Modelo de gestión de aguas pluviales

El modelo de gestión de aguas pluviales ( SWMM ) de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA ) ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} es un modelo dinámico de simulación de lluvia , escorrentía y escorrentía subsuperficial utilizado para la simulación de eventos únicos a largo plazo (continua) de la cantidad y calidad de la hidrología superficial/subsuperficial de áreas principalmente urbanas/suburbanas.

Puede simular la escorrentía pluvial, la escorrentía, la evaporación , la infiltración y la conexión de aguas subterráneas para raíces, calles, áreas verdes, jardines de lluvia, zanjas y tuberías, por ejemplo. El componente hidrológico de SWMM opera sobre un conjunto de subcuencas divididas en áreas impermeables y permeables con y sin almacenamiento en depresiones para predecir la escorrentía y las cargas de contaminantes provenientes de las pérdidas por precipitación, evaporación e infiltración de cada subcuenca. Además, se pueden modelar áreas de desarrollo de bajo impacto (LID) y de mejores prácticas de gestión en la subcuenca para reducir la escorrentía impermeable y permeable. La sección de enrutamiento o hidráulica de SWMM transporta esta agua y los posibles componentes de calidad del agua asociados a través de un sistema de tuberías cerradas, canales abiertos, dispositivos de almacenamiento/tratamiento, estanques, depósitos, bombas, orificios, vertederos, salidas, emisarios y otros reguladores.

SWMM rastrea la cantidad y calidad del flujo generado dentro de cada subcuenca, y el caudal, la profundidad del flujo y la calidad del agua en cada tubería y canal durante un período de simulación compuesto por múltiples pasos de tiempo fijos o variables . Los componentes de la calidad del agua, como los componentes de la calidad del agua, pueden simularse desde la acumulación en las subcuencas hasta el lavado a una red hidráulica con decaimiento de primer orden opcional y eliminación de contaminantes vinculada, mejores prácticas de gestión y desarrollo de bajo impacto (LID) ^{[ 9 ]} eliminación y tratamiento pueden simularse en nodos de almacenamiento seleccionados. SWMM es uno de los modelos de transporte hidrológico que la EPA y otras agencias han aplicado ampliamente en toda América del Norte y a través de consultores y universidades en todo el mundo. Las notas de actualización más recientes y las nuevas características pueden encontrarse en el sitio web de la EPA en la sección de descargas. ^{[ 10 ]} Recientemente se añadieron en noviembre de 2015 el Manual de Hidrología EPA SWMM 5.1 (Volumen I) ^{[ 11 ]} y en 2016 el Manual Hidráulico EPA SWMM 5.1 (Volumen II) ^{[ 12 ]} y el Manual de Calidad del Agua EPA SWMM 5.1 (incluidos los Módulos LID) Volumen (III) ^{[ 13 ]} + Errata. ^{[ 14 ]}

El modelo de gestión de aguas pluviales de la EPA (SWMM) es un modelo dinámico de simulación de escorrentía pluvial que se utiliza para simular, tanto para eventos puntuales como a largo plazo (de forma continua), la cantidad y calidad de la escorrentía en áreas principalmente urbanas. El componente de escorrentía del SWMM opera sobre un conjunto de subcuencas que reciben precipitaciones y generan escorrentía y cargas contaminantes. La parte de enrutamiento del SWMM transporta esta escorrentía a través de un sistema de tuberías, canales, dispositivos de almacenamiento/tratamiento, bombas y reguladores. El SWMM registra la cantidad y calidad de la escorrentía generada en cada subcuenca, así como el caudal, la profundidad del flujo y la calidad del agua en cada tubería y canal durante un período de simulación dividido en múltiples intervalos de tiempo.

SWMM tiene en cuenta varios procesos hidrológicos que producen escorrentía en áreas urbanas. Estos incluyen:

1. precipitaciones variables en el tiempo
2. evaporación de agua superficial estancada
3. acumulación y deshielo de la nieve
4. Intercepción de lluvia desde almacenamiento en depresión
5. infiltración de la lluvia en capas de suelo no saturadas
6. percolación del agua infiltrada en las capas de agua subterránea
7. flujo entre el agua subterránea y el sistema de drenaje
8. Enrutamiento no lineal de embalses para el flujo superficial
9. Captación y retención de agua de lluvia/escorrentía mediante diversos tipos de prácticas de desarrollo de bajo impacto (LID, por sus siglas en inglés).

SWMM también contiene un conjunto flexible de capacidades de modelado hidráulico que se utilizan para enrutar la escorrentía y las entradas externas a través de la red del sistema de drenaje compuesta por tuberías, canales, unidades de almacenamiento/tratamiento y estructuras de desviación. Estas incluyen la capacidad de:

1. gestionar redes de tamaño ilimitado
2. Utilizar una amplia variedad de formas estándar de conductos cerrados y abiertos, así como canales naturales.
3. modelar elementos especiales como unidades de almacenamiento/tratamiento, divisores de flujo, bombas, vertederos y orificios.
4. Aplicar flujos externos y aportes de calidad del agua provenientes de la escorrentía superficial, el flujo subsuperficial de aguas subterráneas, la infiltración/entrada dependiente de la lluvia, el flujo sanitario en tiempo seco y los flujos de entrada definidos por el usuario.
5. Utilizar métodos de enrutamiento de flujo de onda cinemática o de onda dinámica completa.
6. modelar diversos regímenes de flujo, como remanso, sobrecarga, flujo inverso y encharcamiento superficial.
7. Aplicar reglas de control dinámico definidas por el usuario para simular el funcionamiento de bombas, aberturas de orificios y niveles de cresta de vertederos.

La variabilidad espacial en todos estos procesos se logra dividiendo un área de estudio en un conjunto de subcuencas más pequeñas y homogéneas, cada una con su propia proporción de subáreas permeables e impermeables. El flujo superficial puede dirigirse entre subáreas, entre subcuencas o entre puntos de entrada de un sistema de drenaje.

