente los
conductos adyacentes a estos nodos, situacin en la cual estos volmenes
almacenados vuelven a introducirse en la red. Esta ltima opcin de modelizacin de
la inundacin en superficie, caracterizada por el almacenamiento temporal, se conoce
como Surface Ponding y ocurrir siempre que la cota de la lmina de agua en un nodo
sea mayor que la cota de superficie definida en el mismo, estando activa la opcin de
Surface Ponding en EPA SWMM 5.0.
Los datos de entrada (inputs) requeridos por la componente hidrulica de
SWMM 5 son:
1. Hidrogramas de entrada en los nodos, provenientes del clculo hidrolgico
o impuestos por el usuario.
2. Duracin de los incrementos de tiempo.
a. Incremento de tiempo para el clculo hidrulico (teniendo la
precaucin de cumplir las condiciones de estabilidad numrica).

41
b. Duracin total de la simulacin. Aunque SWMM no presente
limitaciones en los pasos de clculo, hay que controlar la aparicin
de errores para simulaciones muy largas una vez terminado el
suceso de lluvia.
3. Caractersticas de los Conduits (tramos de calle que actan como canales y
colectores propiamente). La informacin que el programa requiere:
a. Nombre de identificacin del Conduit.
b. Identificacin de los nodos que une el conducto.
c. Flujo inicial circulante por el conducto.
d. Tipologa del conducto y sus dimensiones.
e. Longitud del conducto.
f. Elevacin de los extremos del conducto sobre la solera del nodo
siempre que sta sea distinta a cero.
g. Coeficiente de rugosidad de Manning del conducto.
4. Caractersticas de las Junctions. La informacin requerida por el programa
es:
a. Nombre de identificacin.
b. Cota de solera del nodo.
c. Cota de la calle en este mismo punto que condicionar la salida de
agua del sistema, en el caso de Junctions que representan a los
pozos de registro de la red de alcantarillado.
d. Caudal de entrada en el nodo y calado inicial, independientes de la
lluvia simulada.
5. Elementos reguladores (Orifices, Weirs, Outlets). Los parmetros a
introducir variarn segn el elemento regulador escogido en cada caso.
6. Condicin de contorno aguas abajo.

5.2 Modelizacin del drenaje dual urbano con EPA SWMM 5.0
Es posible realizar una aproximacin a la modelizacin del drenaje dual
utilizando EPA SWMM 5.0 considerando dos grandes redes que discurren a distinto
nivel y los elementos que permiten conectarlas. Estamos haciendo referencia a las
calles, los colectores y los elementos que conectan ambas redes (sistemas de
captacin y pozos de registro).
Las calles son representadas como una red de conductos de seccin abierta,
cuya seccin puede estar definida por todo el ancho de la calle o por la seccin de la
cuneta. Las cunetas suelen encontrarse en ambos lados de la calle (puede variar su
posicin dependiendo de la pendiente transversal de la calle) y en stas se encuentran
las rejas de captacin, las cuales suelen ir conectadas al mismo eje colector.
Basndonos en esta localizacin de las rejas son necesarios dos canales paralelos
conectados al colector para modelar la calle (vase Figura 5-3). Los nodos
correspondientes a la calle se deben situar en puntos donde existan cambios en la
pendiente longitudinal, cambios en la geometra transversal de las cunetas y donde se

42
tengan estructuras de captacin de la escorrenta. Cada par de nodos situados de
forma consecutiva en uno de los canales de la red superficial definir la longitud de
cada objeto de conducto.
La red de alcantarillado es modelada con objetos tipo conductos cerrados y
nodos. Los nodos de esta red deben estar situados donde existan cambios de
pendiente longitudinal del colector, cambios en la seccin transversal de ste,
incorporaciones de las estructuras de captacin y donde existan pozos de registro.
Estos nodos deben considerarse con una altura mxima (Maximum Depth en EPA
SWMM 5.0) suficiente de tal forma que no se pierda flujo a travs de stos cuando los
conductos entran en carga.

Figura 5-3.- Vista transversal de la calle y del colector
Respecto a la aportacin de escorrenta superficial, las subcuencas aportantes
son pequeas, llegando a considerar porciones de aceras y medias calzadas, pues el
nivel de escala requerido para realizar una modelacin del drenaje dual exige un alto
nivel de detalle. Los tejados de las viviendas tambin se entienden como subcuencas
y se debe diferenciar las que estarn directamente conectadas a la red de
alcantarillado de las que drenarn a la subcuenca que representa la porcin de acera
adyacente, contribuyendo en la escorrenta superficial de sta.
A continuacin se especifica las herramientas del SWMM 5.0 que podemos
usar para la modelizacin de las rejas de captacin y de los pozos de registro en un
esquema de drenaje dual.
5.2.1 Pozos de registro
Los pozos de registro, en general en nuestro pas no son puntos de entrada de
agua a la red de alcantarillado, pudiendo actuar como puntos de salida de caudal en
momentos en que el nivel piezomtrico del colector est muy por encima de la cota de
calle en ese punto.

43
El flujo que sale a la calle a travs de los pozos de registro se puede
representar mediante objetos reguladores tipo orificio o vertedero. Ambos objetos
reguladores requieren de un nodo en cada extremo y de un coeficiente de descarga.
En el caso de utilizar un orificio, consideraramos la forma de ste rectangular y
asignaramos una altura del orificio igual al espesor de la tapa del pozo de registro y
un ancho igual al permetro de dicha tapa. Si la opcin escogida es un vertedero, la
longitud de vertido se considerara igual al permetro superficial del pozo.
Independientemente del tipo de objeto debemos orientar ste desde el nodo del
colector (nodo aguas arriba del objeto) hacia el nodo que se encuentra en superficie
(nodo aguas abajo del objeto) y activar la opcin del Flap Gate; de esta manera
tendremos en cuenta que el flujo a travs del pozo de registro puede nicamente ir
desde el nodo del colector hacia los nodos de la calle cmo se muestra en la Figura
5-4.
Figura 5-4.- Esquema de la salida de a travs de un pozo de registro
Otro aspecto importante es determinar la cota de vertido del objeto regulador
(ver Figura 5-4) pues determinar si existe intercambio de flujo o no entre ambas
redes. Esta cota, adems de considerar el desnivel existente entre ambos nodos,
deber incluir la oposicin que la tapa rgida de los pozos de registro realiza sobre el
flujo que intenta salir por el pozo. Esta oposicin se puede aproximar considerando
una altura extra sobre la cota de tapa del pozo de acuerdo con la siguiente ecuacin
(Djordjevic, 2004):
b
tupu
= c
p
tupu
p
uguu

Donde b
tupu
es la altura extra sobre el desnivel geomtrico, c es el espesor de
la tapa rgida, p
tupu
es la densidad del material de la tapa y p
uguu
es la densidad del
agua.

44
5.2.2 Rejas de captacin
Una manera de modelar el intercambio de flujo bidireccional a travs de las
rejas de captacin es utilizar dos objetos reguladores. Ambos deben tener sus nodos
en comn en sus extremos (vase Figura 5-5) y la opcin de Flap Gate activada.
La entrada de flujo viene representada por un objeto tipo Outlet que debe estar
orientado desde el nodo de la cuneta hacia el nodo del colector. Se requiere de una
tabla de valores que muestre la relacin entre los valores de caudal captado por la reja
vs el calado aguas arriba de ella, o bien, la relacin caudal captado vs la diferencia de
nivel piezomtrico entre la reja y el colector que permitir determinar el caudal
interceptado por la reja en cada instante.
Por otro lado, el objeto que representa la salida de flujo debe estar definido
desde el nodo del colector hacia el nodo de la cuneta y su cota de desage debe ser
igual al desnivel geomtrico existente entre la reja y la solera del colector, en el punto
de conexin. Esta conexin puede estar representada por un objeto tipo vertedero, tipo
orificio o, una vez ms, por un objeto tipo Outlet.
En caso del objeto tipo vertedero la longitud de vertido se puede aproximar
cmo la suma del largo y el ancho de la reja; para el objeto tipo orificio se puede definir
la seccin como rectangular (caso tpico de rejas rectangulares), donde la altura del
orificio se puede considerar igual a la proyeccin de la reja en el plano vertical del
bordillo y el ancho del orificio igual al rea total de huecos de la reja dividida por la
altura del orificio. Ambos objetos requieren sus respectivos coeficientes de descarga.
Para el caso del objeto tipo Outlet la salida se podra caracterizar utilizando una tabla
cmo la descrita anteriormente con los valores que obtendramos ensayando la salida
de flujo hacia la calle a travs de los elementos de captacin.

Figura 5-5.- Esquema de una reja representada con conexin doble

Captulo 6: Elaboracin del modelo Dual
45
Captulo 6. ELABORACIN DEL MODELO DUAL

Una vez conocidas las caractersticas fsicas de la cuenca de estudio y las
herramientas que nos ofrece el software EPA SWMM 5.0 se procede a la elaboracin
del modelo dual de la cuenca.
Para facilitar el trabajo con el programa y simplificar el esquema que se
muestra mediante la interfaz grfica tipo Windows que incorpora la nueva versin de
EPA SWMM 5.0, se ha dividido la modelizacin dual de la cuenca en dos sub-
modelos.
El primer modelo incorpora la red de colectores y todas las subcuencas que se
encuentran directamente conectadas a esta red, es decir, todas aquellas que no
contribuyen en la escorrenta superficial en ningn momento. De este modelo se
obtendrn los hidrogramas de caudal a la salida de cada subcuenca directamente
conectada a la red que, posteriormente, se impondrn en el nodo correspondiente en
el segundo modelo.
El segundo modelo incorpora dos redes de conductos: la red de colectores
(considerada en el primer modelo) y la red de canales superficiales que representan
las calles. Este modelo considera las subcuencas no contempladas en el primer
modelo, es decir, los tejados que no se encuentran directamente conectados a la red
de colectores as como las subcuencas que representan la superficie de la calle
(aceras y calzadas). Los hidrogramas de caudal obtenidos del primer modelo se

46
introducirn en este como series de datos en los nodos de la red de alcantarillado
donde corresponda. En este modelo tambin se representarn los elementos de
conexin entre los dos sistemas que permitirn el intercambio bidireccional de flujo
entre ambos.

6.1 Discretizacin de las subcuencas
El proceso de discretizacin es muy importante en la hidrologa urbana, porque
permite describrir la cuenca a un nivel de detalle muy minucioso, pudiendo llegarse a
analizar a nivel de tejado por tejado y calle por calle, representando as, de una
manera ms real, el comportamiento hidrolgico e hidrulico de una cuenca.
En el estudio que nos ocupa agruparemos los tejados contiguos que presentan
las mismas caractersticas en una misma subcuenca con el objetivo de simplificar el
modelo.

Figura 6-1.- Esquema de discretizacin de subcuencas.
Todas aquellas subcuencas que representan a los tejados podrn estar
conectadas directamente a la red de drenaje o contribuir a la escorrenta superficial de
la subcuenca que represente la acera colindante a dicho tejado.
En el primer modelo se definen un total de 151 subcuencas que representan la
totalidad de los tejados directamente conectados a los colectores. Las reas que
presentan, as como sus anchos, son de dimensiones variadas. Presentan pendientes
del 2% o el 28% dependiendo de si son cubiertas planas o tejados inclinados,
respectivamente. Todas ellas se han considerado 100% impermeables y con un
coeficiente de rugosidad de Manning de la superficie (n -Impcr:) de 0.01. La

47
escorrenta producida en estas subcuencas pasar a formar parte del flujo en la red de
colectores en el nodo ms prximo a ella.
Debido a la impermeabilidad del terreno se ha aplicado un sistema de prdidas
lineales. Podemos emplear este modelo de prdidas porque consideramos que la
capacidad de infiltracin no vara mucho a lo largo del tiempo de duracin de lluvia.
Por otro lado, el segundo modelo incorpora un total de 566 subcuencas, donde
se diferencian las que representan los tejados no conectados (66), las zonas
permeables (8), las aceras (267) y las calzadas (225).
Los tejados no conectados directamente a la red se han definido con los
mismos parmetros utilizados para modelar los tejados directamente conectados.
Las zonas permeables, trmino que agrupa las cinco zonas verdes, los dos
solares y el parking de arena existente en la zona, se caracterizan por incorporar un
sistema de prdidas de precipitacin distinto al resto de subcuencas. Se han
considerado 100% permeables. El mtodo escogido para calcular las prdidas es el de
Horton. Nuevamente, las reas y los anchos de estas subcuencas presentan distintos
valores y han estado medidos directamente sobre plano. Se ha supuesto una
pendiente del 2% para todas ellas, pues no presentan grandes desniveles y no se
dispone de informacin suficiente para conocer la pendiente exacta.
La discretizacin de las subcuencas que representan las aceras y las calzadas
ha estado condicionada por la ubicacin de las rejas en las calles. En el caso de las
calles de seccin transversal con bombeo lateral de la calzada del 2%, se ha
considerado como una subcuenca la media calzada comprendida entre dos rejas
consecutivas de una misma calle y la acera adyacente a esta media calzada como
otra, tambin delimitada por los mismos sumideros. Para calzadas que presentan una
seccin invertida (pendiente de la calzada hacia el eje de esta) se ha considerada una
nica subcuenca para todo el ancho de la calzada. La subcuenca tambin queda
delimitada por dos sumideros consecutivos. La escorrenta producida en estas
subcuencas se incorporar a la red de conductos superficiales en el nodo ms prximo
a la salida de cada subcuenca.
Los cruces de calles se han considerado como una nica subcuenca cuya
escorrenta generada en ella se incorporar a la red de conductos superficiales en el
nodo perteneciente al sistema mayor que simbolice dicha interseccin de calles.
Todas ellas, debido a los materiales que componen sus superficies, se han
considerado 100% impermeables y, por lo tanto, tambin se les ha aplicado un
sistema de prdidas de precipitacin lineal.

