Hidrología Urbana
Consideraciones en alcantarillados pluviales • Redes Secundarias – Recole Recolecta ctann las aguas aguas y las llev llevan an a una una red primaria. – El perío período do de retor retorno no de la torm tormenta enta de de diseño diseño es 2 a 10 años – Esta Esta compues compuesto to por sumi sumider deros os y conduc conductos tos..
) 9 4 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Consideraciones en alcantarillados pluviales • Redes Secundarias – Recole Recolecta ctann las aguas aguas y las llev llevan an a una una red primaria. – El perío período do de retor retorno no de la torm tormenta enta de de diseño diseño es 2 a 10 años – Esta Esta compues compuesto to por sumi sumider deros os y conduc conductos tos..
) 9 4 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Consideraciones en alcantarillados pluviales • Redes Primarias – Transporta Transportann las aguas de los los sistem sistemas as secundar secundarios ios hasta las plantas o cuerpos de agua naturales. – El perío período do de retor retorno no de la torm tormenta enta de de diseño diseño es de 100 años normalmente – Esta compuesto compuesto por por box-culv box-culverts, erts, puentes, puentes, tanques tanques de retención – Si este este sist sistem emaa falla falla pueden pueden habe haberr daños daños en propiedades y vidas humanas.
) 0 5 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Período de Retorno • Tiempo promedio en el cual un evento es igualado o excedido
1 P (X ≥ x T ) = T ) 1 5 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Períodos de Retorno Sugeridos Estructura
Período de Retorno
Alcantarillas de carreteras Tráfico bajo 5-10 Tráfico medio 10-25 Tráfico alto 50-100
Aeropuertos Volúmen bajo Volúmen medio Volúmen alto
5 -10 10-25 50-100
Puentes Sistema Secundario Sistema Primario
Drenaje Agrícola Culverts Surcos
5-50 5-50
Drenaje Urbano Ciudades pequeñas Ciudades grandes
2-25 25-50
Estructura
Período de Retorno
10-50 50-100
) 2 5 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Períodos de Retorno RAS Características del área de drenaje
Mínimo (años)
Aceptable (años)
Recomendado (años)
Tramos iniciales en zonas residenciales con áreas tributarias menores de 2 ha
2
2
3
Tramos iniciales en zonas comerciales o industriales, con áreas tributarias menores de 2 ha
2
3
5
Tramos de alcantarillado con áreas tributarias entre 2 y 10 ha
2
3
5
Tramos de alcantarillado con áreas tributarias mayores de 10 ha
5
5
10
Canales abiertos en zonas planas y que drenan áreas mayores de 1000 ha *
10
25
25
Canales abiertos en zonas montañosas (alta velocidad) o a media ladera, que drenan áreas mayores a 1000 ha
25
25
50
*Parte revestida a 10 años, más borde libre a 100 años
) 3 5 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Longitud de Series Recomendadas • Diseño y Planeación – Alcantarillados: Mayor a 10 años – Alivios (CSO) : Mayor a 5 años
• Control y Evaluación – Alcantarillados: Mayor a 20 años – Alivios (CSO): Mayor a 10 años
) 4 5 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Precipitación – Cuenca – Escorrentía (PCE) INSUMO
Precipitación
Cuenca Caudal PRODUCTO PROCESO
) 5 5 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Precipitación – Cuenca – Escorrentía (PCE) Hietograma CUENCA
Hidrograma
) 6 5 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Hietograma • Es la representación gráfica de una lluvia. • Expresa la intensidad de una lluvia (mm/hr) distribuida en el tiempo. • Se obtiene a partir de la medición de la precipitación.
