Estudio Drenaje Pluvial Amh2012
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AMH XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRULICA
ACAPULCO, GUERRERO, MXICO, NOVIEMBRE 2012 AMH
Resumen
Se realiz una propuesta de diseo de un sistema de
alcantarillado pluvial, para la zona denominada La Condesa
del municipio de Guadalupe, Zac., donde se presentan
problemas de inundaciones en las calles de la zona, causando
molestias a los habitantes del lugar, afectando sus propiedades
y obstaculizando el trfico vehicular. El objetivo de este
trabajo fue proponer alternativas de solucin a la problemtica
de inundaciones que se presentan cada ao en temporada de
lluvias y obtener el costo del sistema pluvial ms adecuado,
aplicando dos metodologas diferentes, el mtodo Racional
Americano y el uso combinado de los modelos de simulacin
Watershed Modeling System (WMS) y Storm Water
Management Model (SWMM). La metodologa usada fue
aplicar el Mtodo Racional Americano (MRA), para obtener
los dimetros de las tuberas para la red inicial propuesta, para
una tormenta de diseo de dos aos de periodo de retorno,
considerando tubera de acero galvanizado y tubera de
concreto reforzado como materiales propuestos. Los
resultados de la aplicacin de ambas metodologas, muestran
diferencias importantes con respecto al comportamiento real,
del desarrollo del escurrimiento en las tuberas de la red de
alcantarillado pluvial, debido principalmente a las
simplificaciones que toma en cuenta el MRA para la
estimacin de los escurrimientos, respecto a los resultados de
las simulaciones realizadas en SWMM. Los modelos de
simulacin muestran que su uso permite predecir los puntos
crticos donde se pudiera presentar el problema de inundacin
y prever las medidas necesarias para solventar este problema,
se pueden simular diferentes escenarios de tormentas que
permiten predecir las zonas susceptibles de inundarse y se
pueden optimizar los dimetros de las tuberas, permitiendo
economizar en el diseo de los sistemas pluviales.
Palabras clave: Modelos simulacin, WMS, SWMM.
Introduccin
Segn datos del INEGI 2010, la zona habitacional conocida
como La Condesa, es la tercer rea urbana con mayor
crecimiento poblacional registrado en los ltimos cinco aos
en el pas, ha crecido en un 70%; sta zona colinda en su
parte oriente con el fraccionamiento Villas de Guadalupe.
El municipio de Guadalupe se ubica como el municipio con
mayor poblacin en el estado con 159 mil 991 habitantes, lo
que significa que tuvo un crecimiento del 27.3%. Aunque La
Condesa es en realidad una zona con varios fraccionamientos
que en total ocupan una superficie de 100 ha, donde se conoce
con ese nombre a la parte noreste de la cabecera municipal.
Problemtica
En la temporada de lluvias los escurrimientos son drenados
por las calles y avenidas. Los arroyos naturales han sido
alterados por las construcciones. Los habitantes de la zona
indican que no importa la intensidad de la lluvia a los pocos
minutos se incrementa el nivel del agua. La orientacin de las
avenidas son en el sentido de la pendiente del terreno por tanto
los escurrimientos transitan en esas avenidas, afectando el
trnsito de las personas y el trfico vehicular.
Figura 1. Principales escurrimientos calle del Derecho y Ave. La
Condesa.
En la parte baja de la zona urbana se encuentran localizadas
viviendas que obstruyen el escurrimiento proveniente de las
calles de la parte alta de la Condesa. Es de suponer que estas
viviendas sufren inundaciones por el flujo.
PROPUESTA DE DISEO DE UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO PLUVIAL USANDO SWMM
Gaytn Bautista Roberto1, Dzul Garca Oscar A.
1, Garca Hernndez Adn
2, H. Hotchkiss
Rollin3
(1) Docente-Investigador, Universidad Autnoma de Zacatecas, Ave. Ramn Lpez Velarde, No 801, Col.
Centro, CP 98000, Zacatecas, Zacatecas
(2) Estudiante Maestra, Universidad Autnoma de Zacatecas, Ave. Ramn Lpez Velarde, No 801, Col.
Centro, CP 98000, Zacatecas, Zacatecas
(3) Professor of Civil and Environmental Engineering,Brigham Young University, Provo, UT 84602-4028
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
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AMH XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRULICA
ACAPULCO, GUERRERO, MXICO, NOVIEMBRE 2012 AMH
Figura 2. Calle del Derecho.