48
6.2 Sistema mayor
Se entiende como sistema mayor el conjunto de elementos que intervienen en
el transporte del flujo por la superficie, es decir, la red de calles.
A objeto de estudiar su comportamiento hidrulico, las calles pueden
considerarse conductos unidimensionales, donde el flujo va en lmina libre, cuya
longitud es, como mnimo, un orden de magnitud superior a su ancho. Por ser
elementos unidimensionales, las calles pueden representarse por un eje y pueden
definirse por la posicin de ese eje en el espacio y una determinada seccin
transversal caracterstica de toda la calle o de un tramo de la misma.
Desde un punto de vista hidrulico, en una red de calles se distinguen dos tipos
de elementos: las calles y los cruces. El flujo en las calles, como se ha comentado,
puede considerarse unidimensional mientras que en los cruces el flujo puede llegar a
presentar un comportamiento bidimensional o tridimensional.
Segn la tipologa de calle que se est modelando se utilizarn uno o dos
conductos en superficie. Para modelar las calles que presenten una seccin
transversal con bombeo lateral se har uso de dos conductos paralelos que
simbolizarn las dos cunetas. Por otro lado, las calles que presentan una seccin
invertida, se modelarn mediante un nico conducto coincidente con el eje de la
calzada.
El flujo en cruces de calles ha sido objeto de mltiples estudios experimentales
a lo largo de los ltimos aos (Nana, 1999), pues no hay consenso en las ecuaciones
que describan la distribucin de caudales y las condiciones que se producen en cruces
de calles. El software utilizado para elaborar el modelo (EPA SWMM 5.0) solamente
permite reproducir el movimiento en una dimensin, por lo tanto, se ha aproximado el
flujo en cruces de calles a una modelacin que agrupa la totalidad del flujo entrante en
el cruce en el nodo que simboliza la interseccin de calles y, desde all, este flujo se
distribuye por gravedad por todos los conductos de salida existentes. En la Figura 6-2
se ilustra la modelizacin de los cruces. Los nodos de color verde y las lneas azules
representan puntos de la red superficial y de las cunetas, respectivamente. Por otro
lado, el nodo rojo representa el pozo de registro que se encuentra en la interseccin
de los dos colectores, representados mediante las lneas naranjas.

49

Figura 6-2.- Representacin del cruce de calles entre C/Torre Figueras y C/Mossen
Cinto Verdaguer.
6.2.1 Descripcin de los elementos que intervienen en el modelo
Los distintos tramos de calles se modelarn mediante nodos (Junctions) y
conductos (Conduits). Se considerar que los conductos de la red superficial son las
cunetas a excepcin de cuando se trate de una calle de seccin invertida, donde se
asumir que el conducto es todo el ancho de calle.
La modelizacin consta de un total de 266 Junctions que representan puntos
del sistema mayor. La mayora de ellos simbolizan las rejas del sistema de captacin
(205) pero tambin se han usado para simbolizar el punto de cruce entre dos calles,
as como puntos auxiliares que permitieran incorporar caudales externos en puntos
intermedios de tramos de calles donde no exista ninguna reja.
Los Conduits definen tramos de calles, situados entre dos Junctions sucesivas,
que presentan las mismas caractersticas (pendiente, seccin transversal, rugosidad
de la superficie). Su pendiente queda determinada por las cotas de solera definidas
para las Junctions que se encuentran en los extremos de dicho conducto.
Se ha necesitado un total de 285 elementos tipo Conduit para modelar el
sistema de conductos superficiales. Sus longitudes varan entre 2.24 y 62.28 metros y
sus pendientes estn comprendidas entre el 0% y el 12%. Para todos ellos se ha
supuesto un coeficiente de rugosidad de Manning de 0.016, valor representativo para
el flujo en cunetas.
Se han definido tres secciones transversales tipo que representan la cuneta
izquierda en el sentido del flujo (Figura 6-3), la cuneta derecha en el sentido del flujo

50
(Figura 6-4) y, por ltimo, una seccin invertida de ancho variable segn la calle que
represente (Figura 6-5). Como ya se ha comentado en el apartado de descripcin de la
cuenca, se considera un bordillo de 0.15 m y un ancho nico de acera de 1m.

Figura 6-3.- Esquema de la seccin de la cuneta izquierda.

Figura 6-4.- Esquema de la seccin de la cuneta derecha.

Figura 6-5.- Esquema de la seccin de una calle de tipo invertida.

51
6.3 Sistema menor
El sistema menor del modelo representa los colectores y los pozos de registro
de la red de alcantarillado. De la misma manera que para el sistema mayor, los
colectores vienen descritos por objetos del tipo Conduit y los pozos por objetos tipo
Junction.
Generalmente, en el modelo los nodos representarn pozos de registro
existentes en la red, pero se han introducido nodos extra que nos permitan incorporar
el flujo que haya sido captado por los elementos de captacin o provenga de las
subcuencas directamente conectadas a la red de colectores (tejados) en puntos
situados entre dos pozos de registro.
Los pozos de registro se ubican en cualquier punto donde exista un cambio de
seccin del conducto, un cambio de pendiente o una interseccin de conductos.
6.3.1 Descripcin de los elementos que intervienen en el modelo
Los elementos por donde circula el flujo, en el caso de la red subterrnea, son
los colectores. Los tramos de colector se definirn mediante nodos (Junctions) y
conductos (Conduits). De la misma manera que para el sistema mayor, la
incorporacin de flujo a la red de colectores modelada, solamente se podr realizar en
esos puntos del sistema que hayamos representado mediante un elemento nodo.
La modelizacin incorpora un total de 114 Junctions que representan puntos
del sistema menor. La mayora de ellos (81) simbolizan los pozos de registro.
Para este subsistema, los Conduits definen tramos de colectores, situados
entre dos Junctions sucesivas. Su pendiente vendr definida por las cotas de solera
definidas para las Junctions que se encuentran en los extremos de dicho conducto.
Se ha empleado un total de 118 elementos tipo Conduit para modelar el
sistema de colectores. Sus longitudes varan entre 5.5 y 76.4 metros y sus pendientes
estn comprendidas entre el 0.28% y el 14%. Para todos ellos se supone un
coeficiente de rugosidad de Manning de 0.016 (valor recomendado para conductos de
hormign).
Los colectores ubicados dentro del rea de estudio presentan, como se ha
dicho en el apartado de descripcin de la cuenca, distintas geometras de secciones
transversales.

6.4 Elementos de captacin
Para representar el flujo bidireccional en las rejas de captacin se han utilizado
dos objetos reguladores, es decir, en el modelo existir una doble conexin entre el
sistema mayor y el sistema menor. Los objetos reguladores son representados por

52
SWMM 5.0 como conectores entre dos nodos (uno perteneciente al sistema mayor y
otro del sistema menor).
Como se ha comentado en el punto 5.2.2, SWMM 5.0 ofrece varios elementos
que permiten modelar la entrada o salida de flujo a la red de colectores: orificios,
vertederos y Outlets.
En nuestro estudio, para modelar la entrada de flujo a la red de alcantarillado
se ha utilizado un objeto tipo Outlet y para la salida un objeto tipo orificio.
La eleccin del objeto tipo Outlet para modelar la transferencia de flujo desde el
sistema mayor al sistema menor viene condicionada por el conocimiento de la
eficiencia de captacin de las rejas que se encuentran en la zona de estudio. Este
regulador, a diferencia de los otros, tiene la particularidad de representar relaciones
especiales de carga-caudal. Esta relacin carga-caudal se definir mediante una tabla
que relaciona el calado de aproximacin justo aguas arriba del elemento de captacin
(imbornal) y el caudal captado por dicho elemento. La determinacin de estas tablas
ser posible partiendo de los coeficientes caractersticos de cada tipo de reja,
obtenidos de ensayos previos tal y como se ha comentado en el punto 2.4. Para
relacionar el caudal que circula por la calle aguas arriba del elemento de captacin con
el calado en el mismo punto se ha usado la ecuacin de Manning.
Estos objetos en el modelo actan como un link entre un nodo de la red
superficial y uno de la red subterrnea, siempre orientado en el sentido mencionado.
Es muy importante, debido a la doble conexin existente entre ambos nodos, que
siempre est activada la opcin de Flap Gate que nos ofrece SWMM 5.0 y que impide
el cambio de la direccin del flujo en este elemento.
Resumiendo, para modelar la entrada de flujo al sistema de alcantarillado
solamente se necesita introducir los nodos que se encuentran en los extremos del link
cuyos parmetros ya han estado introducidos previamente y la funcin que representa
el caudal captado por la reja en funcin de la rugosidad, la pendiente longitudinal, los
parmetros de la reja en cuestin, el caudal aguas arriba y la seccin de la calle. De
esta forma, el modelo consta de 205 Outlets.
Por otro lado, se han escogido elementos tipo orificio para modelar la salida de
flujo desde el sistema menor al sistema mayor a travs de las rejas de captacin.
Dado que no se conoce la funcin que rige la salida de flujo dependiendo del nivel
piezomtrico del flujo de la calle y del colector, queda descartada la opcin de
modelacin mediante un elemento tipo Outlet como se ha hecho para la entrada de
flujo en la red subterrnea. De la misma manera que los Outlet, los orificios actan
como un link entre nodos de los respectivas redes. Tambin es muy importante que se
mantenga la opcin Flap Gate activada en todo momento.
La ecuacin que representa la transferencia de flujo desde la red de
alcantarillado hacia la superficie a travs de un orificio es:

53
= CA2gb
siendo C el coeficiente de descarga, A el rea del orificio, g la aceleracin de la
gravedad y b el calado en el orificio.
Se considerar que estos orificios descargan de manera lateral y su geometra
es rectangular, siendo la altura de stos la proyeccin del ancho de la reja sobre un
plano vertical y sus anchos iguales al cociente entre el rea de huecos de la reja y la
altura asignada al orificio. Siguiendo estas indicaciones, para calcular la altura de los
orificios que representen la salida de flujo a travs de rejas convencionales se
considerar el ancho medio de todas ellas. Sabiendo que este valor es de 30 cm y que
la pendiente transversal de la calzada debido al bombeo es del 2%, se obtiene una
altura del orificio de 0.6 cm. El rea de huecos, en la mayora de los casos, es un valor
conocido. Aquellas rejas que no haban sido estudiadas en el laboratorio previamente
(Reja A, Reja F y Reja I) se ha determinado su rea de huecos a partir de medidas
tomadas in situ durante las visitas de campo.
Por otro lado, para determinar los valores de las alturas de los orificios que
representarn la salida de flujo a travs de los tres modelos de rejas continuas
existentes, se ha usado el ancho de la reja y, a diferencia de las rejas convencionales,
la pendiente de la calle donde esta se ubica. Las pendientes utilizadas para el clculo
de este parmetro se agrupan en la Tabla 6-1. Al existir solamente una reja del tipo
Macro 1 y una del tipo Macro 3, las pendientes asignadas a estos dos tipos
corresponden a las de la calle donde se ubican, a diferencia de la pendiente asignada
a las rejas de tipo Macro 2, que se ha obtenido calculando la media de las pendientes
de las calles donde se ubican las macro-rejas de esta tipologa.
Tabla 6-1.- Pendiente de las calles donde se ubican las macro-rejas.
Tipo de reja
Pendiente de
la calle (%)
MACRO 1 2
MACRO 2 4
MACRO 3 6

Los parmetros usados para determinar las caractersticas de los orificios de
cada tipologa de reja a modelar se agrupan en la Tabla 6-2. La nica dificultad que se
presenta es determinar el coeficiente de descarga que utilizaremos para las rejas. Al
no disponer de datos experimentales ni poder realizar ensayos en el laboratorio, se
adoptar un coeficiente de descarga para todas ellas de 0.5, valor comnmente usado
para estudios de este tipo (Leandro, et al., 2007).

54
Tabla 6-2.- Parmetros de los orificios que representan la salida de flujo a travs de
las rejas.
Tipo de reja
Tipo de
descarga
Forma
Altura del
Orificio (cm)
Ancho del
Orificio (m)
REJA A Lateral Rectangular 0.6 11.90
REJA F Lateral Rectangular 0.6 6.17
E-25 Lateral Rectangular 0.6 14.55
BARCINO Lateral Rectangular 0.6 14.20
IMPU Lateral Rectangular 0.6 11.55
DELTA 50 Lateral Rectangular 0.6 20.60
MERIDIANA Lateral Rectangular 0.6 12.27
REJA I Lateral Rectangular 0.6 6.30
R-121 Lateral Rectangular 0.6 20.23
EBRO Lateral Rectangular 0.6 17.50
MACRO 1 Lateral Rectangular 1.97 31.84
MACRO 2 Lateral Rectangular 1.96 64
MACRO 3 Lateral Rectangular 2.31 14.96

El nmero de orificios utilizados para modelar las posibles salidas de flujo de la
red de alcantarillado a travs de las rejas debe ser el mismo que el nmero de
elementos Outlets usados: 205.

