ANEXO 4. ESTUDIO HIDROLÓGICO

Transcripción

1 ANEXO 4. ESTUDIO HIDROLÓGICO 0983P0R0-AN doc

2 1. INTRODUCCIÓN 2. BASES DE CÁLCULO DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE CONCENTRACIÓN DEFINICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN DIARI MÁXIMA (PD) INTENSIDAD DE PRECIPITACIÓN COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL MÁXIMO 3. MODELIZACIÓN Y ESTUDIO HIDRÁULICO MODELO PROCEDIMIENTO DEFINICIÓN DE LA GEOMETRÍA DEFINICIÓN DE LAS CONDICIONES DE CONTORNO AJUSTAMIENTOS Y REVISIÓN DEL SUMARIO DE AVISOS Y ERRORES SIMULACIÓN Y REPRESENTACIÓN DE LAS ZONAS INUNDABLES 3.3. SECCIONES TRANSVERSALES MODELADAS 0983P0R0-AN doc A04-2

3 1. INTRODUCCIÓN 2. BASES DE CÁLCULO La zona donde se pretende la instalación del colector que evacue las aguas residuales del sector urbanístico SUR-35 hasta la red municipal existente en la rotonda del Polígono El Segre, mediante hinca por debajo de la Autovía LL-11, la línea de FFCC Barcelona-Lleida y la Clamor de Els Canals-1, se encuentra situada en la margen izquierda de la Clamor dels Canals. La superficie de la cuenca de esta Clamor ha estado cuantificada en 129,51 Km 2, con un curso principal de 41,13 Km de longitud y un pendiente media de 0,0096 m/m. El grado de urbanización se ha cuantificado en un 2,35% del total de superficie de la cuenca, el cual representa Km 2, el umbral de escorrentía (P 0 ), calculado en base a los mapas de cubiertas del suelo (CREAF) a escala , es de 20,38 mm, resultando un umbral de escorrentía corregido (P 0) por el factor regional de 26,49 mm. El objetivo de este Anexo es el cálculo de los tiempos de concentración, coeficientes de escorrentía y caudales punta correspondientes a los diferentes períodos de retorno analizados (5, 10, 25, 50, 100 y 500 años). Los métodos de cálculo que se han utilizado se basan en las Recomanacions tècniques per a estudis d inundabilitat d àmbit local, publicades pel Departament de Medi Ambient Agència Catalana de l Aigua (2003). El método Racional de J.R. Témez es apto para cuencas inferiores a 200 km2 y rectificado por un coeficiente reductor, que diferencia las cuencas urbanas de las no urbanas y estás últimas entre rurales y urbanizadas. Se ha comprobado que a Cataluña esta fórmula da buenos resultados. Por otro lado se ha tenido en cuenta el efecto de la variación regional de la humedad en el suelo al inicio de las lluvias, dentro del ámbito de la cuenca de estudio, adoptando el valor de 1,3 para este factor regional, que multiplicará el umbral de escorrentía (P 0 ). DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE CONCENTRACIÓN Éste parámetro se define como el intervalo de tiempo que tarda en llegar a la zona de estudio una gota de agua caída en el punto más lejano de la cuenca natural. Para la realización del estudio de las cuencas se han utilizado los programas WMS 6.1 (Water Modelling System) y Hec-GeoHMS 1.0, contrastando los límites de la cuenca resultante con los planos a escala 1:5.000 del Instituto Cartográfico de Cataluña. Fórmulas utilizadas: 1.-Para cuencas rurales, con un grado de urbanización no superior al 4 % del área de la cuenca, se puede utilizar la fórmula siguiente: T C L 0,3 0,25 J 0,76 2.-Para cuencas rurales, con un grado de urbanización superior al 4 % del área de la cuenca y con urbanizaciones independientes que tengan una red de pluviales no unificada o completa y curso principal no revestido con material impermeable y de pequeña rugosidad, se puede utilizar la siguiente fórmula: Tc 1/(1 (2 )) * 0.3( L / j 0.25 ) P0R0-AN doc A04-3