Las inundaciones provocadas por el escurrimiento que se da
sobre las calles, alcanza tirantes de hasta 25 cm, iniciando en
la esquina de carretera a Sauceda de la Borda y Calle Camino
Real, fluyendo sobre la misma en direccin Este hasta las
calles Francisco Villa y calle de Del Derecho.
De igual forma, los escurrimientos que se presentan sobre la
Av. Condesa generan problemas en algunas viviendas y a los
peatones que pretenden cruzarla, producindose inundaciones
con tirantes de hasta 30 cm.
Figura 3. Avenida La Condesa.
En esta zona no existen sistemas pluviales que capten los
escurrimientos. Por ello, el objetivo del presente trabajo
considera desarrollar el estudio del sistema pluvial que
permita reducir las afectaciones a la poblacin y a sus bienes.
Descripcin de la zona de estudio
Las coordenadas de la zona de estudio son: WGS84 zona 13.
X = 756 447, y = 2 518 910, z = 2224 metros. La zona
denominada La Condesa es un rea que originalmente estaba
conformada por una superficie de 100 ha, formaba parte del
plan maestro de desarrollo urbano del municipio de
Guadalupe, planeada para albergar 3500 habitantes al final de
su construccin. En ella se ubican los fraccionamientos,
Camino Real, SPAUAZ, STUAZ, Fuentes, Valles I y II,
FTSE, Villarreal entre otros.
El mencionado sector se encuentra al noreste de la ciudad de
Guadalupe, en la salida a la comunidad de Sauceda de la
Borda, zona donde se ha dado el mayor crecimiento
poblacional del municipio de Guadalupe Zac. Es una zona con
pendientes suaves razn por la que ha tenido mucha demanda
para el desarrollo urbano habitacional.
Adems de los fraccionamientos mencionados en esta rea se
localizan otras colonias pobladas desde antes de la
urbanizacin de la zona la Condesa ubicadas en la parte alta de
la zona, mismas que en pocas de lluvias tambin drenan sus
escurrimientos pluviales a la zona de la Condesa, las colonias
son Tierra y Libertad primera y segunda seccin y la Fe,
abarcan una superficie de aproximadamente 70 ha.
La zona de estudio se localiza a 8 kilmetros de la ciudad de
Zacatecas en la zona oriente de ciudad de Guadalupe como se
observa en la figura 4.
Figura 4. Zona la Condesa Plan Maestro de Guadalupe Zac.
Mtodos y materiales
Se propuso desarrollar un proyecto de alcantarillado de aguas
pluviales que permita mitigar el problema de las inundaciones
en pocas de lluvia, basado en el uso de nuevas herramientas
de clculo como es la aplicacin del modelo de simulacin
denominado SWMM. La informacin meteorolgica utilizada
fue la de la estacin de Guadalupe Zac., con ella se defini la
tormenta de diseo y los hidrogramas de escurrimiento. La
zona se dividi en dos reas con diferentes coeficientes de
escurrimiento debido a que la zona aguas arriba, donde se
localiza la colonia Tierra y Libertad tiene asentamientos
urbanos menos desarrollados que en la zona de la Condesa,
donde sta se encuentra desarrollada al 100% actualmente, por
lo que los coeficientes de escurrimiento estimados son de 0.80
para Tierra y Libertad y de 0.90 para la Condesa, figura 5.
Figura 5. Zona Tierra y Libertad (verde) la Condesa (azul).
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El escurrimiento de la zona aguas arriba se consider que solo
es a travs de las calles, como nica va de desalojo de los
escurrimientos. La propuesta contempla el diseo de bocas de
tormenta ubicadas en el lmite superior del rea de estudio,
esto es sobre los cruceros de la colonia Tierra y Libertad que
colindan con la carretera a Sauceda de la Borda, las cuales
estarn conectadas al nuevo sistema de alcantarillado pluvial
de la zona de la Condesa.
Las bocas de tormenta propuestas sern tipo transversal de
dimensiones 2.00m x 5.00m conectadas a los pozos de visita
con tubera de 300 mm de PVC, para los cruceros de las calles
de la colonia la Fe, que colindan con la carretera a Sauceda de
la Borda y de piso para los dems cruceros de la zona de
dimensiones 0.60 x 1.20 m, utilizando acero estructural de
ngulos de 3x3x1/2 y con barras transversales de soleras de
1/2x3 con espaciamientos a cada 4 cm, como se muestra en la
figura 6.
Figura 6. Bocas de tormenta propuestas en la Condesa.