6.5 Pozos de registro
A pesar de que el intercambio de flujo entre los dos sistemas se realiza
mayoritariamente a travs de las rejas de captacin en algunas situaciones, cuando el
nivel piezomtrico del colector est muy por encima de la cota de calle, puede llegar a
existir salida de flujo a travs de los pozos de registro. No se contemplar la opcin de
entrada de flujo a travs de ellos en ningn caso.
Esta salida, de la misma manera que se ha hecho para modelar la
transferencia de flujo del sistema menor al sistema mayor a travs de las rejas, ser
modelada mediante objetos de tipo orificio orientados desde el nodo del colector al
nodo de la calle. Los parmetros que definirn estos objetos son los mismos que los
comentados para modelar la salida de flujo a travs de las rejas. Se considerar que
los pozos de registro actan como orificios de descarga lateral y que presentan una
geometra rectangular. Se le asignar una altura de orificio igual al espesor de la tapa
(5 cm) y un ancho igual al permetro de esta. Sabiendo que el dimetro de las tapas de
los pozos de registro es de 1.2m, se fijar un valor de 3.77m al ancho del orificio. La
opcin Flap Gate debe estar activa para impedir la entrada de flujo a travs del orificio.
Tambin se considerar la oposicin que presenta la tapa rgida del pozo de
registro a la salida de flujo. Para lograr este objetivo se incrementar la cota del punto
de vertido del orificio (cota de la tapa del pozo) en 0.4 metros, valor que se obtiene

55
considerando el espesor de la tapa igual a 5cm y las densidades del acero y el agua
iguales a 7850 kg/m
3
y 1000 kg/m
3
respectivamente.
b
tupu
= c
p
tupu
p
uguu
= u.uS
78Su
1uuu
= u.4m.
Un total de 81 orificios representarn la salida de flujo a travs de los pozos de
registro, cifra que coincide con el nmero de nodos que simbolizan estos mismos
elementos.

6.6 Salida de la cuenca
El punto de salida de la cuenca vendr modelado por un objeto tipo Outfall. En
la modelizacin existen un total de 2 elementos de esta tipologa: uno de ellos
simbolizar el punto final de la red de alcantarillado y el segundo el punto de salida de
la cuenca en superficie.
Estos elementos permiten definir las condiciones de contorno aguas abajo para
el clculo hidrulico de la red bajo el mtodo de la Onda Dinmica. Para definir ambos
objetos, se debe conocer la cota de solera de dicho punto y el tipo de condicin de
contorno. En ambas salidas se fijar la condicin de contorno como Free, es decir, en
descarga libre.

6.7 Lluvia
Los Rain Gages (pluvimetros) son los elementos del SWMM 5.0 que
proporcionarn la informacin de lluvia sobre las subcuencas. Los datos de los
eventos de lluvia se introducirn en el programa como Time-Series Data (series
temporales de datos), objeto definido en SWMM 5.0 para describir propiedades de
algunos objetos del modelo que varan con el tiempo. Los datos de lluvia en este
trabajo se describen en el punto 6.10
El intervalo de tiempo usado para definir las lluvias ser de 1 minuto para los
eventos histricos registrados y de 5 minutos para las tormentas de proyecto.

6.8 Opciones de simulacin
Una vez introducidos todos los elementos del modelo y los parmetros que los
caracterizan es necesario, antes de ejecutar la simulacin, definir algunas opciones de
anlisis de sta. Por lo tanto, se ajustarn parmetros como los pasos de tiempo de
clculo y la eleccin del mtodo de propagacin del flujo en la red, entre otros.

56
Se ha escogido el mtodo de la Onda Dinmica debido a que describe mejor la
hidrulica del flujo variable en el tiempo en relacin a los otros mtodos que ofrece
SWMM 5. Adems, este mtodo considera la entrada en carga de los conductos, la
inversin del flujo y los efectos de remanso. Por ltimo, tambin se ha escogido pues
es el nico que permite simular redes malladas.
Se establecen los intervalos de tiempo utilizados para el clculo hidrolgico,
tanto en tiempo seco como durante los eventos de lluvia, para el clculo hidrulico del
flujo en la red y para los informes de resultados. Los intervalos de tiempo escogidos se
resumen en la Tabla 6-3:
Tabla 6-3.- Intervalos de tiempo utilizados en la computacin.
Runoff (Dry Weather) 1 h
Runoff (Wet Weather) 1 min
Routing 1 s
Reporting 1 min

Se asigna un intervalo de tiempo mucho ms pequeo para el clculo
hidrulico (Routing) pues la naturaleza explcita del esquema numrico que utiliza
SWMM 5 en este caso hace que la estabilidad del esquema numrico durante el
clculo sea dependiente de este intervalo de tiempo.
Establecidos los pasos de tiempo utilizados, se procede al ajuste de algunos
parmetros que controlarn cmo se realizar el clculo para el flujo en Onda
Dinmica (Figura 6-6).
Debido a los potenciales problemas de estabilidad en el clculo que podran
presentarse, es importante que se active la opcin de paso de tiempo variable
(Variable Time Step) y as permitir al programa ajustar este intervalo de tiempo para
evitar las inestabilidades numricas. Al introducir un valor distinto de cero para este
factor, el mtodo utilizar un paso de tiempo variable, basado en el paso de tiempo
ms pequeo que sea necesario para satisfacer el criterio de estabilidad de Courant
en cada conducto (apartado 5.1). Este paso de tiempo computado se ajustar
multiplicando por el factor asignado (generalmente inferior a 1.0). En nuestro modelo
se ha utilizado 0.75.

57

Figura 6-6.- Ventana de SWMM 5.0 con las opciones de simulacin para onda
dinmica.
Por otro lado, para calcular las prdidas de precipitacin en aquellas
subcuencas que no sean 100% impermeables se utilizar el mtodo de Horton. Este
mtodo se basa en la hiptesis de que la variacin de la capacidad de infiltracin en
cualquier momento, es proporcional a la diferencia entre la capacidad actual de
infiltracin en el terreno y la capacidad lmite asinttica de infiltracin que presenta el
terreno. Los parmetros de entrada necesarios para este modelo son los valores de
infiltracin mxima y mnima, el coeficiente de decaimiento que describe lo rpido que
se produce la disminucin de la infiltracin a lo largo del tiempo, y el tiempo necesario
(das) para secar completamente un suelo que inicialmente estaba saturado. Los
valores escogidos se agrupan en la Tabla 6-4:
Tabla 6-4.- Parmetros de entrada para el modelo de infiltracin (Horton).
Infiltracin mxima 3.0 mm/h
Infiltracin mnima 0.5 mm/h
Constante de decaimiento 5
Tiempo de secado (1/hr) 7

Todos los valores adoptados son tpicos para suelos secos con presencia
pobre de vegetacin y compuestos por proporciones equilibradas de arcilla, limo,
arena y materia orgnica.

58
6.9 Errores de continuidad
Cuando la simulacin se completa con xito, los errores totales de continuidad
se muestran en la ventana de estado de la simulacin.
Estos errores representan la diferencia en % entre el almacenaje inicial ms el
flujo que entra y el almacenamiento final ms el flujo que sale. Si esta diferencia
excede un nivel razonable (un 10%) los resultados de la simulacin son cuestionables.
La razn ms comn para un excesivo error de continuidad suele ser un intervalo de
clculo hidrulico grande.
En la Tabla 6-5 se agrupan los valores de los errores de continuidad obtenidos
al simular el modelo Dual elaborado, considerando los eventos de lluvias histricos
registrados.
Tabla 6-5.- Errores de continuidad obtenidos para la modelizacin.
Lluvia Surface Runoff Error Flow Routing Error
Jordi -0.37% 1.10%
Efrn -0.22% 3.02%
Fidel -0.09% 2.03%
Martina -0.49% 3.17%
Susana -0.80% 3.08%

6.10 Calibracin y validacin del modelo
Con el objetivo de que el modelo reproduzca con la mxima exactitud lo que
sucede en la realidad, se debe realizar una buena estimacin de los parmetros que
intervienen en ste. Es por ello que los procesos de calibracin y validacin del
modelo son claves en la fiabilidad de los resultados que el modelo pueda arrojar,
cuando por ejemplo lo aplicamos frente a eventos extremos de precipitacin.
Para proceder con el proceso de calibracin se deben conocer algunos datos
de entrada y de salida. Se entiende como datos de entrada los eventos de lluvia
registrados en la zona y como datos de salida los caudales registrados como
respuesta a estos eventos de lluvia.
Se dispone de la informacin de cinco eventos de lluvia y de los
correspondientes hidrogramas registrados en la salida de la cuenca a travs del
colector. Esta informacin fue tomada en el marco del proyecto SPRINT SP/98,
Rehabilitacin de redes de drenaje en pases miembros de la Unin Europea, durante
el perodo comprendido entre julio de 1994 y 1997. Los datos de precipitacin se
obtuvieron mediante un pluvimetro de cazoletas basculantes (modelo ARG-100
fabricado por la empresa Campbell Scientific by Environmental Measurements Ltd.),
instalado en las proximidades de la cuenca. El caudal en la seccin de salida se
obtuvo mediante un proceso indirecto, midiendo la velocidad media del flujo mediante

59
un dispositivo de tipo electromagntico y el calado correspondiente mediante un
sensor de presin, que permiti determinar la seccin mojada. De esta manera, el
caudal circulante se calcul como producto del rea mojada por la velocidad medida,
asumiendo este dato como velocidad media del flujo en la seccin. Los eventos de
lluvia que se han considerado para calibrar y validar el modelo presentan volmenes
totales de precipitacin, intensidades mximas y duraciones muy variadas (Tabla 6-6).
Tabla 6-6.- Eventos de lluvia utilizados para la calibracin y validacin.
Lluvia
Volumen total
(m
3
)
Intensidad
mxima (mm/h)
Duracin
(h:m)
Jordi 1011.42 36.92 2:48
Efrn 402.96 19.81 1:35
Fidel 622.44 12.49 3:07
Martina 385.98 16.98 1:40
Susana 343.2 38.87 0:37

Se escogern dos eventos de lluvia para el proceso de calibracin y,
posteriormente, se validar el modelo calibrado con los datos de los 3 sucesos
restantes con el objetivo de comprobar que para series de datos distintas a las usadas
para el proceso de calibracin tambin se obtiene un buen nivel de ajuste.
De los cinco eventos de lluvia conocidos se ha escogido las tormentas J ordi y
Efrn para la calibracin y, posteriormente, se usarn las tormentas Fidel, Martina y
Susana para validar el modelo.
6.10.1 Determinacin de la lluvia efectiva
Al elaborar nuestro modelo se ha definido, a excepcin de ciertas superficies,
que las subcuencas son 100% impermeables. Para poder estimar las prdidas
existentes por almacenamiento en depresiones as como las pequeas prdidas por
infiltracin en zonas de parterres o terrazas, se considerar un modelo de prdidas de
lluvia constante que nos permitir obtener la lluvia efectiva para cada evento.
Para estimar las prdidas constantes en el tiempo para cada evento de lluvia
nos basaremos en el volumen total de escorrenta medido en la salida de la cuenca del
sistema menor para cada evento. Los valores asignados se agrupan en la Tabla 6-7.
Tabla 6-7.- Prdidas constantes para los eventos Jordi y Efrn.
Prdidas (mm/h)
Jordi 5
Efrn 3

Aplicando este sistema de prdidas se ajusta el hidrograma obtenido
inicialmente a partir del modelo elaborado, consiguiendo reducir el volumen total de

60
escorrenta, as como el caudal pico. Los hidrogramas resultantes para los eventos de
lluvia escogidos para la calibracin, J ordi y Efrn, se representan en la Figura 6-7 y en
la Figura 6-8, respectivamente.

Jordi.

Efrn.
0
200
400
600
800
1000
1200
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1
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2
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4
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0
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C
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u
d
a
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(
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s
)
Tiempo (h)
Caudal observado
Caudal calculado con prdidas
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
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6
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0
0
C
a
u
d
a
l
(
l
/
s
)
Tiempo(h)
Caudal observado

61
6.10.2 Calibracin
Son varios los parmetros que pueden verse modificados durante un proceso
de calibracin pues influyen, con ms o menos fuerza, en la respuesta hidrolgica o
hidrulica de la cuenca modelada.
Debido al alto nivel de detalle de la informacin de partida para elaborar el
modelo se ha considerado que parmetros como el ancho de las subcuencas, las
pendientes medias de stas o las pendientes de los conductos (colectores y calles)
restarn inalteradas pues los valores que se han adoptado e introducido en el modelo
se han tomado directamente in-situ o sobre el plano.
El hecho de estar usando valores de los parmetros que son reales y no han
sido estimados nos obliga a usar otras variables para el ajuste del modelo.
Con el objetivo de aumentar el caudal pico del hidrograma de caudal en la
salida de la cuenca, as como intentar reducir el tiempo al pico del mismo hidrograma,
se decide disminuir los valores del coeficiente de rugosidad de Manning asignados
inicialmente para los conductos (calles y colectores). Se parta de un coeficiente de
rugosidad de Manning (n) de 0.016 para ambos casos.
Para determinar el coeficiente de rugosidad de Manning en los colectores nos
habamos basado en el material de que estaban hechos la totalidad de los elementos
de la red. Estos son de hormign y los valores tpicos de n para este material cuando
se emplea para la construccin de canales cerrados se encuentran entre 0.015-0.017
(ASCE, 1982). Por otro lado, por facilidad a la hora de introducir los datos, se haba
extendido el mismo valor de n para las cunetas que representan los canales en
superficie.
Los nuevos coeficientes de rugosidad de Manning que se adoptarn sern
0.014 para los colectores y 0.013 para las calles (cunetas). Esta decisin ha sido
tomada basndonos en los valores tpicos para coeficientes de rugosidad de Manning
para conductos abiertos y cerrados (ASCE, 1982). Dado que para colectores de
hormign n puede llegar a reducirse hasta alcanzar valores entre 0.011-0.015,
escogemos un valor medio dentro de este intervalo: 0.013. Por otro lado, para los
conductos abiertos que discurren por superficie y estn revestidos por mezclas
bituminosas, podemos escoger valores entre 0.013-0.016. Fijamos, para estos casos,
un coeficiente de rugosidad de Manning de 0.014.
Modificando estos parmetros en nuestro modelo, es posible visualizar la
influencia de stos cambios sobre el hidrograma calculado. A continuacin en la Figura
6-9 y Figura 6-10 se pueden apreciar las diferencias entre los hidrogramas observado
(hidrograma azul), el primer hidrograma obtenido a partir del modelo considerando un
sistema de prdidas constante en el tiempo (hidrograma verde) y, finalmente, el
hidrograma resultante de aplicar las modificaciones comentadas para la calibracin del
modelo (hidrograma rojo) para los eventos J ordi y Efrn, respectivamente.