Desde su creación, SWMM se ha utilizado en miles de estudios de alcantarillado y aguas pluviales en todo el mundo. Las aplicaciones típicas incluyen:

1. Diseño y dimensionamiento de componentes de sistemas de drenaje para el control de inundaciones.
2. Dimensionamiento de las instalaciones de retención y sus accesorios para el control de inundaciones y la protección de la calidad del agua.
3. Cartografía de llanuras aluviales de sistemas de canales naturales, mediante la modelización de la hidráulica fluvial y los problemas de inundación asociados utilizando canales prismáticos.
4. diseñar estrategias de control para minimizar los desbordamientos de alcantarillado combinado (CSO) y los desbordamientos de alcantarillado sanitario (SSO)
5. evaluar el impacto de la afluencia y la infiltración en los desbordamientos de alcantarillado sanitario
6. Generación de cargas contaminantes de fuentes difusas para estudios de asignación de cargas de residuos.
7. Evaluación de la efectividad de las mejores prácticas de gestión (BMP, por sus siglas en inglés) y las infraestructuras de bajo impacto (LID, por sus siglas en inglés) en subcuencas para reducir la carga de contaminantes en épocas de lluvia. Modelización de la relación precipitación-escorrentía en cuencas urbanas y rurales.
8. Análisis hidráulico y de calidad del agua de sistemas de alcantarillado pluvial, sanitario y combinado.
9. Planificación maestra de sistemas de recolección de aguas residuales y cuencas hidrográficas urbanas
10. Evaluaciones de sistemas asociadas con las regulaciones de la USEPA, incluidos los permisos NPDES, CMOM y TMDL.
11. Predicciones unidimensionales y bidimensionales (acumulación de agua en la superficie) de los niveles de inundación y el volumen de inundación.

EPA SWMM es un software de dominio público que puede copiarse y distribuirse libremente. SWMM 5, de dominio público, consta del código del motor en C y del código de la interfaz gráfica de usuario en Delphi. Ambos códigos son fáciles de editar y pueden ser recompilados por estudiantes y profesionales para añadir funcionalidades personalizadas o características de salida adicionales.

SWMM se desarrolló por primera vez entre 1969 y 1971 y ha experimentado cuatro actualizaciones importantes desde entonces. Las actualizaciones principales fueron: (1) Versión 2 en 1973-1975, (2) Versión 3 en 1979-1981, (3) Versión 4 en 1985-1988 y (4) Versión 5 en 2001-2004. Una lista de los cambios principales y los cambios posteriores a 2004 se muestra en la Tabla 1. La edición actual de SWMM, Versión 5.2.3, es una reescritura completa de las versiones anteriores de Fortran en el lenguaje de programación C, y puede ejecutarse en Windows XP , Windows Vista , Windows 7 , Windows 8 , Windows 10 y también con una recompilación en Unix . El código de SWMM5 es de código abierto y de dominio público , y puede descargarse del sitio web de la EPA. ^{[ 15 ]}

EPA SWMM 5 proporciona un entorno gráfico integrado para editar datos de entrada de cuencas hidrográficas, ejecutar simulaciones hidrológicas, hidráulicas, de control en tiempo real y de calidad del agua, y visualizar los resultados en diversos formatos gráficos. Estos incluyen mapas temáticos de áreas de drenaje codificados por colores, gráficos y tablas de series temporales, diagramas de perfil, diagramas de dispersión y análisis de frecuencia estadística.

La última revisión de EPA SWMM fue producida por la División de Suministro de Agua y Recursos Hídricos del Laboratorio Nacional de Investigación de Gestión de Riesgos de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos con la asistencia de la firma consultora CDM Inc. bajo un Acuerdo de Investigación y Desarrollo Cooperativo (CRADA). SWMM 5 se utiliza como motor de cálculo para muchos paquetes de modelado, además de que componentes de SWMM5 se encuentran en otros paquetes de modelado. Los principales paquetes de modelado que utilizan todos o algunos de los componentes de SWMM5 se muestran en la sección de Proveedores. El historial de actualizaciones de SWMM 5 desde la versión original SWMM 5.0.001 hasta la versión actual SWMM 5.2.3 se puede encontrar en el sitio web de la EPA. SWMM 5 fue aprobado por la Página de Aprobación de Modelos de FEMA en mayo de 2005, ^{[ 16 ]} con una nota sobre las versiones que están aprobadas en la Página de Aprobación de FEMA SWMM 5 Versión 5.0.005 (mayo de 2005) y posteriores para el modelado NFIP . SWMM 5 se utiliza como motor de cálculo para muchos paquetes de modelado (véase la sección Plataforma SWMM 5 de este artículo) y algunos componentes de SWMM 5 se encuentran en otros paquetes de modelado (véase la sección Proveedores de SWMM 5 de este artículo).

SWMM conceptualiza un sistema de drenaje como una serie de flujos de agua y materiales entre varios compartimentos ambientales principales. Estos compartimentos y los objetos SWMM que contienen incluyen:

El compartimento atmosférico , desde donde caen las precipitaciones y se depositan los contaminantes en la superficie terrestre. SWMM utiliza objetos de pluviómetro para representar las precipitaciones que ingresan al sistema. Estos objetos pueden usar series temporales, archivos de texto externos o archivos de datos de precipitación de la NOAA . Los objetos de pluviómetro pueden usar datos de precipitación de miles de años. Mediante el complemento SWMM-CAT para SWMM5, ahora se puede simular el cambio climático utilizando temperatura, evaporación o precipitación modificadas.

El compartimento de la superficie terrestre, representado por uno o más objetos de subcuenca, recibe precipitaciones del compartimento atmosférico en forma de lluvia o nieve; envía efluentes en forma de infiltración al compartimento de aguas subterráneas y también como escorrentía superficial y cargas contaminantes al compartimento de transporte. Las medidas de desarrollo de bajo impacto (LID, por sus siglas en inglés) forman parte de las subcuencas y almacenan, infiltran o evaporan la escorrentía.