4 3.-Para cuencas urbanas, con un grado de urbanización superior al 4 % del área de la cuenca con una red completa y/o curso principal canalizado, impermeable y de pequeña rugosidad, se utilizará la siguiente fórmula Dónde: Tc 1/1 3 (2 ) ) * 0.3( L / j 0.25 ) 0.76 Una vez obtenidos los valores de Pd para los períodos de retorno analizados, se ha de aplicar un coeficiente corrector sobre estos valores de lluvia, llamados coeficientes de simultaneidad (Ka). Estos coeficientes disminuyen el valor de la precipitación teniendo en cuenta que los datos están obtenidos en puntos concretos de la cuenca. Con el objetivo de determinar el coeficiente de simultaneidad (Ka) para la cuenca, se utiliza la siguiente fórmula: TC L j Es el tiempo de concentración de la cuenca natural, en horas Es la longitud del curso principal, en Km. Es la pendiente media del curso principal, en m/m Es el grado de urbanización de la cuenca, Km2/ Km2 K a K a 1 sis 1Km 1 log S /15 sis 1Km 2 2 L (km.) j (m/m) (Km 2 / Km 2 ) T C (h) 41,13 0,0096 2,35% 12,225 Dónde: K a S coeficiente de simultaneidad superficie de la cuenca, expresada en km2 DEFINICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN DIARIA MÁXIMA (P D ) El primer punto es definir el valor de la Precipitación máxima en 24 horas (Pd) para los diferentes períodos de retorno considerados. Los valores de pluviometría utilizados en este estudio, se han extraído de los planos de isomáximas de precipitación facilitados por la Agència Catalana de l Aigua (A.C.A.), superponiendo la cuenca, cuantificando la superficie entre isolíneas y calculando el valor ponderado de precipitación máxima para cada uno de los períodos de retorno considerados. Los valores obtenidos (Pd) son los siguientes, basados en la distribución SQR-Etmáx : INTENSIDAD DE PRECIPITACIÓN Con la finalidad de determinar la máxima intensidad de precipitación (I) se propone la fórmula: Si, I Id I Id 28 D 0,1 0, Período de retorno (años) Precipitación (mm) 5 51, , , , , ,85 Entonces, Pd Id 24 P' d I * 24 0,1 0,1 28 D P0R0-AN doc A04-4

5 Dónde: I I1 Id D Pd P d Intensidad de precipitación para una duración efectiva de una lluvia D horas correspondiente al período de retorno considerado, en mm/h. Intensidad horaria para el período de retorno considerado, que es la intensidad de precipitación para una duración efectiva de 1 hora, en mm/h. Intensidad media diaria para el período de retorno considerado, que es la intensidad de precipitación para una duración efectiva de la lluvia de un día, expresada en mm/h. duración efectiva de la lluvia para la que se quiere calcular la intensidad I. Esta duración efectiva D se expresa en horas. Precipitación máxima en un día Precipitación máxima corregida en un día El umbral de escorrentía ó P 0 es el factor que nos permite estimar la parte de precipitación que provocara escorrentía, es decir, la lluvia neta. Estos valores se encuentran tabulados en función de los tipos de suelo (A, B, C, D), de los tipos de uso del suelo, de la pendiente y de las características hidrológicas. Ver tabla 1. Para corregir los efectos de variación regional de la humedad del suelo en el ámbito de las cuencas, al valor de P 0 se debe de multiplicar por un factor regional, que en estos casos es de 1,3. De esta forma se obtendrá el verdadero umbral de escorrentía (P 0 ). Tabla 1. Valores del umbral de escorrentía P 0, en condiciones de humedad normal. Según el mapa de isolíneas el valor de I1/Id, elaborado por J.R. Témez, para la zona de estudio le correspondería un valor de 11. COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA El coeficiente de escorrentía en el ámbito de estudio se calcula mediante la fórmula deducida por Témez a partir del método del SCS, adoptado por la instrucción de carreteras (MOPU 1990): C P' d P' o P' d 23 P' o P' 11 P' 2 d o Dónde, P ' r * o P o C coeficiente de escorrentía. r Factor regional (ámbito de estudio, valor de 1,3). P d Volumen de precipitación diaria corregida, en mm. P 0 Umbral de escorrentía, el cual es función del tipos de terrenos, en mm. P 0 Umbral de escorrentía corregido, el cual es función de los tipos de terrenos, en mm. 0983P0R0-AN doc A04-5

