Modelización y simulación de una red urbana de drenaje de agua usando SWMM

El proyecto desarrollado consiste en el estudio de una red de drenaje (o alcantarillado) de aguas pluviales. Para la realización de este estudio, el proyecto se apoya en un software de cálculo hidrológico e hidráulico llamado Storm Water Model Management (SWMM). La cuenca urbana y la red de drenaje a estudio es la de Agullent, un pueblo de Valencia (Comunidad Valenciana, España). Los datos de partida del proyecto son un archivo CAD donde queda representado el municipio y la red de drenaje en el mismo, además de un archivo ASCII con los datos topográficos de la zona en la que se encuentra el municipio. Mediante los datos de partida proporcionados y con el apoyo de imágenes aéreas y a pie de calle, con la ayuda de la bibliografía, el objetivo es modelizar la cuenca urbana y su red de drenaje. Posteriormente a la modelización, con el ingreso de los datos, obtenidos o hallados, en el programa SWMM se procede a calcular mediante las ecuaciones de fluido en lámina libre el comportamiento, en régimen transitorio, de la red ante diversos eventos pluviométricos. Posteriormente a la simulación del escenario original con diferentes eventos pluviométricos, se realiza una comparación del funcionamiento de la red de drenaje ante las diferentes entradas de caudal (por la diferente precipitación) y se estudia las líneas que resultan críticas en el funcionamiento de la red. Una vez realizada la comparación, se procede a la propuesta de dos modificaciones en las líneas críticas; una por aumento de los diámetros de los colectores y otra con el mismo aumento de diámetro, pero con reducción de las pendientes de fondo de los colectores. Estos dos nuevos escenarios también se simulan y se comparan individual y conjuntamente con el escenario original. Por último, se realiza un conjunto de tres presupuestos. Uno para la mejora propuesta de aumento de diámetros en las líneas criticas con conductos de hormigón armado, otro para la mejora propuesta de aumento de diámetros y reducción de pendientes con colectores de hormigón armado, y otro para la mejora propuesta de aumento de diámetros y reducción de pendientes con colectores de polietileno. Con la comparación de estos presupuestos se determina cual es la mejor opción de los escenarios propuestos

Desarrollo de una herramienta de interpolación geométrica de cauces para simulación 1D y 2D de flujo en ríos

Los modelos de flujo superficial han constituido un campo de investigación muy activo recientemente. Estos modelos son de gran interés para la simulación de eventos de inundación en rios y así evaluar la respuesta frente a una gran variedad de situaciones prácticas. En este tipo de modelos, la información topográfica y batimétrica es fundamental para la adecuada descripción del terreno, y constituye una de las mayores fuentes de incertidumbre y error en las simulaciones. Los modelos de flujo 1D y 2D son los más utilizadosen este contexto. La principal ventaja de los modelos 1D es su bajo costo computacional, a costa de no poder representar ni resolver correctamente las llanuras de inundación ni los flujos que desbordan del cauce principal. Por otra parte los modelos bidimensionales sí son capaces de simular los flujos que se producen en las llanuras de inundación, con una calidad dependiente de la representación topográfica, tanto de la información como de su discretización en una malla computacional. Los modelos bidimensionales sin embargo, acarrean consigo un mayor coste computacional. La técnica LIDAR (Light Detection and Ranging) permite la obtención de información topográfica de una forma barata, rápida y confiable, con alta resolución espacial en las tres dimensiones. A partir de dicha información, es posible crear modelos digitales del terreno (DTM) que representan el relieve con una gran fidelidad. Sin embargo, el LIDAR no es capaz de medir el terreno debajo de la superficies de agua, por lo cual resulta necesario contar con fuentes de información alternativas para conocer la batimetría del cauce, imprescindible para la simulación hidráulica. Aunque es posible obtener superficies batimétricas con tecnologia SONAR, tradicionalmente la información batimétrica se ha obtenido realizando estudios topográficos de los cauces de los rios. Esto genera secciones transversales que proporcionan valiosa información acerca de la forma del cauce, aunque escasa y no exenta de error. A diferencia de la información LIDAR, las secciones transversales proveen información de utilidad exclusiva para los modelos unidimensionales. Para realizar simulaciones bidimensionales es necesario reinterpretarla y complementarla. En el mejor de los casos, se cuenta con ambas fuentes de información, consistentes y sistemáticas, que es posible combinar para subsanar así sus deficiencias individuales. El objetivo de este trabajo consiste en desarrollar una estrategia precisa, fiable y eficiente capaz de, a partir de la información disponible (LIDAR sin batimetría y/o secciones transversales), generar un DTM que incluya la totalidad del dominio a través de técnicas de interpolación geométrica ( splines cúbicos y de Hermite) que respeten criterios hidráulicos. La técnica es validada por medio de simulaciones 1D y 2D en geometrías sintéticas así como sobre un tramo del río Ebro. Se evalúa la calidad de la interpolación geométrica, así como su efecto sobre variables de control hidráulicas y en términos de caudales y niveles superficiales simulados