El compartimento de aguas subterráneas recibe infiltración del compartimento de superficie terrestre y transfiere una parte de esta entrada al compartimento de transporte. Este compartimento se modela mediante objetos de acuífero . La conexión con el compartimento de transporte puede ser un límite estático o una profundidad dinámica en los canales. Los enlaces en el compartimento de transporte ahora también incluyen filtración y evaporación.

El compartimento de transporte contiene una red de elementos de conducción (canales, tuberías, bombas y reguladores) y unidades de almacenamiento/tratamiento que transportan el agua a los emisarios o a las plantas de tratamiento. Los flujos de entrada a este compartimento pueden provenir de la escorrentía superficial, el flujo subsuperficial de aguas subterráneas, el flujo sanitario en tiempo seco o de hidrogramas definidos por el usuario. Los componentes del compartimento de transporte se modelan con objetos Nodo y Enlace.

No es necesario que todos los compartimentos aparezcan en un modelo SWMM específico. Por ejemplo, se podría modelar solo el compartimento de transporte, utilizando hidrogramas predefinidos como datos de entrada. Si se utiliza el enrutamiento cinemático de ondas, los nodos no necesitan contener un punto de descarga.

Los parámetros del modelo simulado para las subcuencas son rugosidad de la superficie, almacenamiento de depresión, pendiente, longitud de la trayectoria del flujo; para infiltración: Horton: tasas máximas/mínimas y constante de decaimiento; Green-Ampt: conductividad hidráulica, déficit de humedad inicial y carga de succión; Número de curva: Número de curva NRCS (SCS); Todos: tiempo para que el suelo saturado drene completamente; para conductos: rugosidad de Manning; para calidad del agua: coeficientes de función de acumulación/lavado, coeficientes de decaimiento de primer orden, ecuaciones de remoción. Un área de estudio puede dividirse en cualquier número de subcuencas individuales, cada una de las cuales drena a un solo punto. Las áreas de estudio pueden variar en tamaño desde una pequeña porción de un solo lote hasta miles de acres. SWMM utiliza datos de precipitación por hora o más frecuentes como entrada y puede ejecutarse para eventos individuales o de forma continua durante cualquier número de años.

SWMM 5 considera varios procesos hidrológicos que producen escorrentía superficial y subterránea en áreas urbanas. Estos incluyen:

1. Precipitación variable en el tiempo para un número ilimitado de pluviómetros, tanto para hietogramas de diseño como continuos.
2. evaporación del agua superficial estancada en cuencas hidrográficas y estanques superficiales
3. Acumulación, arado y deshielo de la nieve.
4. Intercepción de la lluvia por acumulación en depresiones tanto en áreas impermeables como permeables.
5. infiltración de la precipitación en capas de suelo no saturadas
6. percolación del agua infiltrada en las capas de agua subterránea
7. Interflujo entre aguas subterráneas y tuberías y zanjas
8. Enrutamiento no lineal del flujo superficial de la cuenca en embalses.

La variabilidad espacial en todos estos procesos se logra dividiendo un área de estudio en un conjunto de cuencas hidrográficas o subcuencas más pequeñas y homogéneas, cada una con su propia proporción de subáreas permeables e impermeables. El flujo superficial puede dirigirse entre subáreas, entre subcuencas o entre puntos de entrada de un sistema de drenaje.

SWMM también contiene un conjunto flexible de capacidades de modelado hidráulico que se utilizan para enrutar la escorrentía y las entradas externas a través de la red del sistema de drenaje compuesta por tuberías, canales, unidades de almacenamiento/tratamiento y estructuras de desviación. Estas incluyen la capacidad de:

1. Simular redes de drenaje de tamaño ilimitado
2. Utilizamos una amplia variedad de formas de conductos estándar, tanto cerrados como abiertos, así como canales naturales o irregulares.
3. Modelar elementos especiales como unidades de almacenamiento/tratamiento, salidas, divisores de flujo, bombas, vertederos y orificios.
4. Aplicar flujos externos y aportes de calidad del agua provenientes de la escorrentía superficial, el flujo subsuperficial de aguas subterráneas, la infiltración/entrada dependiente de la lluvia, el flujo sanitario en tiempo seco y los flujos de entrada definidos por el usuario.
5. Utilizar métodos de enrutamiento de flujo de onda cinemática, constante o dinámica completa.
6. modelar diversos regímenes de flujo, como remanso, sobrecarga, presión, flujo inverso y encharcamiento superficial.
7. Aplicar reglas de control dinámico definidas por el usuario para simular el funcionamiento de bombas, aberturas de orificios y niveles de cresta de vertederos.

La infiltración es el proceso por el cual la lluvia penetra la superficie del suelo en la zona no saturada de las subcuencas permeables. SWMM5 ofrece cuatro opciones para modelar la infiltración:

Método de infiltración clásico

Este método se basa en observaciones empíricas que demuestran que la infiltración disminuye exponencialmente desde una tasa máxima inicial hasta una tasa mínima durante un evento de lluvia prolongado. Los parámetros de entrada necesarios para este método incluyen las tasas de infiltración máxima y mínima, un coeficiente de decaimiento que describe la rapidez con la que disminuye la tasa con el tiempo y el tiempo que tarda un suelo completamente saturado en secarse por completo (utilizado para calcular la recuperación de la tasa de infiltración durante los períodos secos).

Método de Horton modificado

Esta es una versión modificada del método clásico de Horton que utiliza la infiltración acumulada por encima de la tasa mínima como variable de estado (en lugar del tiempo a lo largo de la curva de Horton), lo que proporciona una estimación de infiltración más precisa cuando se producen lluvias de baja intensidad. Utiliza los mismos parámetros de entrada que el método tradicional de Horton.