) 7 5 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Relación entre un evento de lluvia y su respuesta COLECTOR AUTOPISTA NORTE Avenida Caracas - Calle 77. Pozo 2 Evento del 17 de Noviembre de 1999 P-Castillo
P-Gimnasio
Caudal
3000
3.0
2500
2.5
2000
2.0
) s p l ( l 1500 a d u a C
1.5 P total = 15.20 mm P total = 13.93 mm
1000
1.0
500
0.5
0
0.0 0 0 : 3 2
8 0 : 3 2
6 1 : 3 2
4 2 : 3 2
2 3 : 3 2
0 4 : 3 2
8 4 : 3 2
6 5 : 3 2
4 0 : 0
2 1 : 0
0 2 : 0
8 2 : 0
6 3 : 0
4 4 : 0
2 5 : 0
0 0 : 1
8 0 : 1
6 1 : 1
4 2 : 1
2 3 : 1
0 4 : 1
8 4 : 1
6 5 : 1
4 0 : 2
2 1 : 2
0 2 : 2
8 2 : 2
6 3 : 2
4 4 : 2
2 5 : 2
0 0 : 3
) n i m 2 e d s o l a v r e t n i ( ) m m ( n ó i c a t i p i c e r P
) 8 5 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Medición de Hietogramas
) 9 5 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Isoyetas Función de Base Radial
Kriging
) 0 6 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Hietograma de Precipitación Efectiva • La precipitación efectiva es aquella que genera escorrentía superficial, es decir la que no logra infiltrarse en el suelo. Esta cantidad de agua debe ser manejada por el sistema de Drenaje Urbano ) 1 6 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Curva IDF • Curva Intensidad - Duración - Frecuencia • Suelen ajustarse a la función de distribución de probabilidad de valor extremo Tipo I o Gumbel. • Estan basadas en en eventos seleccionados de 5, 10, 20, 30 , y más Minutos). – Se usan las profundidades máximas anuales. – O, las excendencias si la serie es pequeña.
• Cada una de estas series duraciones son ordenadas para calcular la curva IDF
) 2 6 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Curva IDF Curva IDF StatGraphics
206.3T 0.36 i= d 0.63
250.00 ) 200.00 h / m m150.00 ( d a d i 100.00 s n e t n 50.00 I
0.00 0
100
200
300
400
500
Duración (min)
T= 2 años
T=10 años
T= 25 años
T= 50 años
600
) 3 6 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Curva IDF • Según el RAS Obtención mínima de curvas IDF Nivel de complejidad del sistema
Bajo y medio
Sintética
Medio alto
Información pluviográfica regional
Alto
Información pluviográfica local
) 4 6 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Hidrograma • Es la la repr repres esen enta taci ción ón grá gráfi fica ca de de la dis distr trib ibuc ució iónn del caudal en el tiempo. Muestra Muestra el balance a largo plazo de la precipitación, la evaporación y el caudal de la cuenca. ) 5 6 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Hidrograma • Limbo ascendente: – Depende de las características características de la precipitación y la morfología de la cuenca
• Limbo de descendente: – Depende de las características morfológicas de la cuenca
) 6 6 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Inte In terracci ción ón - PCE • Resp Respue uest staa en un unaa cue cuenc ncaa por por su form formaa A B
Q
B A t
) 7 6 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Interacción - PCE • Respuesta en una cuenca por pendiente Mayor pendiente
Q Menor pendiente
t
) 8 6 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Interacción - PCE • Respuesta en una cuenca por permeabilidad Más impermeable
Q
Menos impermeable
t
) 9 6 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Interacción - PCE • Respuesta en una cuenca por humedad antecedente Más humedad Q Menos humedad
t
) 0 7 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Interacción - PCE • Respuesta en una cuenca por ubicación de la lluvia
Q Partes altas Partes bajas t
) 1 7 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Efectos de la Urbanización
) 2 7 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Efectos de la Urbanización
Q
t
) 3 7 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Efectos de la Urbanización
Q
t
) 4 7 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Efectos de la Urbanización
Q
t
) 5 7 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Método Racional
Método Racional • Considera una intensidad de precipitación constante durante todo el tiempo de lluvia • Supone que las precipitaciones causantes de problemas de inundación son aquellas de corta duración y gran intensidad. • Duración de la lluvia igual al tiempo de concentración de la cuenca. • i se obtiene a partir de la curva IDF de período de retorno escogido.
) 7 7 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Método Racional • Sistema Inglés – Q cfs – i in/hr – A acres – C entre 0 y 1
Q = CiA
• Sistema Internacional – Q L/s – i mm/hr – A Ha – C entre 0 y 1
Q = 2.78CiA
) 8 7 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Método Racional • Este método suele sobreestimar el caudal pico, y es por esta razón que no se recomienda para cuencas muy grandes, mayores a 10km 2. – Según el RAS máximo 700 Ha
• El caudal pico ocurre cuando toda el área de drenaje está contribuyendo. – Es decir, la intensidad correspondiente a un evento con duración igual al tiempo de concentración.