62

Figura 6-9.- Hidrogramas registrado y calculados para el evento Jordi.

Figura 6-10.- Hidrogramas registrado y calculados para el evento Efrn.
0
200
400
600
800
1000
1200
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C
a
u
d
a
l

(
l
/
s
)
Tiempo (h)
Caudal observado
Caudal calculado con prdidas y
calibrado
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
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1
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3
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4
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4
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0
0
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6
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0
0
C
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u
d
a
l
(
l
/
s
)
Tiempo(h)
Caudal observado
calibrado

63
Como se puede observar en los grficos anteriores (Figura 6-9 y Figura 6-10),
el modelo es muy poco sensible a los cambios en los coeficientes de rugosidad
modificados en el proceso de calibracin. Se aprecia un ligero aumento del caudal pico
as como, un ligero descenso de los valores que definen los mnimos de los
hidrogramas. El otro objetivo que se persegua mediante la calibracin, disminuir el
tiempo al pico, obtiene una respuesta contraria en ambos casos, para el evento de
lluvia J ordi (Tabla 6-8) el pico del hidrograma se retrasa un minuto a diferencia de lo
observado para el evento Efrn donde el pico se adelanta 4 minutos (Tabla 6-9).
Tabla 6-8.- Resultados de la calibracin para el evento de lluvia Jordi.
JORDI Observado
Calculado
(calibrado)
%
Volumen total (m
3
) 1011.42 1036.55 -2.5
Caudal pico (l/s) 1014 671.30 33.8
Tiempo al pico (h:m) 1:09 1:10 -1.45

Tabla 6-9.- Resultados de la calibracin para el evento de lluvia Efrn.
EFRN Observado
Calculado
(calibrado)
%
Volmen total (m
3
) 402.96 373.03 7.4
Caudal pico (l/s) 463 312.73 32.5
Tiempo al pico (h:m) 1:10 1:06 5.71

Siguiendo con los principios de no modificar los parmetros que han sido
medidos in-situ o vienen definidos por mediciones sobre planos, se proceder a la
validacin del modelo elaborado mediante los tres eventos de lluvia restantes.
Adems, el objetivo principal de la calibracin que consiste en ajustar en la mayor
medida posible el volumen total de escorrenta se ha logrado con xito, reduciendo en
ambos casos la diferencia entre el volumen total observado y el calculado por debajo
del 10%.
6.10.3 Validacin
Para poder aceptar como buena la calibracin se debe validar el modelo con
los tres eventos de lluvia restantes de los cules se tiene informacin, al igual que para
los eventos J ordi y Efrn, de los datos de entrada (lluvias registradas) y los datos de
salida (caudal medido en la salida de la cuenca). Estos eventos de lluvia son: Fidel,
Martina y Susana.
Antes de proceder a la simulacin con estos eventos, se determinan las
prdidas constantes que se les aplicar a cada evento (Tabla 6-10).

64
Tabla 6-10.- Prdidas constantes para los eventos Fidel, Martina y Susana.
Prdidas (mm/h)
Fidel 4
Martina 6
Susana 6

Todos los valores de prdidas constantes que se han considerado para los
eventos de lluvia contemplados se encuentran entre 3 y 6 mm., valores que se
consideran habituales para este tipo de estudios. Es importante destacar que los
valores de prdidas constantes ms grandes se producen para las lluvias menos
intensas (Martina y Susana).
Los hidrogramas observados y calculados mediante la simulacin del modelo
para los eventos Fidel, Martina y Susana se muestran en la Figura 6-11, Figura 6-12 y
Figura 6-13, respectivamente.

Figura 6-11.- Hidrogramas registrado y calculados para el evento Fidel.

0
50
100
150
200
250
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:
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u
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a
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(
l
/
s
)
Tiempo(h)
Caudal observado
calibrado

65

Figura 6-12.- Hidrogramas registrado y calculados para el evento Martina.

Figura 6-13.- Hidrogramas registrado y calculados para el evento Susana.

0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
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Tiempo(h)
Caudal observado
calibrado
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200
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300
350
400
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3
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1
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3
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5
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3
1
5
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4
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C
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u
d
a
l
(
l
/
s
)
Tiempo(h)
Caudal observado
calibrado

66
Los resultados obtenidos para la lluvia Fidel (Tabla 6-11), Martina (Tabla 6-12)
y Susana (Tabla 6-13) permiten asumir como buena la calibracin realizada pues se
ha logrado una buena aproximacin del volumen total de escorrenta a travs de la red
menor del sistema. Los resultados obtenidos referentes al caudal pico presentan una
mayor variabilidad. De esta manera, para eventos de lluvia como Fidel y Martina se
consigue un ajuste aceptable del caudal pico pero no podemos decir lo mismo para el
evento Susana donde el porcentaje de ajuste se eleva al 37.3%. El ajuste del tiempo al
pico se considera muy bueno, pues los resultados obtenidos no difieren ms del 2%
respecto de los observados.
Tabla 6-11.- Resultados de la validacin para el evento de lluvia Fidel.
FIDEL Observado
Calculado
(calibrado)
%
Volumen total (m
3
) 622.44 565.01 9.2
Caudal pico (l/s) 212 177.89 16.1

Tabla 6-12.- Resultados de la validacin para el evento de lluvia Martina.
MARTINA Observado
Calculado
(calibrado)
%
Volumen total (m
3
) 385.98 357.87 7.3
Caudal pico (l/s) 161 172.34 -7

Tabla 6-13.- Resultados de la validacin para el evento de lluvia Susana.
SUSANA Observado
Calculado
(calibrado)
%
Volumen total (m
3
) 343.2 369.17 -7.6
Caudal pico (l/s) 446 279.68 37.3
Tiempo al pico (h:m) 0:21 0:21 0

6.11 Anlisis del comportamiento del modelo dual
El estudio mediante un modelo de drenaje dual permite disponer, a diferencia
de los modelos tradicionales, de informacin referente a lo que sucede en todo
momento en la superficie durante un evento de precipitacin. De esta manera se
puede, adems de conocer el flujo en la red de alcantarillado, determinar el nivel de
agua en la calle y la velocidad de este flujo.
A piori, las calles, sobretodo en Catalunya y Espaa, no se disean con la
finalidad de conducir el agua de lluvia en grandes cantidades, es decir, no son canales
de circulacin natural de agua sino superficies donde convivirn vehculos y peatones.

67
Por lo tanto, para que la combinacin de estos tres elementos sea posible, deben
existir unos criterios que limiten el flujo superficial en las calles y garanticen la
seguridad vial.
Por lo general, para eventos de lluvia pequeos, la capacidad de desage de
los colectores que forman parte de nuestra red y la capacidad de captacin de los
elementos que permiten el flujo bidireccional entre la red superficial y subterrnea,
garantizan unos niveles de agua en superficie casi despreciables. Debido a la
morfologa de calles presentes en la cuenca de La Riereta, pertenecientes al ncleo
antiguo de la poblacin de Sant Boi de Llobregat, en alguna de ellas encontramos
puntos bajos en los que se concentra caudal afluente de las calles colindantes y se
presenta un problema local de inundacin.
Los principales problemas aparecern con eventos de lluvia ms intensos. Para
estos eventos el agua circula de manera libre en la superficie de la ciudad debiendo
valorarse los riesgos que estos flujos puedan producir.
En este apartado se proceder a describir el comportamiento del modelo frente
dos eventos de lluvia de los cuales poseemos informacin y que se han usado
previamente para calibrar o validar el modelo. Estos sern J ordi que presenta el
volumen de escorrenta mayor y el de menor volumen de escorrenta, Susana.
6.11.1 Susana
El evento de lluvia Susana, de todos los datos de lluvia de los cuales tenemos
informacin, presenta el menor volumen total de precipitacin, 343.2 m
3
, una
intensidad mxima de 38.87 mm/h y una duracin de 37 min.
Los elementos de captacin del rea de estudio son capaces de captar casi la
totalidad del flujo que discurre en superficie, dejando circular aguas abajo de cada
imbornal una cantidad de flujo muy pequea. Los elementos de la red que interceptan
un mayor caudal de escorrenta durante el suceso de lluvia se agrupan en la Tabla
6-14.
Tabla 6-14.- Outlets (Rejas) que captan mayor caudal para el evento Susana.
Conducto Caudal mx.
(l/s)
Instante
(h:m)
out2 9.08 0:18
out3 7.12 0:18
out112 6.23 0:18
out111 4.69 0:18
out116 4.62 0:21

En la Figura 6-14 se aprecia el hidrograma de entrada al colector a travs de la
macro-reja situada al final de la calle Llus Castells, prxima a la salida de la cuenca.

68
En el modelo, este elemento de captacin, viene representado por el out2 (color rojo),
mencionado anteriormente en la Tabla 6-14 por ser el elemento que presenta un
mayor caudal captado. En la Figura 6-14 tambin se representa el hidrograma de
caudal que circular por la calle aguas abajo de dicha reja. El pico de ambos
hidrogramas ocurre en el minuto 18 y el caudal pico que circula por la calle aguas
abajo (2.75l/s) representa un 24% del caudal pico total que llega en el mismo instante
a dicha reja (11.57l/s).

Figura 6-14.- Hidrograma de entrada al colector a travs de la Macro 2 al final de la
calle Llus Castells (Susana).
De la misma manera, se ha querido ilustrar el hidrograma captado por una reja
convencional (E-25) en la calle Baldiri Comas (pendiente del 2%), as como el caudal
que circula justo aguas debajo de esta (Figura 6-15).

Figura 6-15.- Hidrograma de entrada al colector a travs de una reja E-25 situada en la
calle Baldiri Comas (Susana).

69
Se puede apreciar como los valores de caudal captados (out21) son mucho
menores que en el caso anterior (caudal pico de 0.56l/s). Esto es debido a que el
caudal que circula por dicha calle tambin presenta valores muy inferiores. El
hidrograma de caudal aguas abajo de la reja es prcticamente inapreciable,
presentando un caudal pico de 0.0075l/s, un 1.3% del total que llega al imbornal.
La capacidad de desage a lmina libre de los colectores se ve superada,
nicamente, en cuatro tramos de la red menor (Tabla 6-15) provocando la entrada en
carga de estos. En ningn caso se produce salida de flujo de la red de alcantarillado a
la superficie.
Tabla 6-15.- Conductos que actan a presin durante el evento Susana.
Conducto Tiempo en carga (h)
B64 0.10
B65 0.10
B66 5.69
B74 0.29

Se puede destacar que todos los tramos de conductos que trabajan a presin
se concentran en la parte alta de la cuenca, en el primer tramo de la calle Francesc
Maci, confluencia de sta con la calle Cerdenya. Estos problemas de entrada en
carga vienen producidos, bsicamente, por la presencia de un punto bajo en la red de
colectores (nodo P70) y cambios bruscos en los dimetros de los conductos (Figura
6-16). En esta Figura la lnea de puntos representa la cota del terreno ms la altura del
orificio que permitira la salida de flujo a la superficie a travs de las tapas de los pozos
de registro (0.05m) ms los 0.40m que equivalen a la oposicin de dicha tapa, a
excepcin del pozo P152 donde representa la cota real del terreno.

Figura 6-16.- Perfil longitudinal del colector de la calle Cerdenya y Francesc Maci.

70

Figura 6-17.- Detalle del cruce entre las calles Francesc Maci y Cerdenya en el
modelo.
En superficie, el calado mximo registrado es de 0.12m en los tramos de
cuneta representados por los conductos S192 y S193, contiguos al pozo representado
en superficie por el nodo Q287 y en la red de alcantarillado por el P70, y es
consecuencia directa de la existencia de un punto bajo del terreno en ese mismo punto
la cota de terreno del P70 es de 25.580m, mientras que las de los pozos anexos P71
y P152 son 26.843m y 27.097m, respectivamente-.
6.11.2 Jordi
El evento de lluvia J ordi, registrado el da 23 de abril de 1995, es el que
presenta un mayor volumen de precipitacin, 1011.42 m
3
. La intensidad mxima de
este evento es ligeramente menor al que presentaba la lluvia anterior (Susana),
tomando un valor de 36.92 mm/h a los 64 minutos del inicio de la precipitacin. La
duracin total es de 2:48h.
Los elementos de captacin registran valores de caudal mximo ligeramente
superiores para este evento (Tabla 6-16) a los que habamos visto para el evento
Susana (Tabla 6-14) pero el volumen total captado por cada elemento presenta
valores muy diferentes. Esto se debe a que la intensidad mxima de precipitacin para

71
ambos eventos presenta valores similares pero la duracin del evento J ordi dobla la de
Susana.
Tabla 6-16.- Outlets (Rejas) que captan mayor caudal para el evento Jordi.
Conducto Caudal
mx. (l/s)
Instante
(h:m)
out2 12,04 1:08
out113 10,88 1:11
out3 10,69 1:08
out112 8,26 1:08
out116 7,79 1:10

En la Figura 6-18 y en la Figura 6-19 se pueden apreciar los hidrogramas de
entrada de caudal a travs de una macro-reja del modelo y una reja convencional,
respectivamente. Se han estudiado las mismas rejas que en el apartado anterior y se
ha comprobado que la cantidad de escorrenta que no puede ser captada por el
imbornal sigue presentando valores muy similares a los obtenidos para el evento
Susana, llegando a ser casi inapreciable en el caso de la reja convencional E-25,
donde el caudal pico del hidrograma que sigue por la cuneta aguas abajo de la reja es
0.0087 l/s (Figura 6-19).