El enrutamiento de flujo estacionario representa el tipo de enrutamiento más simple posible (en realidad, ningún enrutamiento), ya que asume que, dentro de cada paso de tiempo computacional, el flujo es uniforme y constante. Por lo tanto, simplemente traslada los hidrogramas de entrada del extremo aguas arriba del conducto al extremo aguas abajo, sin demora ni cambios en la forma. La ecuación de flujo normal se utiliza para relacionar el caudal con el área de flujo (o profundidad).

Este tipo de enrutamiento no puede tener en cuenta el almacenamiento en el canal, los efectos de remanso, las pérdidas de entrada/salida, la inversión del flujo ni el flujo presurizado. Solo puede utilizarse con redes de conducción dendríticas, donde cada nodo tiene un único enlace de salida (a menos que el nodo sea un divisor, en cuyo caso se requieren dos enlaces de salida). Esta forma de enrutamiento es insensible al paso de tiempo empleado y solo es apropiada para análisis preliminares mediante simulaciones continuas a largo plazo. El enrutamiento de ondas cinemáticas resuelve la ecuación de continuidad junto con una forma simplificada de la ecuación de momento en cada conducto. Esta última requiere que la pendiente de la superficie del agua sea igual a la pendiente del conducto.

El caudal máximo que puede circular por un conducto es el caudal normal completo. Cualquier caudal que supere este valor y entre por la entrada se pierde del sistema o se acumula en la parte superior de la entrada y se reintroduce en el conducto cuando haya capacidad disponible.

El enrutamiento de ondas cinemáticas permite que el flujo y el área varíen espacial y temporalmente dentro de un conducto. Esto puede resultar en hidrogramas de salida atenuados y retardados a medida que el flujo de entrada se enruta a través del canal. Sin embargo, este método no puede considerar los efectos de remanso, las pérdidas de entrada/salida, la inversión del flujo ni el flujo presurizado, y también está restringido a configuraciones de red dendríticas. Generalmente, puede mantener la estabilidad numérica con pasos de tiempo moderadamente grandes, del orden de 1 a 5 minutos. Si no se espera que los efectos mencionados sean significativos, esta alternativa puede ser un método de enrutamiento preciso y eficiente, especialmente para simulaciones a largo plazo.

El enrutamiento dinámico de ondas resuelve las ecuaciones completas de flujo unidimensional de Saint Venant y, por lo tanto, produce los resultados teóricamente más precisos. Estas ecuaciones consisten en las ecuaciones de continuidad y momento para conductos y una ecuación de continuidad de volumen en los nodos.

Con este método de enrutamiento, es posible representar el flujo a presión cuando un conducto cerrado se llena, de manera que el caudal puede superar el valor normal. Se produce una inundación cuando la profundidad del agua en un nodo excede la profundidad máxima disponible, y el exceso de caudal se pierde del sistema o se acumula sobre el nodo y vuelve a entrar en el sistema de drenaje.

El enrutamiento dinámico de ondas puede tener en cuenta el almacenamiento en el canal, el remanso, las pérdidas de entrada/salida, la inversión del flujo y el flujo presurizado. Al combinar la solución para los niveles de agua en los nodos y el flujo en los conductos, puede aplicarse a cualquier configuración general de red, incluso aquellas con múltiples desvíos y bucles aguas abajo. Es el método preferido para sistemas sometidos a importantes efectos de remanso debido a restricciones de flujo aguas abajo y con regulación de flujo mediante vertederos y orificios. Esta generalidad tiene como contrapartida el uso de pasos de tiempo mucho más pequeños, del orden de un minuto o menos (SWMM puede reducir automáticamente el paso de tiempo máximo definido por el usuario según sea necesario para mantener la estabilidad numérica).

Uno de los grandes avances de SWMM 5 fue la integración del flujo subsuperficial urbano/suburbano con los cálculos hidráulicos de la red de drenaje. Este avance representa una mejora sustancial con respecto a los cálculos hidrológicos e hidráulicos subsuperficiales separados de las versiones anteriores de SWMM, ya que permite al modelador representar conceptualmente las mismas interacciones que ocurren físicamente en el entorno real de canal abierto/acuífero poco profundo. El motor numérico de SWMM 5 calcula la escorrentía superficial, la hidrología subsuperficial y asigna los datos climáticos actuales en el paso de tiempo hidrológico húmedo o seco. Los cálculos hidráulicos para los enlaces, nodos, reglas de control y condiciones de contorno de la red se calculan en un paso de tiempo fijo o variable dentro del paso de tiempo hidrológico mediante rutinas de interpolación y los valores hidrológicos iniciales y finales simulados. Las versiones de SWMM 5 superiores a SWMM 5.1.007 permiten al modelador simular cambios climáticos modificando globalmente la precipitación, la temperatura y la evaporación mediante ajustes mensuales.

Un ejemplo de esta integración fue la recopilación de los diferentes tipos de enlaces de SWMM 4 en los bloques de escorrentía, transporte y Extran en un grupo unificado de tipos de enlaces de conducto cerrado y canal abierto en SWMM 5 y una colección de tipos de nodos (Figura 2).

SWMM contiene un conjunto flexible de capacidades de modelado hidráulico que se utilizan para enrutar la escorrentía y las entradas externas a través de la red del sistema de drenaje compuesta por tuberías, canales, unidades de almacenamiento/tratamiento y estructuras de desviación. Estas incluyen la capacidad de realizar lo siguiente:

Gestiona redes de drenaje de tamaño ilimitado. Utiliza una amplia variedad de formas de conductos cerrados y abiertos estándar, así como canales naturales. Modela elementos especiales, como unidades de almacenamiento/tratamiento, divisores de flujo, bombas, vertederos y orificios. Aplica flujos externos y entradas de calidad del agua provenientes de escorrentía superficial, flujo subsuperficial de agua subterránea, infiltración/entrada dependiente de la lluvia, flujo sanitario en tiempo seco y entradas definidas por el usuario. Utiliza métodos de enrutamiento de flujo de onda cinemática o de onda dinámica completa. Modela diversos regímenes de flujo, como remanso, sobrecarga, flujo inverso y encharcamiento superficial. Aplica reglas de control dinámico definidas por el usuario para simular el funcionamiento de bombas, aberturas de orificios y niveles de cresta de vertederos. Percolación de agua infiltrada en capas de agua subterránea. Flujo subsuperficial entre el agua subterránea y el sistema de drenaje. Enrutamiento no lineal de embalses para el flujo superficial. Reducción de la escorrentía mediante controles LID. ^{[ 10 ]}