) 9 7 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Corrección de la intensidad • Para áreas grandes es posible corregir la intensidad determinada de la curva IDF de la siguiente manera Área de drenaje (Ha) 50-100 100-200 200-400 400-800 800-1600
Factor de reducción 0,99 0,95 0,93 0,90 0,88
) 0 8 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Factor de Escorrentía TIPO DE SUPERFICIE Cubiertas Pavimentos asfálticos y superficies de concreto Vías adoquinadas Zonas comerciales o industriales Residencial, con casas contiguas, predominio de zonas duras Residencial multifamiliar, con bloques contiguos y zonas duras entre éstos Residencial unifamiliar, con casas contiguos y predominio de jardines Residencial, con casas rodeadas de jardines o multifamiliares apreciablemente separados Residencial, con predominio de zonas verdes y parques cementerios Laderas sin vegetación Laderas con vegetación Parques recreacionales
C 0,75-0,95 0,70-0,95 0,70-0,85 0,60-0,95 0,75 0,60-0,75 0,40-0,60 0,45 0,30 0,60 0,30 0,20-0,35
) 1 8 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Factor de Escorrentía • Para algunos lugares del mundo se han determinado ecuaciones (regresiones estadisticas) que permiten determinar el coeficiente de escorrentía como función de parámetros de las cuencas. PR = 0.829 ⋅ PIMPERMEABLE + 25 ⋅ Inf SUELO + 0.078 ⋅ Ind HUMEDAD − 20.7 Inglaterra (Buttler)
) 2 8 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Duración de la tormenta • Con frecuencia se toma como duración de la tormenta el tiempo de concentración de la cuenca. • A partir de la morfología de la cuenca se han establecido algunas ecuaciones que simulan este efecto.
Tc = Tentrada al sistema + Tviaje en el sistema
) 3 8 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Tiempo de Entrada • Tiempo para que la escorrentía llegue al sumidero del colector (FAA – EEUUA) Te
=
0 . 707 ⋅ ( 1 . 1 − C ) ⋅ L 1 / 2 1/3
• Donde: – L = Longitud tramo – S = Pendiente tramo – C = Coeficiente de escorrentía
) 4 8 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Tiempo de Entrada • Kerby Lm Te = 144 . ⋅ 1 S 2
0.467
• Donde: – m= Retardo
Tipo de superficie
m
Impermeable
0,02
Suelo sin cobertura, compacto y liso
0,10
Superficie sin cobertura moderadamente rugosa
0,20
Pastos
0,30
Terrenos arborizados
0,70
Pastos densos
0,80
) 5 8 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Tiempo de Entrada • Tiempo de entrada al colector (SCS)
Lc Tt = 60 ⋅ Vs ) 6 8 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Tiempo de entrada • Vs esta dada por VS = a ⋅ S
1
2
Tipo de superficie
a
Bosque con sotobosque denso
0,70
Pastos y patios
2,00
Áreas cultivadas en surcos
2,70
Suelos desnudos
3,15
Áreas pavimentadas y tramos iniciales de quebradas
6,50
) 7 8 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Tiempo de Viaje • Tiempo de viaje en el colector (SCS) • Longitud recorrida a una velocidad dada
Lc Tt = 60 ⋅ V
) 8 8 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Tiempos de Concentracion • En algunas condiciones es posible estimar el tiempo de concentración de la cuenca de drenaje a partir de las ecuaciones empíricas utilizadas en cuencas naturales ) 9 8 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Ecuaciones • Hay muchas por su base física – Fórmula de Kirpich. – Fórmula Californiana (del U.S.B.R.). – Fórmula de Giandotti – Fórmula de Ventura-Heras – Fórmula de Passini. – Fórmula de Témez. – Fórmula California Culvert Practice.
) 0 9 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Fórmula de Kirpich. 0.77 -0.385 = 0.01947 T c L S
• Calcula el tiempo de concentración, Tc, en minutos – L la longitud del cauce principal de la cuenca, en metros – S la diferencia entre las dos elevaciones extremas de la cuenca, en metros, dividida por L (es decir, la pendiente promedio del recorrido principal en m/m).
) 1 9 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Fórmula de Californiana (del U.S.B.R.). T c = 0.066 (
L 1/2
0.77
)
• Tc es también en horas, – L y J la longitud y la pendiente promedio del cauce principal de la cuenca, en Km y en m/m, respectivamente.
