Chaak: Computational Hydrology and Hydraulic Aider Kit

Los eventos extremos y su relación con el recurso hídrico en el uso público urbano Puebla, México. 04/10/2023

“Chaak: Computational Hydrology and Hydraulic Aider Kit ” Dr. Carlos Díaz Delgado Equipo de investigación y desarrollo: J. M. Becerril Lara, H. Salinas Tapia, C. Díaz Delgado, D. García Pulido, J. L. Aragón Hernández

 Hoy en día, a nivel mundial, más de 255 millones de personas residen en zonas urbanas que enfrentan condiciones extremas de alto estrés hídrico y, para el año 2030, se estima que esta cifra rebasará los 470 millones de habitantes (World Resource Institute, 2019).  La proporción de la población mundial en zonas urbanas se incrementará pasando de 46.6 % en 2000 a 66.4 % en 2050.  Se prevé que las grandes ciudades enfrenten un mayor estrés hídrico generado por un continuo crecimiento económico, demográfico y la ocurrencia de eventos climáticos extremos más severos donde se incluyen las inundaciones, olas de calor y sequías.  El porcentaje de impermeabilización, cambio de uso de suelo y el transporte del agua pluvial mediante un sistema de alcantarillado son algunos de los factores más importantes que intervienen en la respuesta hidrológica final de una cuenca urbanizada.

 Estas alteraciones en la respuesta hidrológica natural RHN se reflejan directamente en la disminución de la capacidad de infiltración, así como en el incremento y aceleración del volumen de escorrentía, dejando atrás las condiciones naturales y conformando la respuesta hidrológica urbana (RHU)  La población mexicana en 2020 126.1 millones de personas, y estimada para 2050 será de 143.925 millones de habitantes (ONU, 2011, INEGI, 2020).

 La proporción de la población urbana en el país para el año 2000, 74.7%, 77% en 2015, 79% en 2020 y continuará creciendo hasta alcanzar el 86.4% en el año 2050.  De las 186,316 localidades del país, el 48% están en sólo 65 centros urbanos.

 Los principales problemas que ya se observan, y se verán agravados, se encuentran en las grandes ciudades y megalópolis, principalmente las de la Ciudad de México, Monterrey, Guadalajara y Puebla.

Visión de la herramienta Condición hidrológica natural

Proceso de urbanización

Condición hidrológica urbana Drenaje convencional urbano

Impacto Impacto hidrológicourbano Cero hidrológico 𝑚3 ) 𝑠

Caudal (

Volumen de escorrentía

Caudal pico urbano

Caudal pico natural

𝑉𝑢

Tiempo pico urbano

𝑉𝑢 > 𝑉𝑛 𝑉𝑛

Tiempo pico natural

Caudal pico

Tiempo (ℎ)

Tiempo pico

hidroinformática para diseño y análisis de redes de ¿Que es Chaak? Herramienta sistemas urbanos de drenaje con objetivos sostenibles

Análisis integrado Análisis de precipitaciones

Objetivo: obtener curvas IDTr para su uso en el diseño y simulación de redes de drenaje Drenaje pluvial Objetivo: definir las características geométricas de una red de drenaje

Impacto hidrológico urbano Objetivo: Simular el funcionamiento y estimar los beneficios hidrológicos de incorporar SUDS

Impacto hidrológico urbano Objetivo: estimar el impacto hidrológico por urbanización

Diseñar mejores sistemas urbanos de drenaje

Capacidades de Chaak

Análisis de precipitaciones

Curvas IDTr

Urbano Base Sostenible

𝑚3

Caudal ( 𝑠 )

Proyecto

Red de drenaje

Simulación

Diseño

SUDS Tiempo (ℎ)

Adoptar un impacto hidrológico cero Modelo hidrológico

Respuesta hidrológica

SUDS Sostenible

Urbana

Base o natural

Impacto hidrológico urbano

Módulo:Análisis de precipitaciones

Lectura de datos

Análisis de la calidad de datos

Ajuste de distribución de probabilidad

Estimación/construcción de curvas IDTr

Objetivo: Estimar o construir curvas IDTr

Datos requeridos: Datos requeridos: Pruebas disponibles: Funciones de distribución de probabilidad disponibles: Series de intensidadesDetección de precipitación SeriesEstimación: de precipitación de Construcción Aleatoriedad Gumbel Independencia Gamma Homogeneidad Log Normal Log Pearson III máxima a diferentes duraciones método máximadediaria Chen valores singulares

