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III Jornadas de Ingeniería del Agua La protección contra los riesgos hídricos
© Marcombo S.A., Barcelona, ISBN XXX-X-XXX-XXXXX-X
Estudio de la peligrosidad por inundaciones en el Raval
(Barcelona) mediante modelo 1D-2D
Beniamino Russo Escuela Politécnica de La Almunia (EUPLA), Universidad de Zaragoza
Calle Mayor, s/n, 50100, La Almunia de Doña Godina, Zaragoza
David Suñer Clavegueram de Barcelona S.A. CLABSA
Calle Acer nº 16, 08038 Barcelona
Marc Velasco CETaqua, Centro Tecnológico del Agua
Carretera d’Esplugues 75, 08940 Cornellà de Llobregat, Barcelona
1. Introducción
Barcelona goza de un clima típicamente mediterráneo caracterizado por una precipitación
anual acumulada es de 600 mm, pero con intensidades muy elevadas (la intensidad cinco
minutal para periodo de retorno de 10 años es superior a 200 mm/h). La morfología de la
ciudad presenta zonas en la parte alta de la ciudad con pendientes muy elevadas y zonas
llanas cerca de la costa. La combinación de episodios de lluvias intensas con una morfología
hidrológicamente tan adversa hace que el drenaje de la ciudad tenga una especial relevancia
con zonas y puntos críticos en la parte baja de la ciudad. A raíz de esa problemática, en 1992
se fundó la empresa CLABSA (Clavegueram de Barcelona S.A.) para la modernización de la
gestión del sistema de drenaje de la ciudad que se ha ido mejorando de forma considerable
gracias a tres pilares básicos: el uso de modelos hidráulicos, la construcción de nuevas
infraestructuras y la gestión en tiempo real. Aún así, a pesar de estas mejoras, existen
todavía puntos de la ciudad que presentan riesgos de inundaciones.
En el marco de dos proyectos europeos de I+D+i, CORFU y PREPARED, se ha estudiado en
detalle una de las zonas más problemáticas de la ciudad, la zona del Paralelo - Raval. Esta
zona con aproximadamente 50.000 habitantes en un área de 1.1 Km2 es una de las zonas
más densamente pobladas de Europa con una fuerte tase de superficie impermeable y
numerosos elementos vulnerables (escuelas, hospitales, calles con elevado tráfico vehicular
y peatonal, etc.). Además, en esta zona, los modelos de alcantarillado tradicionales 1D son
incapaces de reproducir correctamente la problemática de las inundaciones puesto que las
mismas se deben principalmente al flujo superficial procedente de las cuencas situadas
aguas arriba. Por esa razón uno de los objetivos del caso de estudio fue desarrollar un
modelo 1D/2D donde se representase el flujo unidimensional de la red de alcantarillado a la
vez que el flujo bidimensional de la escorrentía superficial.
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2. Metodología
2.1 Aspectos generales para la creación de un modelo urbano 1D-2D
Actualmente la creación de un modelo acoplado 1D/2D es la manera más adecuada y más
realista para analizar el comportamiento hidráulico de las zonas urbanas que sufren
problemas de inundaciones. El modelo 2D se usa para el análisis del comportamiento
hidráulico superficial formado por calles, aceras, plazas, etc. y el modelo 1D simula el
comportamiento hidraúlico de la red de alcantarillado. Para asegurar unos buenos
resultados no es suficiente con disponer de un software y un hardware tecnológicamente
avanzados sino que deben considerarse cuidadosamente otros aspectos como:
Disponer de información topográfica detallada capaz de reproducir la compleja
morfología urbana.
Una metodología capaz de tener en cuenta el intercambio real de flujo entre la
red superficial de calles y la red subterránea del alcantarillado.
Datos necesarios de lluvia, niveles – caudales y datos operacionales (movimientos
de compuertas, bombeos, gestión de depósitos, etc.) para ajustar y calibrar
correctamente el modelo.
Todos estos aspectos fueron considerados durante la creación del modelo 1D/2D de la
zona del Raval (Barcelona). El software usado fue la versión 3.5 de Infoworks Integrated
Catchment Modelling (a continuación ICM) de la empresa Innovyze.