Se realiz un clculo previo en una hoja de clculo de excel
usando la metodologa tradicional del mtodo Racional
Americano y la ecuacin de Manning para el clculo del
dimetro de las tuberas. Se analizaron varias propuestas de
tuberas de diferentes materiales como acero galvanizado,
concreto reforzado y polietilenos de alta densidad (PEAD).
Posteriormente el modelo de la cuenca fue desarrollado
usando WMS (Watershed Modeling System), para la
obtencin de los parmetros hidrolgicos y las caractersticas
geomtricas de la cuenca, su delimitacin y el sentido de los
escurrimientos; luego el modelo fue exportado a SWMM
(Storm Water Management Model), donde se termin de
construir el modelo de la cuenca. El rea de drenaje fue
subdividida en subcuencas para cada entrada principal de la
red del sistema pluvial. La direccin de los escurrimientos fue
definida por el modelo de elevacin digital (DEM) obtenido
del continuo de elevaciones mexicano del Instituto Nacional
de Estadstica Geografa e Informtica (INEGI). Los
hidrogramas obtenidos con WMS fueron luego cargados al
modelo SWMM y los dimetros propuestos con el mtodo
Racional para cada tramo, de tal forma que los dimetros
fueron validados en el modelo SWMM. La informacin de la
elevacin de los cruceros fue cargada de forma manual en el
modelo SWMM, para luego realizar las corridas de
simulacin. Los dimetros y las elevaciones de los tubos
fueron ajustadas hasta cumplir con las especificaciones de los
materiales de las tuberas, hasta encontrar la tubera ms
adecuada y los dimetros requeridos, modificando los
coeficientes de escurrimiento requeridos por la ecuacin de
Manning.
Debido a la naturaleza del problema las alternativas de diseo
se centraron en la eleccin de las tuberas ms adecuadas
sobre la misma propuesta del sistema de red inicial.
En el anlisis de alternativas se tuvieron que cumplir con las
especificaciones del manual de agua potable alcantarillado y
saneamiento (MAPAS), de la Comisin Nacional del Agua,
se fij un tirante mximo de circulacin del 85% de su
dimetro total, adems las velocidades de circulacin no
deben ser mayores a 3 m/s, en tuberas de concreto, todo ello
para evitar que el sistema fluya bajo presin. La distancia
mxima permisible entre pozos de visita fue de 170 m y las
cotas de plantilla entre 1.00 y 1.50 m de profundidad. Una
consideracin adicional fue considerar el mnimo costo del
sistema, tomando en cuenta dos materiales distintos de la
tubera. Por lo que se eligieron el acero galvanizado y el
concreto reforzado, para realizar las comparaciones.
Se analizaron dos alternativas una red con tubera de acero
galvanizado y la otra de concreto reforzado. Primero se
analiz la tubera de acero galvanizado y despus la de
concreto reforzado. La tubera de acero galvanizado tiene un
coeficiente de rugosidad de Manning de n = 0.012 y acepta
velocidades de circulacin de hasta 5 m/s, mientras que la de
concreto reforzado n=0.013 y la velocidad mxima de 3 m/s.
El sistema propuesto consta de cuatro lneas principales de
tuberas que delimitan 8 subcuencas.
En el lmite de la colonia Tierra y Libertad con la Condesa su
ubicaron las bocas de tormenta que evitarn que el
escurrimiento proveniente de la colonia aguas arriba ingrese a
la zona de la Condesa como se muestra en la figura 7.
Figura 7. Subcuencas delimitadas con SWMM.
Resultados
El modelo construido en SWMM con fondo de una imagen de
Google Earth se muestra en la figura 8.
Figura 8. Subcuencas delimitadas con SWMM.
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El hidrograma de escurrimiento para gasto mximo se muestra
en la figura 9.
Figura 9. Hidrograma de escurrimiento para gasto mximo.
Los perfiles de los tirantes de circulacin para la alternativa 1,
se muestran en la figura 10.
Figura 5. Perfil del tirante hidrulico obtenido con SWMM.
El resumen de los parmetros hidrulicos de las dos
alternativas acero galvanizado y concreto reforzado se
presenta en las tablas 1 y 2 respectivamente. En la tabla 3 se
presenta al costo total de ambas alternativas.
Impacto ambiental
El impacto ambiental a corto plazo para la construccin del
sistema de tuberas incluye la contaminacin y la basura de la
construccin, as como la molestia de estar soportando el ruido
y los polvos de la construccin, que de otro modo no se
produce si la alternativa, fuera no construirlo. Los impactos a
largo plazo son ligeramente diferentes pues en lugar de existir
los escurrimientos por las calles, ests permanecern sin
inundaciones que molesten a la poblacin y a sus bienes
muebles e inmuebles. Considerando que es una zona muy
impermeable los beneficios alcanzados si se construye el
sistema sern en bien de la poblacin residente.