Towards Transient Experimental Water Surfaces: Strengthening Two-Dimensional SW Model Validation

The measurement and simulation of 2D free-surface shallow flows is carried out in this work. For the experimental study a 3D-sensing device (Microsoft Kinect) is used to measure both steady and transient water surface elevation fields with different flow characteristics. This procedure provides 640x480 px resolution water surface level point clouds with a frequency ranging from 8 Hz to 30 Hz. The experimental measurements are compared with 2D finite volume simulations carried out by means of a robust and well-balanced numerical scheme able to deal with flow regime transitions and wet/dry fronts. A good agreement is found between experimental and numerical results for all the cases studied, demonstrating the capability of the RGB-D sensor to capture the water free-surface position accurately. This new experimental technique, which allows us to obtain 2D water depth fields in open- channel flows, leads to a wide range of promising capabilities in order to validate new shallow water models and to improve their accuracy and performance

Haar wavelet-based adaptive finite volume shallow water solver

This paper presents the formulation of an adaptive finite volume (FV) model for the shallow water equations. A Godunov-type reformulation combining the Haar wavelet is achieved to enable solutiondriven resolution adaptivity (both coarsening and refinement) by depending on the wavelet’s threshold value. The ability to properly model irregular topographies and wetting/drying are transferred from the (baseline) FV uniform mesh model, with no extra notable efforts. Selected hydraulic tests are employed to analyse the performance of the Haar wavelet FV shallow water solver considering adaptivity and practical issues including choice for the threshold value driving the adaptivity, mesh convergence study, shock and wet/dry front capturing abilities. Our findings show that Haar wavelet-based adaptive FV solutions offer great potential to improve the reliability of multiscale shallow water models

Benchmarking a multiresolution discontinuous Galerkin shallow water model: Implications for Computational hydraulics

Numerical modelling of wide ranges of different physical scales, which are involved in Shallow Water (SW) problems, has been a key challenge in computational hydraulics. Adaptive meshing techniques have been commonly coupled with numerical methods in an attempt to address this challenge. The combination of MultiWavelets (MW) with the Runge-Kutta Discontinuous Galerkin (RKDG) method offers a new philosophy to readily achieve mesh adaptivity driven by the local variability of the numerical solution, and without requiring more than one threshold value set by the user. However, the practical merits and implications of the MWRKDG, in terms of how far it contributes to address the key challenge above, are yet to be explored. This work systematically explores this, through the verification and validation of the MWRKDG for selected steady and transient benchmark tests, which involves the features of real SW problems. Our findings reveal a practical promise of the SW-MWRKDG solver, in terms of efficient and accurate mesh-adaptivity, but also suggest further improvement in the SWRKDG reference scheme to better intertwine with, and harness the prowess of, the MW-based adaptivity