2.2 Información de topografía
Las zonas urbanas presentan una topografía muy compleja debido a la presencia de
elementos tales como edificios, calles, aceras, etc. Durante un episodio de lluvia, en
general, la escorrentía que se produce en los tejados entra directamente a la red de
alcantarillado a través de los bajantes de los edificios, mientras la escorrentía que se
genera en las calles, las plazas y los parques circula a través de estas superficies hasta
encontrar algún sumidero a través del cual se incorpora a la red de alcantarillado. Este
flujo superficial en zonas urbanas presenta, generalmente, bajos calados (15-20 cm) y
velocidades elevadas (3-4 m/s). En estas condiciones es crucial disponer de un modelo
digital del terreno (MDT) de alta resolución. Para este estudio se usó un MDT del Institut
Cartogràfic de Catalunya con una resolución de 1m2 y una precisión altimétrica de 15 cm.
2.3 Caracterización del flujo superficial
Otra de las claves para el desarrollo de un buen modelo de flujo dual 1D/2D es tener bien
caracterizado el intercambio de flujo entre las dos capas de drenaje a través tanto de los
pozos y de los sumideros.
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Figura 1. Interacción entre el flujo superficial y el flujo del alcantarillado (Schmitt et al.2004)
Para conseguirlo, se usaron las ecuaciones desarrolladas por Gomez y Russo (2009; 2011) aplicándolas a cada uno de los sumideros del Distrito del Raval (más de 2600 sumideros de 50 tipologías diferentes). Estas 50 tipologías se clasificaron en 8 grupos cada uno representado por una reja tipo previamente analizada por Gomez y Russo (2011) y se comparó la eficiencia de estas en relación con la reja más habitual de la ciudad (Reja tipo Barcelona 1). Así para cada subtramo de calle se obtuvo un número equivalente de rejas tipo Barcelona 1 cuyo comportamiento hidráulico fuese igual al número real de rejas de diferentes tipologías existentes en el tramo de calle considerado.
Figura 2. Tipo de rejas consideradas en el modelo del Raval. La reja tipo Barcelona 1 es la marcada
en rojo.
2.4 Creación del modelo acoplado 1D-2D
Como se ha dicho anteriormente, la manera más adecuada de modelizar la complejidad
de los procesos hidrológicos e hidráulicos que se producen en la ciudad es a través de
modelos 1D/2D acoplados.
A pesar de que el objetivo del caso de estudio fuera la estimación de la peligrosidad en la
zona del Raval (casco antiguo de Barcelona), con el fin considerar todo el flujo superficial y
del alcantarillado que puede alcanzar esta zona se ha tenido que considerar una zona
mucho más extensa situada aguas arriba del mismo Raval. Por esa razón el modelo final
representa un área de 44 Km2 con 3625 nodos, 234 Km de longitud de red y 6 depósitos
de uso mixto con una capacidad total de 170.000 m3.
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Figura 3. Vista general del modelo finalmente usado en el caso de estudio. En rosa se representan las
zonas permeables de la zona estudiada. En el círculo rojo la zona del Raval con alta densidad de red.
Una malla 2D cubre todo el ámbito del modelo con 403.925 triángulos. Los parques y otras
zonas verdes se han representado en la misma malla 2D pero como “zonas de infiltración”
caracterizadas a través de específicos parámetros hidrológicos, mientras que los edificios
se han representado como áreas vacías por lo que se refiere a la capa superficial. Sin
embargo la escorrentía generada en estas superficies se ha conectado directamente a la
red de alcantarillado.
El software ICM concentra el intercambio de flujo entre el modelo 2D superficial y el 1D
del alcantarillado a través de los nodos. Estos pueden ser de dos tipos:
2D: El intercambio de agua entre entre el pozo 2D y la malla se calcula usando
ecuaciones de aliviadero considerando la cota de aliviadero como la del terreno y
la longitud del labio como el perímetro del pozo.
Gully 2D: Para estos nodos, la relación de intercambio se hace a través de una
relación nivel / caudal específica introducida de forma manual en el modelo.
Los nodos situados fuera del distrito del Raval, se definieron como nodos de tipo 2D por
tratarse de modelo simplificado (solo con red principal) y donde no se entró en el detalle
de modelizar el número y el tipo de sumideros de cada zona. Por el contrario, los nodos
situados dentro del distrito del Raval se modelizaron como nodos Gully 2D. Así para cada
nodo se calculó su microcuenca asociada, se cuantificó el número y tipo de sumideros
existentes en cada microcuenca, se les asoció un número de rejas del tipo Barcelona1
equivalentes y finalmente se introdujo este valor junto con la curva nivel caudal calculada
según la metodología anterior (Gómez y Russo, 2011) para las rejas de tipo Barcelona 1.