La función de desarrollo de bajo impacto (LID) fue nueva en SWMM 5.0.019/20/21/22 y SWMM 5.1+ Está integrada dentro de la subcuenca y permite un mayor refinamiento de los desbordamientos, el flujo de infiltración y la evaporación en barriles de lluvia , cunetas , pavimentos permeables , techos verdes , jardines de lluvia , biorretención y zanjas de infiltración . El término desarrollo de bajo impacto (Canadá/EE. UU.) se utiliza en Canadá y Estados Unidos para describir un enfoque de planificación territorial y diseño de ingeniería para gestionar la escorrentía de aguas pluviales. En los últimos años, muchos estados de EE. UU. han adoptado conceptos y estándares LID para mejorar su enfoque para reducir el potencial dañino de contaminación de aguas pluviales en nuevos proyectos de construcción. LID adopta muchas formas, pero generalmente puede considerarse como un esfuerzo para minimizar o prevenir flujos concentrados de aguas pluviales que salen de un sitio. Para ello, la práctica LID sugiere que cuando se utilizan superficies impermeables (hormigón, etc.), estas se interrumpan periódicamente con áreas permeables que permitan que el agua de lluvia se infiltre (se filtre en la tierra).

En SWMM5 se pueden definir diversos subprocesos en cada LID, tales como: superficie, pavimento, suelo, almacenamiento, malla de drenaje y drenaje.

Cada tipo de LID tiene limitaciones en el tipo de subproceso permitido por SWMM 5. Tiene una buena función de informe y un informe de resumen de LID puede estar en el archivo rpt y un archivo de informe externo en el que se puede ver la profundidad de la superficie, humedad del suelo, profundidad de almacenamiento, flujo de entrada superficial, evaporación, infiltración superficial, percolación del suelo, infiltración de almacenamiento, flujo de salida superficial y el error de continuidad del LID. Puede haber múltiples LID por subcuenca y no ha habido problemas debido a tener muchas subredes y procesos LID complejos dentro de las subcuencas de SWMM 5 o cualquier problema de continuidad que no se pueda resolver con un paso de tiempo de hidrología húmeda más pequeño. Los tipos de compartimentos LID de SWMM 5 son: almacenamiento, drenaje subterráneo, superficie, pavimento y suelo. una celda de biorretención tiene compartimentos de almacenamiento, drenaje subterráneo y superficie. una tapa de zanja de infiltración tiene compartimentos de almacenamiento, drenaje subterráneo y superficie. Un LID de pavimento poroso tiene compartimentos de almacenamiento, drenaje subterráneo y pavimento. Un barril de lluvia solo tiene compartimentos de almacenamiento y drenaje inferior, y una cuneta vegetada LID tiene un único compartimento superficial. Cada tipo de LID comparte diferentes objetos de compartimento subyacentes en SWMM 5, que se denominan capas.

Este conjunto de ecuaciones se puede resolver numéricamente en cada paso de tiempo de escorrentía para determinar cómo un hidrograma de entrada a la unidad LID se convierte en una combinación de hidrograma de escorrentía, almacenamiento subsuperficial, drenaje subsuperficial e infiltración en el suelo nativo circundante. Además de las jardineras urbanas y los techos verdes, el modelo de biorretención descrito se puede utilizar para representar jardines de lluvia eliminando la capa de almacenamiento y también sistemas de pavimento poroso reemplazando la capa de suelo por una capa de pavimento.

La capa superficial del LID recibe tanto la lluvia directa como la escorrentía de otras áreas. Pierde agua por infiltración en la capa de suelo inferior, por evapotranspiración (ET) del agua almacenada en depósitos y captación vegetativa, y por cualquier escorrentía superficial que pueda producirse. La capa de suelo contiene una mezcla de suelo enmendada que puede sustentar el crecimiento vegetativo. Recibe infiltración de la capa superficial y pierde agua por ET y por percolación en la capa de almacenamiento inferior. La capa de almacenamiento está compuesta de piedra triturada gruesa o grava. Recibe percolación de la zona de suelo superior y pierde agua por infiltración en el suelo natural subyacente o por salida a través de un sistema de drenaje subterráneo de tuberías perforadas.

Novedades de julio de 2013 La Calculadora Nacional de Aguas Pluviales de la EPA es una aplicación de escritorio para Windows que estima la cantidad anual de agua de lluvia y la frecuencia de escorrentía de un sitio específico en cualquier lugar de los Estados Unidos. ^{[ 17 ]} Las estimaciones se basan en las condiciones locales del suelo, la cobertura vegetal y los registros históricos de precipitaciones. La Calculadora accede a varias bases de datos nacionales que proporcionan información sobre el suelo, la topografía, las precipitaciones y la evaporación para el sitio elegido. El usuario proporciona información sobre la cobertura vegetal del sitio y selecciona los tipos de controles de desarrollo de bajo impacto (LID) que desea utilizar en el sitio. Las características de control LID en SWMM 5.1.013 incluyen los siguientes tipos de infraestructura verde :

• Jardinera urbana: Las celdas de biorretención son depresiones que contienen vegetación cultivada en una mezcla de suelo especialmente diseñada, colocada sobre una capa de drenaje de grava. Proporcionan almacenamiento, infiltración y evaporación tanto de la lluvia directa como de la escorrentía captada de las áreas circundantes. Las jardineras urbanas consisten en cajas de hormigón rellenas con un suelo especialmente diseñado que favorece el crecimiento de la vegetación. Debajo del suelo hay una capa de grava que proporciona almacenamiento adicional. Las paredes de la jardinera se extienden de 7,5 a 30 cm por encima de la capa de suelo para permitir la acumulación de agua en su interior. El espesor del sustrato varía de 15 a 60 cm, mientras que la capa de grava tiene una profundidad de 15 a 45 cm. El índice de captación de la jardinera es la relación entre su superficie y la superficie impermeable cuya escorrentía capta.