Figura 6-18.- Hidrograma de entrada al colector a travs de una Macro 2 al final de la
calle Llus Castells (Jordi).
El caudal negativo en el conducto aguas abajo de la macro-reja entre los
intervalos 1:13-1:15h y 1:20-3:52h es debido a la inversin del sentido del flujo en
dicho conducto dado que la cota de la superficie de la lmina libre en el nodo aguas
abajo de la reja es superior a la cota del terreno donde se ubica sta. El caudal pico
del hidrograma obtenido en el link S3 aguas abajo del elemento de captacin (4.70l/s)

72
representa un 28% del caudal que llega a dicho imbornal por la superficie (Figura
6-18).

Figura 6-19.- Hidrograma de entrada al colector a travs de una E-25 situada en la
calle Baldiri Comas (Jordi).
Para este evento de lluvia se produce salida de flujo a la superficie a travs de
los elementos de captacin desde el sistema menor. Esto solo puede ocurrir en
aquellos casos en que el nivel piezomtrico del flujo de agua que circula a presin por
el sistema de alcantarillado se encuentre por encima de la cota del terreno. Los tramos
de colector que actan en algn momento de la simulacin en carga son los mismos
que para el anlisis con la lluvia Susana pero este fenmeno ocurre durante un
periodo de tiempo ms largo (Tabla 6-17).
Tabla 6-17.- Conductos que actan a presin para el evento Jordi.
Conducto Tiempo en carga
(h)
B64 0,32
B65 0,32
B66 5,05
B74 0,36

Los dos elementos de captacin por donde se produce salida de flujo,
representados por el or134 y el or135, se ubican en el cruce de las calles Francesc
Maci y Cerdenya, zona conflictiva como ya se ha comentado debido a la presencia de
puntos bajos de la red de colectores y en la red de calles.

73
Tabla 6-18.- Elementos de captacin a travs de los que se produce salida de flujo
(Jordi).
Conducto Caudal mximo de
salida (l/s)
Instante de mximo
caudal (h:min)
or134 17.08 1:10
or135 17.06 1:10

Los tramos de calle que presentan mayores valores de calado en superficie son
los pertenecientes a la misma zona. Se llegan a encontrar calados de hasta 35 cm en
los conductos contiguos al pozo de registro situado en el cruce de las calles Cerdenya
y Francesc Maci.

Captulo 7: Comparacin entre el modelo Dual y el modelo Tradicional
75
Captulo 7. COMPARACIN ENTRE EL MODELO DUAL Y EL
MODELO TRADICIONAL

Con el objetivo de evaluar la influencia del uso de un modelo de drenaje dual
en la simulacin del comportamiento de la cuenca frente al uso de un modelo
tradicional se proceder a la elaboracin de un nuevo modelo, mediante EPA SWMM,
que siga los principios clsicos del drenaje urbano. Este segundo modelo se
caracteriza por utilizar una discretizacin de las subcuencas mucho ms agregada e
incorporar la escorrenta de stas en los nodos asignados para ello, pertenecientes a
la red menor, sin tener en cuenta la hidrulica de lo que sucede realmente en
superficie.

7.1 Elaboracin del modelo Tradicional
En este nuevo modelo, mencionado de aqu en adelante como modelo
Tradicional o modelo Simple, se adopta en todo momento la hiptesis de que la lluvia
cada que se transforma en escorrenta superficial entra en la red de drenaje en la
misma zona en que cae. En base a esta hiptesis, se define una serie de subcuencas
hidrolgicas cuyos lmites estn fijados en el supuesto que el agua superficial no los
supera.

76
La modelizacin de la subcuenca se ve simplificada muy notablemente al no
considerar la red de calles como conductos del sistema. Este modelo se caracteriza
por presentar un total de 16 subcuencas de aproximadamente 1 hectrea cada una. El
rea total de la subcuenca de estudio es la misma que la del modelo dual: 16.87ha. De
la misma manera que se ha realizado para elaborar el modelo Dual, se definen los
parmetros de todos los elementos que aparecen en el modelo.
Las subcuencas se consideran 100% impermeables y se aplicar el sistema de
prdidas constante para calcular la lluvia efectiva. Los valores de prdidas coinciden
con los introducidos anteriormente para el modelo Dual y se agrupan en la Tabla 7-1.
Tabla 7-1.- Valores de prdidas constantes para ajustar el modelo tradicional.
Prdidas (mm/h)
Jordi 5
Efrn 3
Fidel 4
Martina 6
Susana 6

Para determinar los valores de los parmetros hidrolgicos que definen las
subcuencas se ha considerado el rea real de cada una de ellas medida sobre plano;
un ancho medio calculado a partir del rea total y la longitud mxima a recorrer por el
flujo en cada subcuenca; y por ltimo, una pendiente media que se calcula como la
diferencia de cotas entre el punto ms alejado a la salida de la subcuenca y el punto
de salida dividido por la distancia entre ambos. Al nico parmetro hidrulico que rige
la escorrenta por las subcuencas, el coeficiente de rugosidad de la superficie
impermeable, se le ha asignado un valor de 0.01.
La red de alcantarillado se representar en el modelo mediante pozos (nodos)
y tramos de colectores (conductos). Los parmetros que definirn ambos tipos de
elementos sern los mismos que los presentados para el modelo Dual. Se considerar
que la totalidad de la escorrenta producida en una subcuenca se introduce en el
sistema de alcantarillado en el pozo perteneciente a dicho sistema y que se encuentra
ms prximo a la salida de sta.
En este modelo no se incorporarn los elementos de captacin. La no
existencia de una red superficial de conductos impide considerar en este modelo la
salida de flujo de la red de colectores hacia la calle y su contribucin, nuevamente, a la
escorrenta superficial. Cuando la red menor acta en carga y la cota del terreno se ve
superada por el nivel piezomtrico del flujo en la red de colectores, SWMM 5.0
considera que el flujo saliente se pierde del sistema.

77
7.2 Anlisis comparativo de los resultados obtenidos mediante el
modelo Dual y el modelo Tradicional para lluvias registradas
Mediante la comparacin de los hidrogramas de caudal computados a partir de
los dos modelos elaborados se pretende evaluar la influencia del uso de un modelo
Dual frente al uso del modelo Tradicional.
La variacin en el nivel de detalle requerido ha quedado demostrado a partir del
nmero de elementos que se ha tenido que definir durante la elaboracin de ambos
modelos (Tabla 7-2). Se destaca la incorporacin de dos nuevos elementos en el
modelo Dual como son los Outlets y los orificios que, como ya se ha comentado,
permiten modelar la entrada de flujo a travs de los imbornales presentes en la cuenca
y la salida de flujo desde el colector a la superficie a travs de los mismos imbornales
o de los pozos de registro cuando el nivel piezomtrico de la lmina de agua en los
colectores est por encima de la cota de la lmina de agua que circula por superficie
en el punto donde existe la reja.
Tabla 7-2.- Elementos necesarios para la elaboracin de los modelos mediante EPA
SWMM 5.0.
ELEMENTOS DUAL SIMPLE
Subcuencas 717 16
Nodos 380 43
Nodos de salida 2 1
Conductos 403 42
Orificios 296 -
Outlets 205 -

Para ambos modelos, los lmites de la cuenca de estudio son los mismos y, por
lo tanto, tambin lo es el rea total: 16.87ha.
A continuacin se adjuntan los grficos y tablas resumen donde se aprecian las
diferencias entre los datos observados y los obtenidos mediante el modelo Dual y el
modelo Tradicional. Es importante mencionar que los valores del volumen total que
aparecen en las tablas pertenecen a la escorrenta total en la salida de la cuenca a
travs del colector, es decir, sin tener en cuenta en el caso del modelo Dual el
volumen que sale de la cuenca por superficie, las prdidas por infiltracin en las reas
permeables o el almacenamiento final; y en el caso del modelo Tradicional no se
contabilizan las salidas de flujo de la red de colectores a travs de los nodos del
modelo cuando esta entra en carga.
Se observa que los hidrogramas obtenidos en la salida de la red de
alcantarillado tanto en el modelo Dual como en el Tradicional presentan un alto grado
de similitud. A modo general, se destaca un mejor ajuste del caudal pico en el caso del
modelo Simple, consiguiendo valores ligeramente ms elevados para este parmetro
que en el modelo Dual. Esto es debido a la metodologa de clculo que utiliza SWMM

78
5.0 para calcular la escorrenta en las subcuencas, basada en un modelo de depsitos
modificado con la Onda Cinemtica (modelo de Depsito No Lineal), que tiende a
laminar los picos de los hidrogramas frente a aumentos bruscos de intensidad de los
eventos de lluvia. Al disponer de un mayor nmero de subcuencas en el modelo Dual
se acenta la laminacin del caudal pico para esta modelizacin.
Las pocas diferencias entre ambos hidrogramas para cada evento de lluvia,
sumado al poco protagonismo que adoptan los elementos de captacin que solamente
intervienen como elementos de salida de flujo en 4 puntos para el evento ms intenso
(J ordi), no permiten hacer una evaluacin correcta de los beneficios o inconvenientes
del uso de un modelo Dual para el estudio de una cuenca urbana frente un modelo
Tradicional.
En las pginas siguientes se agrupan los hidrogramas y las tablas de
resultados para todos los eventos estudiados: J ordi (Figura 7-1 y Tabla 7-3), Efrn
(Figura 7-2 y Tabla 7-4), Fidel (Figura 7-3 y Tabla 7-5), Martina (Figura 7-4 y Tabla 7-
6) y Susana (Figura 7-5 y Tabla 7-7).

Figura 7-1.- Hidrogramas en la salida de la cuenca para el evento de lluvia Jordi.

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Tiempo(h)
Caudal observado
Caudal calculado con modelo DUAL
Caudal calculado con modelo SIMPLE

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observados (Jordi).
JORDI Observado
DUAL TRADICIONAL
Calculado % Calculado %
Vtotal (m3) 1011.42 1036.55 -2.48 956.06 5.47
Qpico (l/s) 1014.00 671.30 33.80 705.35 30.44
Tpico (h:m) 1:09 1:10 -1.45 1:10 -1.45

Figura 7-2.- Hidrogramas en la salida de la cuenca para el evento de lluvia Efrn.

observados (Efrn).
EFRN Observado
DUAL TRADICIONAL
Vtotal (m3) 402.96 373.03 7.43 372.38 7.59
Qpico (l/s) 463 312.73 32.46 347.32 24.99
Tpico (h:m) 1:10 1:06 5.71 1:03 10
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Figura 7-3.- Hidrogramas en la salida de la cuenca para el evento de lluvia Fidel.

observados (Fidel).
FIDEL Observado
DUAL TRADICIONAL
Vtotal (m3) 622.44 565.01 9.23 542.83 12.79
Qpico (l/s) 212 177.89 16.09 170.11 19.76
Tpico (h:m) 2:29 2:26 2.01 2:25 2.68

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Figura 7-4.- Hidrogramas en la salida de la cuenca para el evento de lluvia Martina.

observados (Jordi).
MARTINA Observado
DUAL TRADICIONAL
Vtotal (m3) 385.98 357.87 7.28 347.96 9.85
Qpico (l/s) 161 172.34 -7.04 164.01 -1.87
Tpico (h:m) 1:32 1:31 1.09 1:30 2.17

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Figura 7-5.- Hidrogramas en la salida de la cuenca para el evento de lluvia Susana.

observados (Susana).
SUSANA Observado
DUAL TRADICIONAL
Vtotal (m3) 343.2 369.17 -7.57 365.37 -6.46
Qpico (l/s) 446 279.68 37.29 351.39 21.21
Tpico (h:m) 0:21 0:21 0 0:21 0.00

7.3 Anlisis comparativo de los resultados obtenidos mediante el
Modelo Dual y el Modelo Tradicional para eventos de lluvia
extremos
Vistos los resultados obtenidos en el apartado anterior, donde la participacin
de los imbornales y pozos de registro en la salida de flujo desde el colector a la
superficie es prcticamente inexistente, se utilizarn, a continuacin, tres tormentas de
proyecto que representan eventos de lluvia extremos, cuyos volmenes de escorrenta
e intensidades mximas permitirn observar la continua interaccin entre ambas
redes, superficial y subterrnea. Las tormentas de proyecto que se usarn para el
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Caudal observado

83
estudio son las de periodo de retorno de 2, 5 y 10 aos, eventos usuales en el diseo
y anlisis de redes de alcantarillado.
7.3.1 Clculo de las tormentas de proyecto.
Debido a la ubicacin de la cuenca de La Riereta (Sant Boi de Llobregat), para
obtener la tormenta de proyecto se partir de la familia de curvas IDF (Intensidad-
Duracin-Frecuencia) del observatorio Barcelona-Fabra, basada en series de
precipitaciones registradas entre los aos 1927 y 1993 en dicho observatorio. Esta
familia de curvas est descrita por las siguientes expresiones:
I = o + b (ln(I + 1))
c

o = -78.1S9u c
-0.0396

b = 9889.uu68 ( + 17.S611)
-1.2395

c = u.uu2S + u.Su27
donde I es la intensidad (mm/h), I el perodo de retorno (aos), la duracin de la
lluvia (min) y o, b y c son coeficientes dependientes de la duracin. Se ha considerado
que la duracin de los eventos es de una hora (aproximadamente el tiempo de
concentracin de la cuenca).
Una vez obtenidas las intensidades de las IDF para cada periodo de retorno se
busca la tormenta de proyecto mediante el mtodo de los Bloques Alternados para 2
aos (Figura 7-6), 5 aos (Figura 7-7) y 10 aos (Figura 7-8). Los intervalos de cada
bloque sern de 5 min y se considerar que el intervalo de intensidad mxima se
produce a los 25 minutos del inicio de la tormenta. En la Tabla 7-8 se agrupan las
caractersticas de cada tormenta.