Obtener las características de geométricas Módulo:Drenaje pluvial Objetivo: de diseño para una red de drenaje Componentes Resultados Optimación Opcionesdel dedel diseño: modelo: trazo:

Construcción del modelo

Catálogo de Vista Algoritmo Método Vista en planta: de Periodo ruta mínima: en perfil: Cuencas Tuberías Nodos de tuberías retorno gráfico gráfico; Racional DijkstraCAD; y Floyd–Warshall SHP y CAD

Configuración de parámetros de diseño

Características Inspección visual Mejor trazo: identifica geométricas de redcomponen della diseño final Gama deconductos soluciones que que priorizan reducir el costo del la red y la dirección general de los deResumen construcción flujo resultados del diseño Búsqueda heurística de posibles trazos

Optimación del trazo en planta

Diseño de la red de drenaje

Algoritmo Costos Resumengenético: de los Costo de construcción asociados resultados de diseño: xls

Ponderaciones simples sobre conductos de base geométrica Catálogos configurables

Solución única

Diámetro Recubrimiento (m) mínimo (m) 0.30 0.90 0.38 0.90 0.45 0.90 0.53 0.90 0.60 0.90 0.75 0.90 0.90 1.00 1.05 1.00 1.20 1.00 1.35 1.00 1.52 1.00 1.68 1.00 1.83 1.00 1.98 1.00 2.13 1.30 2.29 1.30

Ancho de zanja (m) 0.85 1.00 1.10 1.10 1.30 1.50 1.70 1.95 2.15 2.15 2.50 2.85 2.85 2.85 3.20 3.55

Espesor de Costo por Costo por plantilla (m) suministro ($/m) instalación ($/m) 0.10 477.09 63.00 0.10 602.13 81.01 0.10 652.45 126.73 0.10 674.19 210.30 0.10 695.92 293.87 0.10 1042.52 353.75 0.10 1530.48 447.54 0.10 2014.36 494.65 0.10 2180.19 527.29 0.10 2890.38 571.23 0.10 3600.57 615.17 0.10 4446.41 741.10 0.10 5292.24 867.03 0.10 6389.41 923.63 0.10 7486.58 980.22 0.10 8805.02 1102.97

Reducir el costo de construcción

Módulo: Impacto hidrológico urbano

Construcción del modelo

Opciones de simulación

Objetivo: estimar el impacto hidrológico por urbanización

Simulación: Sistemas urbanos del de drenaje Componentes modelo:sostenible: Respuesta hidrológica Sistemas de Sistemas de Escorrentía superficial: Onda cinemática, Cuencas Nodos natural osintéticos, base Tuberías infiltración retención hidrogramas hidrograma conocido

Reducir el impacto hidrológico urbano

Respuesta Sistemas de Flujo en conductos: Onda Tormenta hidrológica urbana detención cinemática y onda dinámica

Evolución temporal del Infiltración comportamiento del flujo

Estimación del impacto hidrológico urbano

Retención

Detención Análisis del funcionamiento de SUDS

Conexión entre módulos

Futuras implementaciones Objetivo: Analizar la evolución de la Simulación dual del sistema de drenaje (1D-2D)

Animación Chaak-CA2D

Modelo 2D basado en Autómata celulares Chaak-CA2D

Animación Iber

inundación duración)

(magnitud,

rapidez

y

Cálculo

Futuras implementaciones

Ejecución CPU

Ejecución GPU

Disminuir tiempos de cómputo: Librería OMP Parallel CUDA Potencial implementación dentro de un esquema de optimación

Animación Chaak-CA2D

Animación Iber

Objetivo: Analizar la evolución de la inundación (magnitud, rapidez y duración)

Futuras implementaciones Estimación de la resiliencia de un sistema de drenaje

Diseño específico de SUDS

Sistemas urbanos de drenaje sostenible Infiltración

Retención

¿Dónde ubicar SUDS?

Esquema inteligente para la optimación de SUDS

Maximizar beneficios hidrológicos

Menor costo posible

Detención

Artículo publicado SUADS-WR 02/10/23

Dr. Carlos Diaz Delgado M.C.A. Juan Manuel Becerril Lara

cdiazd@uaemex.mx jbecerrill639@alumno.uaemex.mx

Gracias por su atención…