• Jardín de lluvia: Los jardines de lluvia son un tipo de celda de biorretención que consiste únicamente en una capa de suelo especialmente diseñado, sin lecho de grava debajo. ^{[ 18 ]} Los jardines de lluvia son depresiones poco profundas rellenas con una mezcla de suelo especialmente diseñada que favorece el crecimiento de vegetación. Generalmente se utilizan en terrenos residenciales individuales para captar el agua de lluvia de los tejados. La profundidad típica del suelo oscila entre 6 y 18 pulgadas. La tasa de captación es la relación entre la superficie del jardín de lluvia y la superficie impermeable que drena hacia él.

• Techo verde: Los techos verdes son otra variante de las celdas de biorretención que consisten en una capa de tierra sobre una estera de drenaje especial que canaliza el exceso de agua de lluvia filtrada fuera del techo. Los techos verdes (también conocidos como techos vegetados) son sistemas de biorretención instalados en la superficie del techo que capturan y almacenan temporalmente el agua de lluvia en un sustrato de cultivo. Consisten en un sistema de techos en capas diseñado para favorecer el crecimiento de las plantas y retener el agua para su absorción, evitando al mismo tiempo la acumulación de agua en la superficie del techo. El grosor del sustrato de cultivo suele oscilar entre 7,5 y 15 cm.

• Zanja de infiltración: Las zanjas de infiltración son cunetas estrechas rellenas de grava que interceptan la escorrentía procedente de zonas impermeables situadas ladera arriba. Proporcionan volumen de almacenamiento y tiempo adicional para que la escorrentía captada se infiltre en el suelo nativo subyacente.

• Los sistemas de pavimentos permeables PermPave [ ^{19 ] son} ​​áreas excavadas rellenas de grava y pavimentadas con una mezcla de hormigón poroso o asfalto. Los sistemas de pavimentos permeables continuos son áreas excavadas rellenas de grava y pavimentadas con una mezcla de hormigón poroso o asfalto. Los sistemas de bloques modulares son similares, excepto que se utilizan adoquines de bloques permeables. Normalmente, toda la lluvia pasará inmediatamente a través del pavimento hacia la capa de almacenamiento de grava debajo de él, donde puede infiltrarse a tasas naturales en el suelo nativo del sitio. Las capas de pavimento suelen tener de 4 a 6 pulgadas de altura, mientras que la capa de almacenamiento de grava suele tener de 6 a 18 pulgadas de altura. La relación de captura es el porcentaje del área tratada (calle o estacionamiento) que se reemplaza con pavimento permeable.
• Cisterna: Los barriles de lluvia (o cisternas ) son recipientes que recogen el agua de lluvia de los tejados durante las tormentas y pueden liberarla o reutilizarla durante los periodos secos. Los sistemas de recolección de agua de lluvia recogen el agua de los tejados y la transportan a una cisterna donde se puede utilizar para usos no potables y para la infiltración in situ. Se supone que el sistema de recolección consta de un número determinado de cisternas de tamaño fijo por cada 1000 pies cuadrados de superficie de tejado captada. El agua de cada cisterna se extrae a un ritmo constante y se supone que se consume o se infiltra completamente en el lugar.
• Cunetas vegetadas: Las cunetas vegetadas son canales o áreas deprimidas con laderas inclinadas cubiertas de hierba y otra vegetación. Ralentizan el flujo del agua de escorrentía y le permiten infiltrarse en el suelo. Las cuencas de infiltración son depresiones poco profundas rellenas de hierba u otra vegetación natural que capturan la escorrentía de las áreas adyacentes y permiten que se infiltre en el suelo.
• Los estanques húmedos se utilizan frecuentemente para mejorar la calidad del agua, recargar acuíferos , proteger contra inundaciones, embellecer el paisaje o para cualquier combinación de estos fines. En ocasiones, actúan como sustitutos de la absorción natural de un bosque u otro proceso natural que se pierde al urbanizar una zona. Por ello, estas estructuras se diseñan para integrarse en los vecindarios y se consideran un elemento de interés.
• Los estanques secos almacenan agua temporalmente después de una tormenta, pero finalmente se vacían a un ritmo controlado hacia un cuerpo de agua aguas abajo.
• Los filtros de arena generalmente controlan la calidad del agua de escorrentía, proporcionando un control de caudal muy limitado. ^{[ 20 ]} Un sistema típico de filtro de arena consta de dos o tres cámaras o balsas. La primera es la cámara de sedimentación, que elimina los materiales flotantes y los sedimentos pesados. La segunda es la cámara de filtración, que elimina contaminantes adicionales al filtrar la escorrentía a través de un lecho de arena. La tercera es la cámara de descarga. La zanja de infiltración es un tipo de práctica de gestión óptima (BMP, por sus siglas en inglés) que se utiliza para gestionar la escorrentía de aguas pluviales, prevenir inundaciones y erosión aguas abajo, y mejorar la calidad del agua en un río, arroyo, lago o bahía adyacente. Es una zanja excavada poco profunda rellena de grava o piedra triturada que está diseñada para infiltrar el agua de lluvia a través de suelos permeables hacia el acuífero subterráneo.
• Una franja filtrante vegetada es un tipo de franja de protección, generalmente estrecha y alargada, que reduce la velocidad de la escorrentía, permitiendo que los sedimentos, la materia orgánica y otros contaminantes arrastrados por el agua se depositen por sedimentación. Las franjas filtrantes reducen la erosión y la consiguiente contaminación de los arroyos, y pueden ser una práctica de gestión óptima.