Figura 7-6.- Tormenta de proyecto para T=2 aos.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00
I
n
t
e
n
s
i
d
a
d

(
m
m
/
h
)
Tiempo (h:m)

84



Tabla 7-8.- Caractersticas de las tormentas de proyecto.
T
(aos)
Volumen total
(m
3
)
Intensidad
mxima (mm/h)
Duracin
(h:m)
2 6706.02 149.30 1:00
5 8613.93 188.25 1:00
10 9966.10 209.45 1:00

0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00
I
n
t
e
n
s
i
d
a
d

(
m
m
/
h
)
Tiempo (h:m)
0
50
100
150
200
250
0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 0:50 0:55 1:00
I
n
t
e
n
s
i
d
a
d

(
m
m
/
h
)
Tiempo (h:m)

85
Para encontrar la lluvia neta se aplicar, a la tormenta de proyecto obtenida,
unas prdidas constantes en el tiempo y en el espacio de 3mm/h. Este valor ha sido
escogido basndonos en el rango de valores de prdidas necesarios para la
calibracin del modelo en el captulo anterior: 3-6mm.
7.3.2 Anlisis de los resultados obtenidos
Haciendo uso de las tormentas de proyecto de periodo de retorno de 2, 5 y 10
aos como datos de entrada para los modelos elaborados (Tradicional y Dual) se
obtienen los hidrogramas de caudal en la salida de la cuenca por el colector (Figura
7-9, Figura 7-10 y Figura 7-11, respectivamente).

proyecto T=2 aos.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0
:
0
0
0
:
1
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:
3
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:
4
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1
:
0
0
1
:
1
5
1
:
3
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:
4
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2
:
0
0
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:
1
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2
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3
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4
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3
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0
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:
1
5
3
:
3
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3
:
4
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4
:
0
0
4
:
1
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4
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:
4
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:
0
0
5
:
1
5
5
:
3
0
5
:
4
5
6
:
0
0
C
a
u
d
a
l
(
l
/
s
)
Tiempo(h)

86

proyecto T=5 aos.

proyecto T=10 aos.
Se aprecia una similitud entre ambos hidrogramas en todos los casos, siendo
los picos de la misma forma y pendientes a pesar de que el caudal pico del modelo
Simple (rojo) es entre un 10 y un 15% superior al registrado en el modelo Dual (azul).
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0
:
0
0
0
:
1
5
0
:
3
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0
:
4
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1
:
0
0
1
:
1
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1
:
3
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1
:
4
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2
:
0
0
2
:
1
5
2
:
3
0
2
:
4
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3
:
0
0
3
:
1
5
3
:
3
0
3
:
4
5
4
:
0
0
4
:
1
5
4
:
3
0
4
:
4
5
5
:
0
0
5
:
1
5
5
:
3
0
5
:
4
5
6
:
0
0
C
a
u
d
a
l
(
l
/
s
)
Tiempo(h)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0
:
0
0
0
:
1
5
0
:
3
0
0
:
4
5
1
:
0
0
1
:
1
5
1
:
3
0
1
:
4
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:
0
0
2
:
1
5
2
:
3
0
2
:
4
5
3
:
0
0
3
:
1
5
3
:
3
0
3
:
4
5
4
:
0
0
4
:
1
5
4
:
3
0
4
:
4
5
5
:
0
0
5
:
1
5
5
:
3
0
5
:
4
5
6
:
0
0
C
a
u
d
a
l
(
l
/
s
)
Tiempo(h)

87
La coincidencia casi absoluta de los hidrogramas entre el instante inicial y el 0:45h se
debe al comportamiento a presin del sistema de colectores durante este periodo. A
partir del instante 0:45h el hidrograma de caudal del modelo Dual (azul) presenta
valores ligeramente superiores pues el volumen de agua que haba salido a la
superficie durante el periodo en que la red funcionaba a presin y haba pasado a
formar parte del flujo superficial, se introduce nuevamente en los colectores a travs
de los sumideros que encuentra en su camino y contribuye al volumen total que sale
por el colector. Los volmenes totales registrados en la salida de la red de colectores
para el modelo Dual son entre un 20 y un 30% superiores a los del modelo Simple. En
la Tabla 7-9 se resumen los valores ms relevantes de estas series de datos:
Tabla 7-9.- Resultados obtenidos en la salida del colector para las distintas lluvias de
proyecto.
DUAL SIMPLE
T (aos) 2 5 10 2 5 10
Vtot (m
3
) 5783.49 7500.94 8680.54 4801.48 5980 6762.50
Qpico (l/s) 3601.04 4166.57 4464.32 4013.51 4765.99 5208.66
Tpico (h:m) 00:30 00:30 00:30 00:30 00:30 00:30

En la Tabla 7-10 se agrupan los valores de los errores de continuidad
obtenidos para las simulaciones de las lluvias de proyecto para ambas
modelizaciones.
Tabla 7-10.- Errores de continuidad obtenidos para las lluvias de proyecto.
LLUVIA
DUAL TRADICIONAL
Surface Runoff
Error
Flow Routing
Error
Surface Runoff
Error
Flow Routing
Error
T=2 -0.17% 3.17% -0.14% 0.04%
T=5 -0.16% 3.66% -0.13% 0.03%
T=10 -0.16% 4.23% -0.13% 0.03%

El ms que notable incremento del Flow Routing Error para el modelo Dual
respecto los valores obtenidos al simular el modelo Tradicional se explican por la
incorporacin de elementos tipo orificio para simular la salida de flujo a travs de los
sumideros en la primera modelizacin. La ecuacin que SWMM utiliza para simular la
transferencia de caudal a travs de ellos provoca, para diferencias de altura
importantes, la aparicin de inestabilidades. Se considera que estos errores son
aceptables pues se encuentran por debajo del umbral del 5%.
Los porcentajes de errores de continuidad obtenidos para las tormentas de
proyecto en el modelo Dual no eran, inicialmente, los agrupados en la Tabla 7-10 sino
que eran muy superiores a ellos (alcanzaban valores del 12-15%). Aparecan como
consecuencia de la presencia de orificios que modelaban la salida de flujo a la

88
superficie en las rejas contiguas al pozo P70. Este pozo, debido a la geometra
longitudinal de la calle y del colector, presenta graves problemas de inundacin como
se ver ms adelante. Con el objetivo de reducir los errores hasta el punto de alcanzar
valores aceptables, no se consider la reja en el modelo y se permiti el
almacenamiento superficial del mismo volumen de agua que saldra en un depsito
imaginario que reproduce la geometra de la calle. El volumen almacenado se
introduce nuevamente a la red de colectores cuando la capacidad de transporte de la
red lo permite.
Los volmenes totales precipitados para ambos modelos registran valores muy
similares como se aprecia en la Tabla 7-11. Estos valores se calculan partiendo del
rea total de la cuenca, cuyo valor es el mismo para ambos casos (16.87ha), y del
volumen de precipitacin por unidad de rea. La causa de esta diferencia es la
consideracin, en el modelo Dual, de la lluvia bruta como dato de entrada para las
subcuencas que se han considerado permeables y que, posteriormente, se les ha
aplicado el mtodo de Horton para calcular las prdidas. Las zonas permeables
cubren un rea total de 0.77ha y han sido incorporadas en el Modelo 2 de la
modelizacin Dual. Al resto de subcuencas del modelo Dual, como ya se ha
comentado, se les ha introducido directamente, como datos de entrada, la lluvia neta.
Por lo tanto, el valor de precipitacin del Modelo 2 se obtiene calculando la media
ponderada a partir de las reas de la zona permeable e impermeable y la precipitacin
bruta y neta.
Es importante recordar que para facilitar el trabajo con el software durante la
elaboracin del modelo Dual se descompuso ste en dos: el Modelo 1 que agrupaba
todos los tejados conectados directamente a la red de alcantarillado y el Modelo 2
donde se consideraban todos los tejados restantes, as como las superficies de calle o
acera. Por este motivo, para el clculo del volumen de lluvia precipitada para el caso
dual se han detallado todas las caractersticas para cada uno de estos submodelos.
Tabla 7-11.- Volumen de lluvia precipitada.
DUAL
PERIODO DE RETORNO (aos) 2 5 10
REA (ha)
MODELO 1 10.4 10.4 10.4
MODELO 2 6.47 6.47 6.47
PRECIPITACIN (mm)
MODELO 1 36.76 48.08 56.07
MODELO 2 37.12 48.43 56.43
VOLUMEN PRECIPITADO (m
3
) CONJ UNTO 6225.53 8134.25 9483.00
TRADICIONAL
PERIODO DE RETORNO (aos) 2 5 10
REA (ha) 16.87 16.87 16.87
PRECIPITACIN (mm) 36.76 48.08 56.07
VOLUMEN PRECIPITADO (m
3
) 6202.48 8111.21 9459.96

89
Siguiendo con el anlisis entre ambos modelos, se comparan los datos de
salida. Segn el tipo de modelizacin utilizada se contemplan distintas opciones para
cuantificar la salida de flujo o el volumen retenido en la cuenca. Los valores resumidos
en la Tabla 7-12 permitirn reconocer donde reside la principal diferencia entre ambos
modelos.
Tabla 7-12.- Volumen de escorrenta que sale de la cuenca.
DUAL
T (aos) 2 5 10
Salida por colector (m
3
) 5783.49 7500.94 8680.54
Salida por superficie (m
3
) 116.07 177.79 228.35
Vol. Alamacenado en calles/colectores (m
3
) 12 12 12
Vol. almacenado en subcuencas (m
3
) 0.89 0.96 1.02
Prdidas por infiltracin (m
3
) 3.02 3.03 3.05
TOTAL (m
3
) 5915.47 7694.72 8924.96
TRADICIONAL
T (aos) 2 5 10
Salida por colector (m
3
) 4801.48 5980.30 6762.51
Volumen perdido en los nodos (m
3
) 1396 2129 2685
Vol. Alamacenado en colectores (m
3
) 12 12 12
Vol. almacenado en subcuencas (m
3
) 0.84 0.84 0.84
TOTAL (m
3
) 6210.33 8122.14 9460.35

Para el modelo Dual existen cinco posibles salidas de flujo de la cuenca, siendo
las dos ms importantes la salida a travs del colector o por superficie. Para las tres
tormentas de proyecto, aproximadamente, un 92% del volumen total de precipitacin
sale de la cuenca a travs del colector final y un 2% del mismo volumen abandona la
cuenca por la superficie de la calle final del modelo (la calle del extremo aguas debajo
de la cuenca).
Por otro lado, esta modelizacin tambin permite contabilizar el volumen final
almacenado en las calles y colectores o en las subcuencas y, finalmente, las prdidas
por infiltracin en las zonas permeables. El volumen almacenado en las calles y
colectores se debe a la presencia de puntos bajos donde se acumula agua que,
debido a la configuracin en elevacin de los conductos existentes, es imposible de
evacuar a lo largo de la simulacin. Este volumen se almacena casi en su totalidad en
las calles y colectores situados en la esquina de las calles Francesc Maci y
Cerdenya. La suma de los volmenes que se consideran salidas del sistema mediante
uno de estos tres caminos no llega a representar un 1% del volumen total y se pueden
considerar despreciable. El 5% del volumen precipitado restante representa el error
propio del clculo numrico de SWMM 5. Este error es propio del esquema numrico
que utiliza el programa (diferencias finitas, esquema explcito) y que se acenta ms

90
cuando existen elementos que condicionan las relaciones caudal/carga (tipo orificios)
en situaciones de flujo variable en el tiempo, como en este caso.
En el caso del modelo Tradicional, los mayores volmenes de salida se
registran por el colector o como prdidas del sistema a travs de los nodos de la red.
De la misma manera que para el modelo Dual, los otros volmenes calculados
(almacenado en colectores y en subcuencas) se desprecian. Es importante recordar
que se consideran prdidas del sistema al total del volumen que sale por los pozos de
la red de colectores, al entrar sta en carga y superar el nivel piezomtrico de la
lmina de agua del sistema menor la cota del terreno en ese punto. Segn el enfoque
del anlisis Tradicional, este volumen no contribuir nuevamente en el comportamiento
del sistema, es decir, se pierde del esquema del modelo.
A diferencia de lo que observbamos para el modelo Dual donde los
porcentajes de volmenes registrados por el colector y por superficie respecto el
volumen total precipitado se mantenan constantes independientemente de la tormenta
de proyecto, para el modelo Tradicional no es as (Tabla 7-13). Vemos cmo a mayor
intensidad de la tormenta, el porcentaje por el colector disminuye, aumentando
consecuentemente las prdidas del sistema. Este fenmeno se debe a la capacidad
de la red de colectores, invariante para todas las tormentas, que provoca un aumento
de las prdidas del sistema en trminos relativos y absolutos.
Tabla 7-13.- Porcentajes del volumen total precipitado para el modelo Simple.
T=2aos T=5aos T=10aos
Volumen que sale por el colector 77% 74% 72%
Volumen perdido en los nodos 23% 26% 28%

De la Tabla 7-13 podemos extraer otras conclusiones relevantes. Porcentajes
del 23-28% del volumen total, que no son para nada despreciables, no estn siendo
considerados y, en consecuencia, se est ignorando su efecto en la superficie de la
cuenca. Para lluvias de menores intensidades como las estudiadas en los captulos
anteriores los volmenes que se perdan del modelo no superaban el 4% del volumen
total y no provocaban grandes problemas en superficie pero, como se ver ms
adelante, volmenes de estas magnitudes pueden llegar a generar situaciones
peligrosas de inundacin para los vehculos o peatones.
Por lo tanto, la utilizacin de un modelo Simple para la simulacin de tormentas
donde se produce la salida de grandes cantidades de agua del sistema que
desaparece sin introducirse nuevamente en la red de alcantarillado, requiere un
estudio adicional del comportamiento de estos volmenes en superficie, para poder
estimar sus efectos sobre la superficie de la cuenca.
En la Figura 7-12 se ilustran los nodos de la red de colectores del modelo
Tradicional donde se produce salida de flujo para una lluvia de periodo de retorno de 2
aos. El dimetro de las redondas pretende simular la proporcin del volumen total

91
saliente en cada punto. Para las otras tormentas de proyecto las zonas donde se
produce salida de flujo coinciden pero los volmenes de prdidas son mayores.

