Diseño de colectores del sistema de drenaje urbano de la nueva ciudad Olmos haciendo uso de métodos tradicionales y alternativos

Abstract

La zona norte del Perú se caracteriza por presentar eventualmente lluvias de gran intensidad originados en su mayoría por el Fenómeno El Niño. Sin embargo, a lo largo de los años y hasta la actualidad se ha visto que los sistemas de drenaje pluvial de muchas ciudades en el Perú no han podido mitigar con éxito los estragos originados por este fenómeno. Por tanto, resulta indispensable contar con un sistema de drenaje pluvial urbano que permita recolectar y evacuar la escorrentía superficial producida por las lluvias, incluso en aquellos eventos extraordinarios. Entonces, es necesario conocer y seleccionar con criterio las herramientas y metodologías para el diseño de un eficiente y óptimo sistema de drenaje pluvial urbano. La presente tesis realiza el diseño del sistema de drenaje pluvial urbano de la Nueva Ciudad Olmos por medio de la aplicación de siete metodologías para estimar los caudales de diseño y diseñar los colectores. Estas metodologías son el Método Racional, Método Racional Modificado, Método Tiempo-Área, Método TRRL, Método Gráfico Alemán, Método de la Onda Cinemática y Método de la Onda Dinámica. El propósito de aplicar las siete metodologías es comparar, analizar y evaluar los resultados y procedimientos que ofrecen cada una de ellas. Esto a su vez permite optimizar el diseño de los colectores desarrollando para ello hojas y herramientas de cálculo. Los caudales y el diseño óptimo de los colectores del Método Racional, Método Racional Modificado, Método Tiempo-Área, Método TRRL y Método Gráfico Alemán se obtuvieron al desarrollar hojas de cálculo, empleando para ello el programa EXCEL, dado que dichas metodologías no requieren de cálculos y análisis muy rigurosos. Por otro lado, para la aplicación del Método de la Onda Cinemática y Método de la Onda Dinámica se utilizó el programa SWMM 5.1, el cual permite simular el drenaje pluvial de un sistema de colectores. La razón de esto es que dichas metodologías requieren de herramientas de cálculo más sofisticadas, eficientes y rápidas, lo cual es ofrecido por el programa SWMM 5.1. Los resultados obtenidos al aplicar las siete metodologías no muestran diferencias significativas en los caudales y diámetros de diseño en los colectores. Sin embargo, al simular el diseño obtenido con el Método Racional en el programa SWMM 5.1 se ha visto que dicha metodología requiere modificaciones para cumplir con los criterios de diseño. Otro resultado que se obtuvo al realizar la presente tesis fue el desarrollo de hojas de cálculo que permitan optimizar el diseño de colectores por medio de los principales parámetros los cuales son el diámetro y la profundidad máxima de excavación de los colectores. Adicionalmente, la presente tesis propone incluir algunos criterios de diseño los cuales no son mencionados en la presente Norma OS.060 Drenaje Pluvial Urbano. Estos criterios son la máxima altura recomendada de excavación para los colectores, y el análisis y modelación del sistema de drenaje para periodos de retornos menores, los cuales garantizan el funcionamiento del sistema de drenaje pluvial para eventos de lluvia no extremos.

The northern part of Peru is characterized by eventual heavy rains originated mostly by the El Niño phenomenon. However, over the years and to the present it has been seen that the storm drain systems of many cities in Peru have not been able to successfully mitigate the ravages caused by this phenomenon. Therefore, it is essential to have an urban storm drain system that allows the collection and evacuation of surface runoff produced by rains, even in those extraordinary events. Then, it is necessary to know and select with criteria the tools and methodologies for the design of an efficient and optimal urban storm drainage system. This thesis carries out the design of the Urban Storm Drainage System of the New Olmos City through the application of seven methodologies to estimate the design flows and design the conduits. These methodologies are the Rational Method, Modified Rational Method, Time-Area Method, TRRL Method, German Graphic Method, Kinematic Wave Method and Dynamic Wave Method. The purpose of applying the seven methodologies is to compare, analyze and evaluate the results and procedures offered by each of them. This in turn allows optimizing the design of the collectors by developing spreadsheets and calculation tools. The flows and the optimal design of the collectors of the Rational Method, Modified Rational Method, Time-Area Method, TRRL Method and German Graphic Method were obtained by developing spreadsheets, using the EXCEL program, since these methodologies do not require very rigorous calculations and analysis. On the other hand, for the application of the Kinematic Wave Method and Dynamic Wave Method, the SWMM 5.1 program was used, which allows simulating the storm drain of a conduit system. The reason for this is that these methodologies require more sophisticated, efficient and fast calculation tools, which is offered by the SWMM 5.1 program. The results obtained when applying the seven methodologies do not show significant differences in the flow rates and design diameters in the collectors. However, when simulating the design obtained with the Rational Method in the SWMM 5.1 program, it has been seen that methodology requires modifications to meet the design criteria. Another result that was obtained when carrying out this thesis was the development of spreadsheets that allow to optimize the design of collectors by means of the main parameters which are the diameter and the maximum depth of excavation of the collectors. Additionally, this thesis proposes to include some design criteria which are not mentioned in the Standard OS.060 Urban Storm Drainage. These criteria are the maximum recommended height of excavation for the collectors, and the análisis and modeling of the drainage system for periods of minor returns, which guarantee the operation of the storm drain system for non-extreme rain events.