Por otro lado considerando la separacin de las aguas
pluviales por un sistema independiente, posibilita su uso
posterior en las zonas bajas de la cuenca como para su
almacenamiento en represas que puedan reusar el agua con
otros fines como riego de jardines en desarrollos futuros.
Tabla 1. Resumen alternativa 1 acero galvanizado
Nodo
inicial
Nodo
final
Dimetro
[]
Longitud
[]
Tirante
[%]
Flujo
[/]
15 14 1.07 400.00 0.63 931.78
14 12 1.52 400.00 0.85 2050.70
11 12 1.52 100.10 0.64 2428.60
10 11 1.52 99.84 0.79 1655.82
1 2 0.76 101.70 0.76 863.86
16 17 1.21 654.10 0.45 1827.59
12 13 1.52 509.70 0.69 5647.75
2 4 1.37 400.00 0.38 1775.92
9 8 1.21 461.80 0.29 665.97
17 18 1.37 487.50 0.73 4744.07
13 6 1.67 400.00 0.61 7885.61
4 5 1.67 467.70 0.40 3576.95
8 7 1.37 482.40 0.34 1585.69
18 6 2.44 400.00 0.77 8260.33
5 6 1.98 261.70 0.77 6908.94
7 5 1.37 221.30 0.80 2761.60
Tabla 2. Resumen alternativa 2 concreto reforzado
Nodo
inicial
Nodo
final
Dimetro
[]
Longitud
[]
Tirante
[%]
Flujo
[/]
15 14 1.07 400.00 0.52 939.81
14 12 1.52 400.00 0.64 2060.29
11 12 1.52 100.10 0.46 2244.21
10 11 1.52 99.84 0.63 1663.80
1 2 0.76 101.70 0.61 865.12
16 17 1.21 654.10 0.39 1845.42
12 13 1.52 509.70 0.57 5702.11
2 4 1.37 400.00 0.32 1786.29
9 8 1.21 461.80 0.25 672.91
17 18 1.37 487.50 0.59 4702.34
13 6 1.67 400.00 0.51 7893.95
4 5 1.67 467.70 0.35 3601.68
8 7 1.37 482.40 0.29 1606.28
18 6 2.44 400.00 0.62 8353.49
5 6 1.98 261.70 0.62 6929.88
7 5 1.37 221.30 0.64 2799.31
Tabla 3. Resumen costos alternativas 1 y 2
Concepto Importe 1 Importe 2
Demolicin de piso de concreto,
excavacin y
reposicin de piso de concreto hidrulico
26949, 149.82 26949, 149.82
Relleno de zanjas 1737, 593.89 1737, 593.89
Tuberia 25757,415.74 28 271, 834.03
Pozos caja 616, 025.40 839, 376.99
Costo total $ 55060, 184.85 $ 56060, 360.84
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Discusin
Se deduce fcilmente que las diferencias en costo son
relativamente pequeas considerando las dimensiones de la
zona pues solo son del orden de un milln de pesos ms cara
el concreto reforzado, que el acero galvanizado.
Sin embargo considerando las siguientes ventajas que tiene la
tubera de acero galvanizado sobre la tubera de concreto
reforzado, menor coeficiente de friccin de Maninng de n =
10.12, contra n = 0.013 para el concreto reforzado, lo que
permite mayor velocidad de circulacin en la tubera de acero
de hasta 5 m/s contra 3 m/s para la tubera de concreto
reforzado, tramos de 12 m de largo para el acero cuyo peso es
de tan solo la decima parte de un tramo del de concreto
reforzado del mismo dimetro, la colocacin de la tubera de
acero requiere maquinara liviana, el ancho de zanja requerido
es menor por sus delgados espesores de pared, es resistente a
los esfuerzos de comprensin, puede tener una duracin hasta
de cien aos, entre otras ventajas, se propone en este estudio el
uso de la tubera de acero galvanizado corrugado.
Respecto del comportamiento hidrulico de los diferentes
tipos de tuberas en las simulaciones realizadas, se pudo
observar que debido a las pendientes de algunos tramos, la
velocidad de circulacin en estos tramos de la tubera de
concreto, fueron superiores al lmite mximo permitido de
3m/s, sta razn tambin tuvo importancia relevante en la
decisin del tipo ms adecuado de tubera, pues al cumplir a
cabalidad la norma de velocidad, se tendra que profundizar
ms la excavacin para disminuir pendiente y por consiguiente
la velocidad, pero como la excavacin es un concepto que
impacta fuertemente el presupuesto se desech su uso en esta
propuesta.