6 Cuenca Clamor de los Canales: Grupo de suelo B Tipos de uso del suelo Superficie (Km 2 ) Porcentaje % Po Po ponderada Agua continental 0, , Bosques de ribera 0, , Plantaciones de chopos 0, , ,00 Bosques densos (no de ribera) 0, , ,03 Matorrales 3, , ,46 Prados y herbazales 0, , ,11 Vías de comunicación 0, ,55 2 0,01 Zonas desnudas ,23 4 0,01 Cultivos 121, , ,66 Zona urbana 3, ,35 4 0,09 TOTAL 129, ,38 Dónde, Qp C I S K Tc Caudal punta que corresponde a un período de retorno determinado, en m3/s. Coeficiente de escorrentía. Máxima intensidad media en el intervalo de tiempo Tc para un período de retorno considerado, en mm/h. Superficie de la cuenca, en km2. Coeficiente de uniformidad, según Témez Tiempo de concentración, en horas. En este estudio se han considerado como valores de lluvia máxima diaria (Pd), los calculados según la distribución SQR Etmáx, que según experiencias recientes, parece indicar que se ajusta mejor al comportamiento de los ríos y barrancos de Cataluña. En la tabla siguiente se muestran los resultados obtenidos mediante el método racional. DETERMINACIÓN DEL CAUDAL MÁXIMO El cálculo del caudal máximo superficial se realiza aplicando la expresión del Método Racional. C I S Q p K 3, 6 Dónde, 1,25 Tc K 1 1, 25 Tc P0R0-AN doc A04-6

7 Cuenca Clamor dels Canals. Cálculo según las Recomanacions tècniques per als estudis d ámbit local, publicadas por el Departamento de Medio Ambiente - Agència Catalana de l Aigua (2003). Cálculo del tiempo de concentración Períodos de retorno Cálculo Intensidad máxima de lluvia Cálculo Coeficiente de escorrentía Cálculo del caudal máximo Grado de urbanización Longitud tramo principal (km) pendiente media º/1 T'c (h) Período de retorno (años) Pd (mm) Ka coefi. Simultaneidad Pd corregida por Ka I1/Id factor It Umbral escorrentía (Po) Factor regional (r ) (P o) Coef. Escorrentía Superficie cuenca (km2) Caudal (m3/s) 2.35% % % % % % P0R0-AN doc A04-7

8 3. MODELACIÓN Y ESTUDIO HIDRÁULICO 3.1. MODELO En este apartado se ha procedido a modelar matemáticamente el comportamiento del flujo del agua superficial de los períodos de retorno correspondientes a 5, 10, 25, 50, 100 y 500 años. Los valores de los caudales utilizados corresponden a los cálculos realizados en el apartado 2.5. El modelo matemático utilizado en este caso ha sido el modelo HEC-RAS versión 3.1.3, desarrollado por el Hydrologic Engineering Center de los US Army Corps o Engineers. Este modelo se ha diseñado para el cálculo de los perfiles de lámina de agua, para flujos permanentes, gradualmente variados y transportes de sedimentos, en estado de régimen subcrítico, mixto o supercrítico. La metodología del cálculo se basa en la resolución de la ecuación de balance de la energía en una dimensión mediante un proceso iterativo (standard step method). Dónde: 2V2 Y2 Z 2 2g 2 1V1 Y1 Z1 2g Y1, Y2 Altura lámina de agua en la sección Z1, Z2 Elevación del canal principal V1, V2 Velocidades medias (descarga total/área total de flujo) 1, 2 Coeficientes de velocidad g Aceleración de la gravedad he Pérdidas de energía 2 h e Donde: L Sf C Tramo de descarga Pendiente por fricción representativa entre las dos secciones Coeficiente de pérdida por contracción y/o expansión En las secciones dónde se presenten variaciones rápidas del perfil de la lámina de agua y no se conozcan de una forma demasiado detallada las pérdidas de energía, el programa utiliza la ecuación del momentum, mediante la cual se establece el equilibrio de fuerzas (según Ley de Newton) tanto a los resaltos hidráulicos como a las confluencias de diferentes ríos o ramas. Dónde: 2 I Q I Q Y * * g gs f gs0 q1 A t A x A x Q Caudal, m3/s t Tiempos, s x Distancia en la dirección del flujo, m. y Calado hasta el tubo de flujo, en m. A Área mojada, m2 v Velocidad media, m/s. Sf Pendiente de la línea de energía, m/m g Aceleración de la gravedad, m/s 2 1 X v Las pérdidas de energía se avalúan por el efecto de la fricción, ecuaciones de Manning y por contracción expansión. h LS e f V V C g 2g P0R0-AN doc A04-8