Figura 7-12.- Nodos con salida de flujo de la red de colectores en el modelo Simple.
Esta limitacin que presenta el modelo Tradicional no se da en el modelo Dual.
Este haba sido elaborado considerando la red de colectores y la red de calles como
un nico sistema conectado en varios puntos por elementos que permiten la
transmisin de flujo. A partir de los resultados obtenidos de esta modelizacin se
puede conocer el comportamiento del flujo en superficie y el funcionamiento de los
elementos de captacin.
Los elementos que permiten la transmisin de flujo entre ambas redes en el
modelo Dual son los outlets (entrada) y los orificios (salida). La entrada, como ya se ha
comentado, solamente se contempla a travs de los sumideros a diferencia de la
salida que se puede dar a travs de los mismos sumideros o de los pozos de registro.
El comportamiento de todos ellos vendr determinado, como se ver a continuacin,
por la lluvia que se utilice como dato de entrada. En la Tabla 7-14 se detallan el

92
nmero de elementos a travs de los cuales se produce salida de flujo durante la
simulacin.
Tabla 7-14.- Elementos a travs de los cuales se produce salida de flujo en el modelo
Dual para las tormentas de proyecto.
T=2aos T=5aos T=10aos
N sumideros con salida de flujo 29 35 38
N pozos de registro con salida de flujo 1 1 1
N conductos actuando en carga 32 38 41

El hidrograma de flujo de entrada a la red de colectores a travs de un
elemento Outlet que representa la reja de captacin viene condicionado por las
caractersticas de la reja, las caractersticas de la calle donde esta se encuentra y el
flujo que circula por la calle. Por este motivo los volmenes captados por estos
elementos presentan valores que van de 0.212 m
3
(out168) a 279.94 m
3
(out113). El
out168 representa la entrada de flujo a travs de una reja convencional de tipo E-25
situada en la parte alta de la cuenca, concretamente en la calle de Sant J oan Bosco
que presenta una pendiente del 6%. Por otro lado, el out113 representa la macro-reja
ubicada en el tramo final de la calle J aume I, justo antes de la salida de la cuenca
(Figura 7-2). Este Outlet conecta el nodo en superficie Q4 que representa la reja de
captacin con el nodo de la red de colectores, P2, donde se introduce el flujo captado.

Figura 7-13.- Detalle del modelo Dual en el cruce de la C/ Jaume I con C/ Llus
Castells.

93
A continuacin se representa el hidrograma de caudal captado por el out113
para las tres tormentas de proyecto estudiadas (Figura 7-14). Se puede apreciar que a
mayor intensidad de la lluvia (mayor periodo de retorno) el volumen total y el caudal
punta aumentan. Como ya se ha comentado, para las tres lluvias de proyecto, la red
funciona a presin desde el instante inicial hasta, aproximadamente, el minuto 45. Esto
provoca que a mayor intensidad de lluvia se aprecie un mayor flujo por las calles y,
consecuentemente, mayores calados, dato del que hace uso EPA-SWMM para
calcular el caudal captado por el elemento Outlet.

Figura 7-14.- Hidrograma de caudal captado por la macro-reja de la C/ Jaume I.
Para los estudios que se realizarn a continuacin con el objetivo de entender
el comportamiento del flujo a travs de los elementos de conexin entre la red
superficial y la subterrnea se utilizarn los resultados obtenidos para la simulacin de
la tormenta de proyecto de periodo de retorno de 10 aos.
En algunos elementos de captacin se produce inversin del flujo, permitiendo
la salida de agua que se encuentra en la red de colectores al exterior. Este fenmeno
ocurre en 38 rejas del modelo pero para analizarlo nos fijaremos en una reja
convencional, de tipo E-25, situada en la calle Pare Pere de Piera (Figura 7-15). La
reja viene representada en superficie por el nodo Q64 y se encuentra conectada al
colector en el nodo P39. En la Figura 7-15 se aprecian los dos links que conectan
ambos nodos y representan el Outlet que permite la entrada de flujo (out48) y el orificio
que permite la salida (or48).

0
50
100
150
200
250
0
:
0
0
0
:
1
5
0
:
3
0
0
:
4
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1
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0
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1
:
1
5
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:
3
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4
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2
:
0
0
2
:
1
5
2
:
3
0
2
:
4
5
3
:
0
0
3
:
1
5
3
:
3
0
3
:
4
5
4
:
0
0
4
:
1
5
4
:
3
0
4
:
4
5
5
:
0
0
5
:
1
5
5
:
3
0
5
:
4
5
6
:
0
0
C
a
u
d
a
l
c
a
p
t
a
d
o
(
l
/
s
)
Tiempo(h)
T=2 aos
T=5 aos
T=10 aos

94

Figura 7-15.- Detalle del modelo Dual en la zona del cruce de la C/ Pare Pere de Piera
y C/ Llus Pascual Roca.
Los hidrogramas de entrada y salida de flujo vienen representados en la Figura
7-16. Para entender el fenmeno de inversin del flujo a travs del sumidero debemos
fijarnos en la Figura 7-17 que representa el nivel piezomtrico del flujo en el colector y
el nivel de la lmina de agua en superficie en ese punto. El caudal captado por la reja
va aumentando desde el minuto 6 hasta el 25 donde se alcanza el valor mximo de:
6.44l/s. Hasta ese mismo instante se aprecia como el nivel piezomtrico del flujo en
superficie ha ido aumentando suavemente a diferencia de lo que ocurre en el colector,
donde debido a la entrada en carga del sistema, se produce un aumento brusco del
nivel piezomtrico. A partir del minuto 26 y hasta alcanzar el minuto 27 de la
simulacin, el nivel piezomtrico del flujo en el colector permanece por encima del cota
del terreno (cota de vertido del elemento orificio) y, por lo tanto se produce inversin
del flujo a travs del sumidero, es decir, salida de agua del colector a la calle. A partir
del minuto 38, como consecuencia de la disminucin de presin en el colector,
empieza a bajar el nivel piezomtrico del flujo que circula por este, volvindose a situar
por debajo de la cota del terreno y permite, nuevamente, la entrada de flujo superficial
a la red menor hasta el instante 1:19h cuando deja de existir escorrenta en superficie.

95

Figura 7-16.- Caudal entrante y saliente por una reja E-25 situada en la C/ Pare Pere
de Piera.

Figura 7-17.- Nivel piezomtrico del flujo por la calle y por el colector en la reja 48.
La salida de flujo desde el colector a la calle tambin se puede producir a
travs de los pozos de registro. Solamente encontramos un pozo donde la presin en
el colector es suficiente para superar la oposicin que ejerce la tapa del pozo a la
salida del flujo. Dicho pozo de registro, representado por el nodo P72 en el modelo, se
sita en la calle Fracesc Maci entre la calle Cerdenya y la calle del Pintor Fortuny.
Para estudiar el comportamiento del flujo a travs de este elemento, se representa el
hidrograma de salida y el nivel piezomtrico del flujo en ambas redes, Figura 7-18 y
Figura 7-19 respectivamente.
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
0
:
0
0
0
:
1
5
0
:
3
0
0
:
4
5
1
:
0
0
1
:
1
5
1
:
3
0
1
:
4
5
2
:
0
0
2
:
1
5
2
:
3
0
2
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4
5
3
:
0
0
C
a
u
d
a
l
(
l
/
s
)
Tiempo(h)
Outlet 48
Orificio 48
24.5
24.7
24.9
25.1
25.3
25.5
25.7
25.9
26.1
26.3
26.5
0
:
0
0
0
:
1
5
0
:
3
0
0
:
4
5
1
:
0
0
1
:
1
5
1
:
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1
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4
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0
0
2
:
1
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3
0
2
:
4
5
3
:
0
0
C
o
t
a
p
i
e
z
o
m
t
r
i
c
a
(
m
)
Tiempo(h)
Nodo Q64
Nodo P39

96

Figura 7-18.- Flujo saliente a travs del pozo de registro 62.

Figura 7-19.- Nivel piezomtrico del flujo por la calle y por el colector en el pozo 62.
El volumen total saliente a travs del pozo de registro es de 16.31m
3
.
Comienza a producirse salida de agua a travs del pozo a partir del minuto 27 cuando
el nivel piezomtrico del flujo en el colector en ese punto es superior a la cota de
vertido fijada para el orificio que modela el pozo (26.46m). Esta cota, como ya se ha
comentado en captulos anteriores, viene definida por la cota del terreno en ese punto
ms la presin ejercida por la tapa del pozo (representada por una altura extra). La
salida de flujo se produce hasta el minuto 41 cuando baja la presin en el colector y, el
nivel piezomtrico del flujo en este vuelve, nuevamente, a situarse por debajo de la
cota de vertido.
0
5
10
15
20
25
30
35
0
:
0
0
0
:
1
5
0
:
3
0
0
:
4
5
1
:
0
0
1
:
1
5
1
:
3
0
1
:
4
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2
:
0
0
2
:
1
5
2
:
3
0
2
:
4
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3
:
0
0
3
:
1
5
3
:
3
0
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4
5
4
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0
0
4
:
1
5
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3
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4
5
5
:
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0
5
:
1
5
5
:
3
0
5
:
4
5
6
:
0
0
C
a
u
d
a
l
(
l
/
s
)
Tiempo(h)
23
23.5
24
24.5
25
25.5
26
26.5
27
0
:
0
0
0
:
1
5
0
:
3
0
0
:
4
5
1
:
0
0
1
:
1
5
1
:
3
0
1
:
4
5
2
:
0
0
2
:
1
5
2
:
3
0
2
:
4
5
3
:
0
0
3
:
1
5
3
:
3
0
3
:
4
5
4
:
0
0
4
:
1
5
4
:
3
0
4
:
4
5
5
:
0
0
5
:
1
5
5
:
3
0
5
:
4
5
6
:
0
0
C
o
t
a
p
i
e
z
o
m
t
r
i
c
a
(
m
)
Tiempo(h)
Nodo Q142
Nodo P72

97
7.4 Evaluacin del cumplimiento de los criterios de riesgo
El flujo en las calles producto de una precipitacin cada en el medio urbano
tiene consecuencias sobre las actividades ciudadanas. Calados elevados pueden
provocar inconvenientes a los peatones y a la circulacin de los vehculos y alcanzar
adems niveles que pueden inundar viviendas y comercios.
Otro problema asociado a la escorrenta en medio urbano es el riesgo derivado
de la capacidad de arrastre que supone un flujo con determinados valores de calado y
velocidad. Una velocidad elevada es un factor a destacar debido a su influencia con
respecto a la estabilidad al deslizamiento y al vuelco de un peatn, a la hora de cruzar
una calle. Por esto, el flujo circulante por calles y aceras tiene que ser tal que los
parmetros hidrulicos como calado, velocidad o combinaciones de los dos, se
mantengan por debajo de ciertos valores lmite aconsejables.
Existen criterios de seguridad relacionados al peligro de prdidas de vidas
humanas que se basan sobre la consideracin conjunta de los calados y velocidades
del flujo:
Criterio de estabilidad al deslizamiento (Nana, 1999): :
2
y 1 m
3
s
2

Criterio de estabilidad al vuelco (Gmez, 2008): : y u.4S m
2
s
Otros criterios, generalmente ms restrictivos, exigen el cumplimiento de dos
limitaciones para garantizar el nivel de servicio de la calle:
y < y
mux

: < :
mux

Por proximidad de la cuenca objeto de estudio a la ciudad de Barcelona, se
har uso de los criterios de riesgo asociados actualmente al flujo en la calle para
evaluar el sistema de drenaje en referencia a la lluvia con periodo de retorno de 10
aos en dicha ciudad:
y u.u6m
: 1.88ms
Observando los resultados obtenidos de la simulacin del modelo Dual para la
tormenta de proyecto de periodo de retorno de 10 aos se distinguen 32 nodos
pertenecientes a la red de calles que no cumplen el criterio de calado mximo (Tabla
7-15) y 8 tramos de calle que no cumplen el criterio de velocidad mxima establecidos
(Tabla 7-16).

98
Tabla 7-15.- Nodos que no cumplen el criterio de riesgo de calado mximo.
Nodo
Calado
mximo (m)
Q1 0.08
Q3 0.07
Q4 0.14
Q6 0.07
Q30 0.08
Q58 0.07
Q59 0.07
Q133 0.16
Q136 0.08
Q141 0.19
Q142 0.19
Q143 0.14
Q144 0.14
Q145 0.9
Q146 0.9
Q147 0.07
Q148 0.07
Q182 0.08
Q244 0.07
Q255 0.09
Q273 0.1
Q274 0.18
Q275 0.11
Q276 0.07
Q278 0.08
Q279 0.12
Q280 0.07
Q281 0.08
Q285 1
Q286 1
Q287 1
Q318 0.08

El criterio de calado mximo se ve violado, principalmente, en las zonas bajas
de la cuenca, prximas a la salida de la misma o en las calles que presentan
pendientes ms suaves (1-2%).
Los calados mximos se registran en la zona de la interseccin entre la C/
Cerdenya y la C/ Francesc Maci, llegando a alcanzan valores de 0.9-1m (Q285,
Q286, Q287, Q145 y Q146). Esta zona no se podra considerar representativa de lo

99
que sucede en superficie en toda la cuenca pues la presencia de calados tan grandes
es consecuencia de la existencia de un punto bajo en superficie y en la red de
colectores (ver Figura 7-20 y Figura 7-21). Calados de tal magnitud interfieren
completamente con las actividades que se producen en la superficie, pudiendo llegar a
causar daos graves en viviendas colindantes a la zona.