Es muy importante destacar la importancia de conocer el
comportamiento de los tirantes de circulacin en las tuberas
durante toda la duracin de la tormenta analizada, pues de este
conocimiento es que se puede predecir s existen tramos de la
red pluvial que puedan desbordarse en la tormenta dada,
adems el modelo SWMM tiene la capacidad de realizar
simulacin continua o eventos aislados de precipitacin. Una
vez que se cuenta con el modelo de la red se pueden simular
escenarios diferentes de precipitacin y anticiparse al
comportamiento de la red pluvial.
Conclusiones
La modelacin de los sistemas de alcantarillado en programas
como el SWMM y el WMS, constituyen herramientas
poderosas en la simulacin del comportamiento de los
sistemas pluviales, pues los resultados obtenidos muestran las
variaciones de los tirantes de circulacin en cualquier evento
de precipitacin, permitiendo con ello tomar las medidas
preventivas necesarias antes de que las precipitaciones
ocasionen inundaciones en las reas analizadas.
Por otro lado considerando la separacin de las aguas
pluviales por un sistema independiente, posibilita su uso
posterior en las zonas bajas de la cuenca para su
almacenamiento en represas que puedan reusar el agua con
otros fines como riego de jardines en desarrollos futuros, lo
cual es la tendencia de la nueva visin de la hidrologa urbana,
que es modificar lo menos posible el comportamiento natural
de las cuencas urbanizadas.
Se recomienda el uso de modelos de simulacin como
SWMM, en el diseo de futuros sistemas de alcantarillado
sanitario y pluvial.
Se deduce que las diferencias en costo son relativamente
pequeas considerando las dimensiones de la zona pues solo
son del orden de un milln de pesos ms cara el concreto
reforzado que el acero galvanizado, sin embargo, las ventajas
del uso de la tubera de acero galvanizado sobre la tubera de
concreto reforzado, son muy evidentes y son las razones por
las que se decidi su uso en esta propuesta de proyecto.
Se recomienda el uso de tubera de acero galvanizado por las
ventajas que ofrece sobre la tubera de concreto reforzado.
Entre las que destacan se mencionan a continuacin: Es ms
liviano, los tramos son de 12 metros lo que reduce el nmero
de uniones por donde se puede fugar el agua o permitir el
ingreso del agua de los mantos freticos, se incrementa el
avance de la construccin de la obra, no se rompe la tubera,
requiere de maquinaria ms ligera para su colocacin, es ms
fcil su almacenaje, entre otras ventajas.
Una ventaja adicional en el uso del modelo SWMM, es que se
puede realizar simulacin continua lo cual es ventajoso
cuando se tienen tormentas frecuentes y el comportamiento es
diferente a cuando se tienen eventos aislados de precipitacin,
por las condiciones de humedad antecedente.
Referencias
1.- Bradley, A., Cooper, P., Potter, K. y Price, T. (1996).
Floodplain Mapping Using Continuous Hydrologic and
Hydraulic Simulation Models. Journal of Hydrologic
Engineering, 1 (2), 63-68.
2.- Choi, K. y Ball, J. (2002). Parameter estimation for urban
runoff modeling. Urban water, 4, 31-41.
2.- EPA USA (2005). Storm water management model Users
manual version 5.0. Water Supply and Water Resources
Division National Risk Management Research Laboratory
Cincinnati. (Traduccin al Espaol por GMMF), p 257.
3.- Guo, Y. P. y Adams, B. J. (1998). Hydrologic analysis of
urban catchments with event-based probabilistic models. 1.
Runoff volume. Water Resources Research, 34(12), 3421-
3431. 2. Peak discharge rate. Water Resources Research,
34(12), pp.3433-3443.
4.- Kibler, D. (1982). Urban Stormwater Hydrology. Water
Resources Monograph 7. Washington, USA: American
Geophysical Union.
5.- Puertas, J., Surez, J. y Cagiao, J. (2002). El sentido
fsico de los parmetros en la modelizacin numrica del
drenaje urbano. Ingeniera del agua, 9, 3, 269-278.
6.- WMS (2006. Watershed Modeling System Software V.7.1.
Brigham Young University. 242 Clyde Building. Provo,
UT 84602. [on line]: http://www.emrl.byu.edu/wms.htm