9 3.2. PROCEDIMIENTO Definición de la geometría En primer lugar se ha elaborado un modelo digital del terreno (DTM), a partir de la fusión de la topografía de detalle realizada a escala 1:500 y de la topografía publicada por el Instituto Cartográfico de Cataluña (I.C.C.) a escala 1: A partir de este DTM, mediante el programa informático Arcview Gis versión 3.2, se ha generado una red de triángulos irregulares (TIN). Con la finalidad de georeferenciar todos los elementos de la modelación (canal principal, secciones transversales, taludes, etc.), se han procesado los datos mediante la extensión de soporte Hec- Georas versión 3.1.3, con su preprocesador, exportando los archivos generados al Hec-Ras. En total se han llegado a introducir 44 perfiles transversales, definidos por un mínimo de 117 puntos y un máximo de 484, por tal de conseguir una modelación el máximo detallada posible y tener una visión tanto global como puntual, del comportamiento de la lámina de agua para cada período de retorno. Debido a la uniformidad en las lecturas de profundidades realizadas al largo del tramo estudiado se ha procedido a asimilar que la Clamor consta de una profundidad media de unos 4 m, la cual ha estado aplicada en el conjunto de las secciones modeladas. En la caracterización de cada una de las secciones el modelo HEC-RAS, permite establecer los coeficientes de rugosidad estimados, diferenciando los tramos correspondientes al canal principal y a las llanuras de inundación, así mismo permite fijar zonas inefectivas, obstrucciones, leves, construcciones o estructuras que puedan interferir y condicionar el flujo natural de una manera notable como pueden ser puentes, pasos, estructuras laterales, aliviaderos, etc. y que permitan ajustar los cálculos Definición de las condiciones de contorno Una vez establecida la geometría tanto de la Clamor en sí, como de los elementos estructurales que la componen se pasa a prefijar las condiciones de contorno, que delimitaran el comportamiento del flujo del agua en el transcurso aguas abajo. El primer paso es definir los caudales para los diferentes períodos de retorno que se pretenden simular, tal y como se muestra en la tabla siguiente: Período de retorno (años) Q (m3/s) 5 21, , , , , ,56 Posteriormente se fijan las condiciones del régimen (lento, mixto o rápido), en este caso se prefija la alternancia de régimen, aplicando el calado crítico de aguas arriba y calado normal aguas abajo Ajustamientos y revisión del sumario de avisos y errores Después del proceso de cálculo de la simulación se han revisado las tablas de datos de salida, tanto de niveles de lámina de agua, calados críticos, alturas de la línea de energía, pérdidas por fricción, velocidad del flujo en cada una de las secciones. De esta revisión, se ha derivado la necesidad de añadir más secciones transversales entre las ya existentes, en los puntos dónde se producen cambios geométricos importantes, que originan variaciones en las alturas de la lámina de agua y cambios rápidos en la velocidad del flujo Simulación y representación de las zonas inundables Con el objetivo de poder representar las diferentes áreas de estudio susceptibles de ser inundadas por los diferentes períodos de retorno simulados, se ha procedido a exportar los datos de la simulación generados por el Hec-Ras mediante un formato SIG. Posteriormente se procesa con el Post-RAS, generando un TIN, de las zonas inundables correspondientes a un período de retorno de 100 y 500 años. Paralelamente se han generado archivos de delimitación de estas áreas, mediante el programa Lamina versión 1.0 del grupo GITS de la UPC, superponiendo sobre el mapa topográfico y obteniendo resultados similares (ver el plano de este mismo Anexo de Delimitación de Zonas Inundables). 0983P0R0-AN doc A04-9

10 3.3. SECCIONES TRANSVERSALES MODELADAS En este apartado se presentan los resultados de la modelación hidráulica en forma de secciones transversales donde se representan las alturas de la lámina de agua, y los calados para los períodos de retorno de 100 y 500 años. 0983P0R0-AN doc A04-10

11 SECCIONES Q P0R0-AN doc A04-11

12 0983P0R0-AN doc A04-12

13 0983P0R0-AN doc A04-13

14 0983P0R0-AN doc A04-14

15 0983P0R0-AN doc A04-15

16 0983P0R0-AN doc A04-16