Figura 7-20.- Perfil longitudinal de la C/ Cerdenya y la C/ Francesc Maci entre los
nodos Q149 y Q142.

Figura 7-21.- Perfil longitudinal del colector que recorre la C/ Cerdenya y la C/
Francesc Maci entre los nodos P76 Y p67.

100
Los otros nodos donde se vulnera el criterio de calado mximo se localizan en
calles de pendiente suave como son la calle Francesc Maci o J aume I en su tramo
bajo que presentan pendientes del 1% y el 2%, respectivamente. En estos nodos se
registran calados entre 0.06m y 0.2m, valores ms propios de una cuenca urbana.
Estos calados pueden dificultar la circulacin de vehculos y, en algunos casos, llegar
a ser peligrosos para los peatones. El dao que puede llegar a causar sobre las
viviendas es mnimo pues el flujo que circula por estas calles mayoritariamente queda
confinado por los bordillos dentro de la seccin transversal de la calzada.
Por ltimo, destacar los calados en algunos nodos pertenecientes a las calles
que se ubican en la parte baja de la cuenca de La Riereta y presentan pendientes ms
variadas como son la calle de la Rutlla (1%), calle de Llus Castells (3%) y calle de les
Eres (7%). Los calados registrados en estos nodos son del orden de 0.07-0.08m,
valores muy prximos al umbral establecido como calado de riesgo (0.06m).
En la Figura 7-22 se representan los tramos de calles donde se ve superado el
criterio de riesgo de calado mximo. En rojo se observa la zona donde los calados
presentan los valores mximos 0.9-1m y en amarillo el conjunto de calles donde el
umbral de 0.06m se ve superado. El calado mximo registrado dentro de este rango
de valores (0.06-0.90m) es de 0.19m.

101

Figura 7-22.- Zonas donde no se cumple el criterio de calado mximo.

Tabla 7-16.- Conductos que no cumplen el criterio de riesgo de velocidad mxima.
Conducto Velocidad
mxima (m/s)
S1 2.09
S149 1.99
S161 2.04
S169 2.31
S170 1.96
S171 2.09
S419 2.17
S422 1.97

CALADOS:
0.06 - 0.90 m.
0.90 - 1.00 m.

102
De los ocho conductos donde se supera el criterio de velocidad mxima, seis
se encuentran ubicados a lo largo del tramo bajo de la calle J aume I y presentan unas
pendientes de entre el 2.5-5%. Los dos conductos restantes donde se viola esta
limitacin se encuentran en la calle de la Rutlla (S1) justo antes de la macro-reja previa
a la salida de la cuenca y en la calle Pompeu Fabra (S422). Todos ellos registran
caudales altos con unas puntas de entre 103 y 554 l/s y presentan rgimen
supercrtico. En la Figura 7-23 se ilustran en rojo las zonas donde el criterio de riesgo
de velocidad mxima en las calles se ve superado.

Figura 7-23.- Zonas donde no se cumple el criterio de velocidad mxima.
VELOCIDADES:
1.88 - 2.31 m.

Captulo 8: Conclusiones
103
Captulo 8. CONCLUSIONES

En este trabajo se ha planteado la comparacin entre el enfoque de clculo
hidrolgico e hidrulico convencional de una cuenca urbana frente a un nuevo
enfoque, el drenaje dual. El enfoque convencional asume, a la hora de realizar la
discretizacin de la cuenca en subcuencas, que toda la escorrenta entra en la red y,
no considera en el clculo hidrulico el volumen de agua que en algn momento sale
al exterior. Por otro lado, el enfoque dual simula el comportamiento conjunto de la red
de drenaje, la red de calles y las transferencias de caudal que se producen entre esas
dos capas. Este nuevo enfoque, posible con la ayuda de las herramientas de clculo
disponibles en la actualidad, supone un muy elevado nivel de detalle en la simulacin
de la superficie de la ciudad, considerando por ejemplo subcuencas del tamao de la
porcin de calzada existente entre sumideros consecutivos, con valores de pocos
cientos de metros cuadrados.
Para valorar las diferencias entre ambos enfoques de trabajo, se han elaborado
dos modelizaciones de la cuenca urbana de La Riereta en Sant Boi de Llobregat,
cuenca instrumentada desde finales de los aos 90, mediante el cdigo de dominio
pblico EPA-SWMM 5.0. Con ellas se pretende reproducir la respuesta hidrolgica de
la cuenca y el comportamiento hidrulico en las conducciones.
A continuacin se presentan las conclusiones generales respondiendo a los
objetivos planteados al inicio de la tesina y se plantean posibles lneas futuras de

104
investigacin sobre temas que han surgido a lo largo del trabajo y no se han
desarrollado en la presente tesina.

8.1 Conclusiones generales
Se han utilizado dos modelos de la cuenca, Tradicional y Dual, para estudiar el
comportamiento hidrolgico-hidrulico y se ha realizado un estudio comparativo de los
resultados obtenidos en ambos casos. Las principales conclusiones a las que se ha
llegado son:
La elaboracin de un modelo Dual, debido a la discretizacin en subcuencas de
reducidas dimensiones, requiere un muy buen conocimiento de la zona de
estudio en comparacin con la informacin que se requiere para un modelo
Tradicional donde se realiza una discretizacin ms grosera.
Para un modelo Dual, la calidad de los datos de base que hay que suministrar
al programa de clculo est todava ms en relacin directa con la confianza en
los datos finales que en el modelo Tradicional, por lo tanto, datos de partida
adecuados de lluvia, de caudales de escorrenta y de geometra de la red son
indispensables.
La transferencia de caudales entre el nivel calle y el nivel red de alcantarillado,
en ambos sentidos, se modela a travs de simular en detalle la hidrulica de
cada sumidero y de cada pozo de registro, para poder describir la entrada de
agua en la red y la salida al exterior en caso de entrada en carga de la misma.
La utilizacin de un modelo Dual supone un volumen y un tiempo de trabajo
adicional notable respecto utilizar un modelo Tradicional. El incremento del
tiempo de trabajo no es consecuencia de un aumento del tiempo de clculo con
el ordenador, sino del tiempo necesario para describir la cuenca
adecuadamente mediante las herramientas que el SWMM nos proporciona.
En el caso de simulacin de eventos de lluvia poco intensos, los hidrogramas
obtenidos en la salida de la cuenca por el colector para ambos modelos
(Tradicional y Dual) presentan valores de volmenes totales de escorrenta y
tiempos al pico muy prximos a los registrados para dichas series, siendo
siempre las errores relativos menores al 10%. No es el caso de los valores de
los caudales pico que, debido al modelo de clculo utilizado por el SWMM para
determinar la escorrenta en las subcuencas (modelo de depsitos modificado
con la Onda Cinemtica), tienden a ser menores (20-30%) que los observados.
La intervencin de los elementos tipo orificio que permiten la inversin del flujo
en el modelo Dual a travs de los elementos de captacin intervienen en
contadas ocasiones para estos eventos y los calados y velocidades que se
registran a lo largo de la simulacin en superficie son, a excepcin de un punto
de inundacin local, muy pequeos. Por lo tanto, siendo de mayor importancia

Captulo 8: Conclusiones
105
el ajuste del volumen total de escorrenta, conociendo los motivos de la
laminacin del caudal pico y sabiendo que el comportamiento del flujo en
superficie no presenta problemas significativos, podemos utilizar
indistintamente cualquiera de los dos modelos propuestos para eventos de baja
intensidad.
Para la simulacin de las tormentas de proyecto de 2, 5 y 10 aos, es decir,
para eventos de lluvia mucho ms intensos que los anteriores, si se utiliza el
modelo Tradicional los volmenes de flujo que salen del colector por los nodos
de la red cuando sta se encuentra funcionando en carga suponen un 20-30%
de los volmenes totales precipitados en cada caso. Estos volmenes, una vez
han abandonado el colector, no se volvern a considerar en ningn momento,
ignorando su comportamiento en superficie, los daos que provocan o si aguas
abajo existe la posibilidad de que se vuelvan a incorporar a la red subterrnea.
Por lo tanto, para eventos de grandes intensidades, si queremos conocer con
exactitud la interaccin entre la red menor y la red mayor o el comportamiento
del flujo en superficie, debemos hacer uso de un modelo Dual donde quedan
contemplados estos fenmenos. A partir de los resultados obtenidos, se puede
observar como casi la totalidad del flujo que sale de la red de colectores y pasa
a circular por la red de calles, se introduce nuevamente al sistema subterrneo,
siendo nicamente un 2% del volumen precipitado el que se evaca de la
cuenca por superficie.
Los errores de continuidad que aparecen son propios de la metodologa
numrica sobre la que se basa SWMM. El incremento de stos para la
simulacin de las tormentas de proyecto en el modelo Dual se debe a la
presencia de elementos tipo orificios para modelar la salida de flujo a travs de
los elementos de captacin que, en algunos casos, provoca la aparicin de
ligeras inestabilidades durante la transicin de flujos.
El agua que sale del sistema cuando entra en carga y que no es analizada
mediante la metodologa Tradicional, puede alcanzar calados y velocidades
que supongan un peligro para el peatn o inundaciones localizadas. Estos
problemas slo se detectan en caso de utilizar el enfoque de clculo Dual,
donde podemos evaluar los caudales, calados y velocidades del agua en
superficie en cualquier punto de la ciudad y en cualquier instante de tiempo.
Para diagnosticar el estado de la ciudad en caso de lluvias intensas, podemos
comparar los parmetros del flujo en calles con los criterios de riesgo que se
utilizan en medio urbano (calados o velocidades mximas, etc.) para evaluar el
grado de peligrosidad que supone para la poblacin esa tormenta en concreto.
El criterio de riesgo de calado mximo, para una tormenta de proyecto de
periodo de retorno de 10 aos, se ve superado principalmente en las zonas
bajas de la cuenca, prximas a la salida. Por otro lado, el cruce entre las calles

106
Francesc Maci y Cerdenya presenta un problema de inundacin local debido a
la presencia de un punto bajo en la red superficial y otro en la red subterrnea.
El criterio de riesgo de velocidad mxima, para una tormenta de proyecto de
periodo de retorno de 10 aos, nicamente se viola en la calle J aume I y en la
calle de la Rutlla donde encontramos rgimen supercrtico a lo largo de todos
los conductos que modelan la calle.

8.2 Futuras lneas de investigacin
Una vez planteada una primera modelizacin de la zona de estudio
considerando drenaje Dual se plantea la posibilidad de elaborar nuevos modelos
variando algunos de los elementos o de los parmetros utilizados.
Seguir trabajando en la definicin hidrulica ms precisa de los elementos de
intercambio de caudal, sumideros, pozos de registro, etc. entre la calle y la red
de alcantarillado.
Comparar el comportamiento de esa transferencia de caudal segn se utilicen
orificios de fondo o laterales, y vertederos, con objeto de evitar las
inestabilidades que a veces se presentan.
Ya a nivel del caso estudiado, se plantea la creacin de un nuevo modelo de la
cuenca de La Riereta donde no se haga uso de elementos tipo orificio para
modelar la salida de flujo de la red de colectores a la superficie y estos sean
sustituidos por elementos tipo vertedero.
El estudio de la caracterizacin de la salida de flujo a travs de las rejas de
captacin para que puedan ser modeladas mediante un elemento tipo outlet de
la misma manera que se ha hecho para modelar la entrada de flujo a travs de
ellas.

Captulo 9: Bibliografa
107
Captulo 9. BIBLIOGRAFA

ASCE (1982), Gravity Sanitary Sewer Design and Construction. ASCE Manual of
Practice. Vol. 60. ASCE, Nueva York.
Chow, V.T. (1994), Hidrulica de canales abiertos. McGraw-Hill, Santa Fe de Bogot.
Cunge, J .A., Holly, F.M. J r. y Verwey, A. (1980), Practical aspects of computational
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Djordjevic, S., Prodanovic, D., Maksimovic, C., Ivetic, M., Savic, D. (2005), SIPSON
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Gmez, M. (2008), Curso de Hidrologa Urbana. Departamento de Ingeniera
Hidrulica, Martima y Ambiental. Universitat Politcnica de Catalunya, Barcelona.
Gmez, M. y Dolz, J . (1994), Problemtica del drenaje de aguas pluviales en zonas
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Ingeniera Hidrulica, Martima y Ambiental. E.T.S. Ingeniera de Caminos, Canales y
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Gmez, M. y Russo, B. (2005). Comparative study of methodologies to determine inlet
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108
Leandro, J ., Chen, A.S., Djordjevic, S., Savic, D.A. (2009), Comparison of 1D/1D and
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Leandro, J ., Djordjevic, S., Chen, A.S., Savic, D. (2007), The use of multiple-linking-
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Congress International Association for Hydraulic Research, Vol. 1, pp.204.
Nana, L. (1999), Metodologa numrico-experimental para el anlisis del riesgo
asociado a la escorrenta pluvial en una red de calles. Tesina de especialidad
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Nasello, C. y Tucciarelli, T. (2005), Dual Multilevel Urban Drainage Model. Journal of
Hydraulic Engineering-ASCE, Vol. 131, No.9, pp. 748-754.
Schmitt, T.G., Thomas, M., Ettrich, N. (2004), Analysis and modeling of flooding in
urban drainage systems. Journal of Hydrology, Vol. 299, pp. 300-311.

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