Metodología numérico-experimental para el análisis del riesgo asociado a la escorrentía pluvial en una red de calles

Abstract

En los últimos años, el continuo crecimiento de las áreas urbanas ha incrementado los problemas ocasionados por inundaciones, especialmente en las grandes ciudades. Estos problemas aparecen debido a: la disminución del área permeable; el aumento tanto del coeficiente como del volumen de escorrentía; y la reducción de la rugosidad de la superficie y del tiempo de punta del hidrograma. Todo lo cual ocasiona un desmesurado crecimiento de los caudales punta.<br/>Muchas ciudades tienen un sistema de drenaje pluvial superficial consistente en canales y en las propias calles de la ciudad. Otras tienen un sistema de drenaje urbano subterráneo. En ambos casos, la escorrentía en las calles es un hecho común y puede ser de interés determinar los niveles de agua y velocidades máximos que pueden alcanzarse con relación a un determinado período de retorno.<br/>El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de un modelo numérico que permita conocer las características del flujo (velocidad, calado) a lo largo de un conjunto de calles cuando éstas actúan como red de drenaje pluvial. Para ello, es crucial conocer la distribución de los caudales en los cruces. Se ha puesto a punto un modelo que simula el comportamiento hidráulico (flujo no permanente unidimensional) en las propias calles.<br/>Este trabajo se centró exclusivamente en el análisis del comportamiento hidráulico de cruces de calles en los que los flujos, tanto de entrada como de salida, son supercríticos. Para ello se realizaron experimentos en un modelo de cruce de calles en el laboratorio. Analizando distintas relaciones entre las variables involucradas, se encontró que tanto el reparto de caudales de salida como las condiciones de contorno del flujo en las calles de aproximación al cruce pueden ser determinados satisfactoriamente conociendo ciertas magnitudes físicas de los flujos de entrada al cruce, como por ejemplo la potencia del flujo. Una vez conocidas las relaciones que determinan el reparto de caudales y las características del flujo en el cruce, fue posible desarrollar un modelo numérico unidimensional para resolver el flujo en toda la red de calles.<br/>Para demostrar la utilidad del modelo numérico propuesto, fue aplicado al estudio de la escorrentía pluvial en una cuenca urbana de la ciudad de Mendoza, Argentina, con pendientes medias del 1 al 2% lo que propició la ocurrencia de flujo supercrítico en la sección de salida de casi todos los cruces. Como resultado se obtuvieron, para cada periodo de retorno, los calados y velocidades del flujo en cada una de las calles, los cuales fueron analizados mediante la aplicación de ciertos criterios para evaluar la peligrosidad asociada a la escorrentía en las calles. Estos criterios se basan en calados y velocidades máximas admisibles, así como combinaciones entre ellos. Además, se propone un nuevo criterio de peligrosidad basado en la estabilidad de una persona al deslizamiento por el arrastre del agua. Se identificaron las calles donde se producen situaciones de flujo peligroso en función de los criterios adoptados y pudo determinarse también la duración de estas situaciones. Como ejemplo de aplicación, los resultados finales se presentan en forma de mapas de peligrosidad de la escorrentía en las calles asociados a periodos de retorno de 5, 10 y 25 años.

Surface waters running in the streets are a common feature in cities which have a superficial storm drainage system as well as in cities that have not. The surface storm drainage system consists of open channels and the streets. In developed zones which have a sewer system, rainwater must go from the surfaces where it has fallen towards the inlets and this process often takes place over the street. In many cases, the slope of the streets can be steep enough to accelerate the flow to velocities or combinations of velocities and the depth can be risky for the users of the streets, both pedestrians and drivers. For the assessment of the risk associated to this flows it is necessary to know the maximum depths and velocities that we might expect in the streets for a specific return period and the maximum discharges that will take place in them.<br/>The main aim was the development of a numerical model to compute the flow characteristics (velocity, depth) in streets forming a network. The knowledge of the flow distribution in the crossing is the key question in the modelling of flow in the street network. The model must be able to simulate 1-D unsteady flow in the street network.<br/>A scale model of a street crossing has been built and a series of tests has been conducted for studying the flow pattern in the crossing when the flow in the streets is supercritical. In light of the experiments it has been found that the inflow power ratio can be used as a non-dimensional parameter for predicting flow distribution as well as the flow pattern. On the basis of those relationships a one-dimensional formulation can be developed in order to predict the dividing flow in crossings and networks of steep streets.<br/>A review of the existing criteria to evaluate the risk associated to the urban runoff on streets is made. Two new criteria based on theoretical analysis of the water's force acting on a static pedestrian are presented, no slipping criterion and stability to tilt criterion. According to these criteria, either a maximum depth, a maximum velocity or some relations between depths and velocities should be fulfilled in order to guarantee the pedestrian's and driver's security in the case of medium to hard storms.<br/>The proposed numerical model was used to solve the storm runoff in an urban watershed of the city of Mendoza (Argentina), which has streets steep enough to produce supercritical flows. The results are evaluated bearing in mind four risk's criteria. As a conclusion, the numerical model is shown to be a useful tool in relation to the application of the risk's criteria. As an example, urban runoff risk maps of the network street belonging to return periods of 5, 10 and 25 years are presented.