Otros conceptos similares a LID en todo el mundo incluyen los sistemas de drenaje sostenible (SUDS). La idea detrás de los SUDS es intentar replicar los sistemas naturales que utilizan soluciones rentables con bajo impacto ambiental para drenar las aguas residuales y superficiales mediante su recolección, almacenamiento y tratamiento, antes de permitir que se liberen lentamente al medio ambiente, por ejemplo, en cursos de agua.

Además, también se pueden simular las siguientes características utilizando las características de SWMM 5 ( estanques de almacenamiento , filtraciones , orificios, vertederos , filtraciones y evaporación de canales naturales): humedales artificiales , estanques húmedos , estanques secos , cuenca de infiltración, filtros de arena no superficiales , franjas filtrantes vegetadas , franja filtrante vegetada y cuenca de infiltración. Un WetPark sería una combinación de estanques húmedos y secos y características LID. Un WetPark también se considera un humedal artificial.

Los componentes principales de SWMM 5.0.001 a 5.1.022 son pluviómetros, cuencas hidrográficas , controles LID o características BMP como estanques húmedos y secos, nodos, enlaces, contaminantes, usos del suelo, patrones temporales, curvas, series temporales, controles, transectos, acuíferos, hidrogramas unitarios, deshielo y formas (Tabla 3). Otros objetos relacionados son los tipos de nodos y las formas de enlace. El propósito de los objetos es simular los componentes principales del ciclo hidrológico , los componentes hidráulicos de la red de drenaje, alcantarillado o aguas pluviales, y las funciones de acumulación/lavado que permiten la simulación de los constituyentes de la calidad del agua. Una simulación de cuenca hidrográfica comienza con un historial temporal de precipitación. SWMM 5 tiene muchos tipos de tuberías y canales abiertos y cerrados: ficticios, circulares, circulares rellenos, rectangulares cerrados, rectangulares abiertos, trapezoidales, triangulares, parabólicos, de función de potencia, triangulares rectangulares, rectangulares redondos, de asa de cesta modificada, elipses horizontales, elipses verticales, arcos, en forma de huevo, herradura, góticos, catenarios, semielípticos, de asa de cesta, semicirculares, irregulares, personalizados y de fuerza principal.

Los principales objetos o componentes hidrológicos e hidráulicos en SWMM 5 son:

1. Pluviómetro GAGE
2. SUBCAZA subcuenca
3. nodo del sistema de transporte NODE
4. Enlace del sistema de transporte LINK
5. CONTAMINANTE
6. USO DEL SUELO categoría de uso del suelo
7. PATRÓN TEMPORAL, patrón de flujo temporal en tiempo seco
8. Tabla genérica de valores de CURVE
9. TSERIES series temporales genéricas de valores
10. Reglas de control del sistema de transporte CONTROL
11. TRANSECCIÓN de sección transversal de canal irregular
12. ACUÍFERO agua subterránea acuífero
13. Hidrograma unitario UNITHYD RDII
14. Conjunto de parámetros de deshielo SNOWMELT
15. Forma de conducto personalizada SHAPE
16. Unidades de tratamiento LID LID

Los principales componentes generales se llaman en el archivo de entrada SWMM 5 y el código C del motor de simulación: gage, subcatch, node, link, pollute, landuse, timepattern, curve, tseries, control, transect, aquifer, unithyd, snowmelt, shape y lid. Los subconjuntos de nodos posibles son: junction, outfall, storage y divider. Los nodos de almacenamiento son tabulares con una tabla de profundidad/área o una relación funcional entre área y profundidad. Las entradas de nodo posibles incluyen: external_inflow, dry_weather_inflow, wet_weather_inflow, groundwater_inflow, rdii_inflow, flow_inflow, concen_inflow y mass_inflow. Las entradas de tiempo seco pueden incluir los patrones posibles: monthly_pattern, daily_pattern, hourly_pattern y weekend_pattern.

La estructura de componentes de SWMM 5 permite al usuario elegir qué componentes principales de hidrología e hidráulica se utilizan durante la simulación:

1. Precipitación/escorrentía con opciones de infiltración: Horton, Horton modificado, Green Ampt y número de curva.
2. RDII
3. Calidad del agua
4. aguas subterráneas
5. deshielo
6. Enrutamiento de flujo con opciones de enrutamiento: estado estacionario, onda cinemática y onda dinámica.

El convertidor SWMM 3 y SWMM 4 puede convertir hasta dos archivos de las versiones anteriores de SWMM 3 y 4 a SWMM 5 a la vez. Normalmente, se convertiría un archivo Runoff y Transport a SWMM 5 o un archivo Runoff y Extran a SWMM 5. Si hay una combinación de una red SWMM 4 Runoff, Transport y Extran, entonces tendrá que convertirse por partes y los dos conjuntos de datos tendrán que copiarse y pegarse juntos para hacer un conjunto de datos SWMM 5. El archivo de coordenadas x,y solo es necesario si no hay coordenadas x,y existentes en la línea D1 del conjunto de datos de entrada SWMM 4 Extran. El comando Archivo=>Definir archivo Ini puede usarse para definir la ubicación del archivo ini . El archivo ini guardará los archivos y directorios de datos de entrada del proyecto de conversión.

Los archivos SWMM3 y SWMM 3.5 tienen formato fijo. Los archivos SWMM 4 tienen formato libre. El convertidor detectará la versión de SWMM que se esté utilizando. Los archivos convertidos se pueden combinar con un editor de texto para fusionar los archivos .inp generados.