) 2 9 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Fórmula de Giandotti T c =
4 A + 1.5 L 25.3 J L
• Proporciona el tiempo de concentración de la cuenca, Tc , en horas. – L y J los definidos anteriormente – A la superficie de la cuenca en Km2.
) 3 9 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Fórmula de Ventura-Heras 0.5
A α = T c J
0.04 ≤ α ≤ 0.13
• Tc, tiempo de concentración en horas – A y J los ya definidos anteriormente. ) 4 9 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Fórmula de Passini. β (A L )1/3 Tc = J0.5
0.04 ≤ β ≤ 0.13
• Tc el tiempo de concentración en horas – A, L y J los definidos anteriormente ) 5 9 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Fórmula de Témez L
0.76
T c = 0.3 ( 1/4 ) J
• Es la recomendada en España, para el método racional modificado • Se utiliza en el cálculo del hidrograma triangular de J.R.Témez. • Tc es el tiempo de concentración de la cuenca, en horas. – L es la longitud del cauce principal de la cuenca, en Km – J es la pendiente promedio de dicho recorrido en m/m
) 6 9 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Fórmula California Culvert Practice 11.9 L3 ) T c = 60 ( H
• Tc es el tiempo de concentración en minutos – L la longitud del curso de agua más largo, en millas, – H la diferencia de nivel entre la divisoria de aguas y el desagüe de la cuenca, en pies
) 7 9 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Resumen de Formulas
Mays 2005
) 8 9 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Resumen de Formulas
Mays 2005
) 9 9 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Resumen de Formulas
Mays 2005
) 0 0 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Método Racional - Limitaciones • No tiene en cuenta los volúmenes almacenados – No es útil si hay algún sistema de detención o algo similar en la cuenca
• El valor de C no tiene en cuenta el orden secuencial de zonas impermeables o no permeables
) 1 0 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Valores de C
) 2 0 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Valores de C
) 3 0 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Aguas Pluviales
Función • Rápida evacuación de aguas lluvias de las vías públicas. • Evitar generación de caudales excesivos en calzadas. • Evitar invasión de aguas lluvias a propiedades privadas y públicas. • Evitar acumulación de aguas en vías de tránsito. • Evitar paralización de tráfico en un evento fuerte de precipitación.
) 5 0 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Generación de la escorrentía • Hay dos efectos importantes – Perdidas iniciales: • • • •
Intercepción Almacenamiento en depresiones Infiltración Evaporación
– Precipitación Efectiva • Flujo sobre la superficie
) 6 0 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Escorrentía • Una vez determinado el caudal de escorrentía su movimiento sobre la cuenca debe ser calculado siguiendo métodos como el del Hidrograma Unitario ) 7 0 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Hidrograma Unitario - HU • Es el hidrograma de escorrentía superficial total resultante de un volumen unitario de lluvia efectiva, uniformemente distribuida en espacio y tiempo. • La altura de la lluvia neta corresponde a la altura de la escorrentía ∞
d ⋅ A = ∫ Q e ⋅ dt 0
) 8 0 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Consideraciones del HU • No hay variación estacional • Se supone que cualquier otra forma de lluvia es lineal e invariante • Lluvias de igual duración, producen hidrogramas de igual duración • Superposición • La escorrentía es proporcional a la intensidad. Q2 i2 = Q1 i1
) 9 0 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Superposición de HU
) 0 1 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Uso del HU con un Hietograma 1
2
Agregar un retraso
3
1
Hidrograma Salida
2
3
) 1 1 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Efectos de la Urbanización el Hidrograma Unitario
) 2 1 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Estimación del HU • Con frecuencia no se dispone de información para estimar el HU de una cuenca • En esta situación se hace necesario estimar el HU como un HU - sintetico ) 3 1 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
HU - Sintético • Algunos de estos métodos son lo de: – HU – Snyder – HU – Snyder Regionalizado • Útil para cuencas urbanas pequeñas
– HU – SCS – HU – SCS adimensional – HU – Williams & Hann – Otros
) 4 1 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Condicione Extremas • Velocidad mínima 0.75 m/S
• El esfuerzo cortante medio 3 N/m2
• Velocidad Máxima Tipo de material
V (m/s)
Ladrillo común
3,0
Ladrillo vitrificado y gres
5,0
Concreto
5,0
PVC
10,0 ) 5 1 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
Condiciones (EEUUA)
Mays 2005
) 6 1 1 ( o g r a m a C a s i S o t s u g u A