La herramienta de ajuste climático del modelo de gestión de aguas pluviales (SWMM-CAT) ^{[ 10 ]} es una nueva incorporación a SWMM5 (diciembre de 2014). Se trata de una utilidad de software sencilla que permite incorporar proyecciones futuras del cambio climático al modelo de gestión de aguas pluviales (SWMM). SWMM se actualizó recientemente para aceptar un conjunto de factores de ajuste mensuales para cada una de estas series temporales que podrían representar el impacto de futuros cambios en las condiciones climáticas. SWMM-CAT proporciona un conjunto de ajustes específicos para cada ubicación, derivados de modelos globales de cambio climático ejecutados como parte del archivo de la Fase 3 del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP3) del Programa Mundial de Investigación Climática (WCRP) (Figura 4). SWMM-CAT es una utilidad que añade ajustes específicos para cada ubicación al archivo de proyecto del modelo de gestión de aguas pluviales (SWMM). Los ajustes se pueden aplicar mensualmente a la temperatura del aire, las tasas de evaporación y la precipitación, así como a la tormenta de diseño de 24 horas en diferentes intervalos de recurrencia. La fuente de estos ajustes son los modelos globales de cambio climático ejecutados como parte del archivo de la Fase 3 del Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP3) del Programa Mundial de Investigación Climática (WCRP). Los resultados a escala reducida de este archivo fueron generados y convertidos en cambios con respecto a los valores históricos por el proyecto CREAT de la USEPA. ^{[ 21 ]}

Los siguientes pasos se utilizan para seleccionar un conjunto de ajustes que se aplicarán a SWMM5:

1) Introduzca las coordenadas de latitud y longitud de la ubicación, si están disponibles, o su código postal de 5 dígitos. SWMM-CAT mostrará un rango de resultados del cambio climático para los resultados de CMIP3 más cercanos a la ubicación.

2) Seleccione si desea utilizar proyecciones de cambio climático basadas en un período de proyección a corto o largo plazo. Los resultados de cambio climático mostrados se actualizarán para reflejar la opción elegida.

3) Seleccione un resultado de cambio climático para guardar en SWMM. Hay tres opciones que abarcan el rango de resultados producidos por los diferentes modelos climáticos globales utilizados en el proyecto CMIP3. El resultado Cálido/Seco representa un modelo cuyo cambio de temperatura promedio fue alto y cuyo cambio de precipitación promedio fue bajo en comparación con todas las proyecciones del modelo. El resultado Cálido/Húmedo representa un modelo cuyo cambio de temperatura promedio fue bajo y cuyo cambio de precipitación promedio fue alto en comparación con el extremo más húmedo del espectro. El resultado Mediano corresponde a un modelo cuyos cambios de temperatura y precipitación fueron los más cercanos a la mediana de todos los modelos.

4) Haga clic en el enlace «Guardar ajustes en SWMM» para abrir un cuadro de diálogo que le permitirá seleccionar un archivo de proyecto SWMM existente donde guardar los ajustes. El formulario también le permitirá seleccionar el tipo de ajustes que desea guardar (temperatura mensual, evaporación, precipitación o tormenta de diseño de 24 horas). La conversión de las unidades de temperatura y evaporación se realiza automáticamente según el sistema de unidades (EE. UU. o SI) detectado en el archivo SWMM.

Otros programas externos que ayudan a generar datos para el modelo EPA SWMM 5 incluyen: SUSTAIN, ^{[ 22 ]} BASINS, ^{[ 23 ]} SSOAP, ^{[ 24 ]} y la Calculadora Nacional de Aguas Pluviales (SWC) de la EPA ^{[ 17 ]} , que es una aplicación de escritorio que estima la cantidad anual de agua de lluvia y la frecuencia de escorrentía de un sitio específico en cualquier lugar de los Estados Unidos (incluido Puerto Rico). Las estimaciones se basan en las condiciones locales del suelo, la cobertura vegetal y los registros históricos de precipitaciones (Figura 5).

El motor SWMM5 es utilizado por diversos paquetes de software, incluyendo muchos paquetes de software comerciales. Algunos de estos paquetes de software son:

• h3O por Aqualyze ^{[ 25 ]}
• SewerGEMS de Bentley ^{[ 25 ]}
• StormNET de BOSS ^{[ 25 ]}
• PCSWMM por CHI ^{[ 25 ]}
• MIKE URBAN por DHI ^{[ 25 ]}
• InfoSWMM de Innovyze ^{[ 25 ]}
• xpswmm de XP Software ^{[ 25 ]}
• PySWMM por OWA ^{[ 26 ]}
• GeoSWMM de Utilian ^{[ 27 ]}

• modelo SWAT
• Modelo estocástico empírico de carga y dilución – Modelo de calidad de aguas pluviales 
• WAFLEX – Modelo de ríos 
• Hidrología : Ciencia del movimiento, distribución y calidad del agua en la Tierra. 
• Hidráulica – Ingeniería aplicada que involucra líquidos 
• Escorrentía superficial : flujo de agua de lluvia en exceso que no se infiltra en el suelo sobre su superficie. 
• Precipitación (meteorología) – Vapor de agua condensado que cae de las nubes. Páginas que muestran descripciones breves de los destinos de redireccionamiento. 
• Humedad antecedente
• Evapotranspiración : procesos naturales de movimiento del agua dentro del ciclo del agua. 
• EPANET – Software de modelado de sistemas de distribución de agua 
• Precipitación – Forma de precipitación Páginas que muestran descripciones breves de destinos de redirección 
• Modelo de transporte hidrológico – Tipo de modelo matemático 
• Simulación por ordenador : proceso de modelado matemático realizado en un ordenador. 
• Contaminación del agua – Contaminación de los cuerpos de agua 
• Calidad del agua : evaluación conforme a las normas de uso. 
• Hidrología de aguas superficiales : Subcampo de la hidrología que se ocupa de las aguas superficiales. 

• Descarga de EPA SWMM 5.2
• Calculadora nacional de aguas pluviales de la EPA - Basada en SWMM 5
• "¿Qué es la gestión de aguas pluviales y por qué es importante?" . Consultoría ambiental experta - . 31/01/2018 . Consultado el 11/12/2023 .