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Figura 4. Microcuencas de la zona del Raval y ejemplo de curva nivel/caudal para nodos Gully 2D.
2.5 Calibración y validación del modelo
Debido a los cambios recientes que se han producido en la red de drenaje (con nuevos
colectores y depósitos de uso mixto que pasaron a ser operativos los últimos años), los
episodios de lluvia seleccionados para la calibración del modelo fueron todos del año
2011. Tres episodios se utilizaron para la calibración (episodios del 15/3/2011 con
precipitación total de 54.1 mm, episodio del 7/6/2011 con precipitación total de 26.8 mm,
episodio del 19/7/2011 con precipitación total de 45.9 mm) y para la validación el del
30/07/2011 (precipitación total de 30.4 mm). Para estos episodios se compararon tanto
datos de sensores de nivel en colectores como niveles de inundación en la calle (Figura 5).
Figura 5. Ejemplos de resultados del proceso de calibración y validación del modelo. En la parte alta
de la figura resultado de la calibración en los colectores del Paralelo para los eventos del 19 y 30 de
julio 2011. En la parte baja de la figura, validación del flujo superficial en la Calle de Sant Pau.
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3. Resultados
A través del modelo acoplado 1D/2D, se han generado mapas de peligrosidad para el
escenario actual y un escenario de cambio climático para el horizonte de 2050 y un
escenario de emisión crítico (A1B). Este escenario se caracteriza por un aumento de la
lluvia de diseño del 8, 12 y 15% para los periodos de retorno de 1, 10 y 100 años
respectivamente (Rodríguez et al., 2013). En el marco del caso de estudio se han analizado
los tres períodos de retorno descritos, aunque en este artículo se presentan sólo los
resultados referentes a 10 años de periodo de retorno.
3.1 Análisis de la peligrosidad para peatones
Aplicando los resultados del modelo para una lluvia sintética con periodo de retorno T= 10
años al escenario actual y futuro, y aplicando unos criterios de peligrosidad específicos
para la estabilidad del peatón en calles urbanas durante episodios extremos de lluvia
(Figura 6) (Russo et al., 2013), se ha obtenido que, por efecto del cambio climático, el área
que presenta alta peligrosidad para peatones pasa del 19% al 26% del total.
Figura 6. A la izquierda criterios de peligrosidad para peatones aplicados en Barcelona. A la derecha
comparativa entre el escenario actual y el escenario futuro con cambio climático. En rojo, amarillo y
verde se representan las zonas con peligrosidad alta, moderada y baja respectivamente.
3.2 Análisis de la peligrosidad para vehículos
Siguiendo la misma metodología pero aplicando criterios de peligrosidad específicos para
vehículos (Shand et al., 2011), se ha podido concluir que no hay variaciones significativas,
en términos de superficies afectadas por peligrosidad alta, debido al efecto del cambio
climático para el periodo de retorno considerado. Sin embargo las diferencias son más
significativas para periodos de retorno altos.
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Figura 7. A la izquierda criterios de peligrosidad para vehículos aplicados en Barcelona. A la derecha
comparativa entre el escenario actual y el escenario futuro con cambio climático. En rojo, amarillo y
verde se representan las zonas con peligrosidad alta, moderada y baja respectivamente.
3.2 Análisis del riesgo para bienes
El riesgo por inundación asociado a las propiedades y los bienes se ha obtenido a partir de
niveles de inundación en los edificios y cruzando esta información con curvas de daños
especialmente creadas en el proyecto según la tipología de edificio y su contenido
(comercial, residencial, hoteles, etc.) y actualizadas para el horizonte 2050 con específicas
hipótesis de crecimiento socioeconómico. En este análisis comparativo si se puede
visualizar el impacto muy significativo que el cambio climático puede tener en los costes
asociados a inundaciones en el Raval, pasando los mismos costes de 1.6 M€ a 8.3 M€.
Figura 8. A la izquierda curva de daños para diferentes tipologías de edificio. A la derecha
comparativa entre el escenario actual y el escenario futuro con cambio climático.
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4. Conclusiones
En el marco de dos proyectos europeos (CORFU y PREPARED) se ha creado un modelo
acoplado 1D/2D en el distrito del Raval de Barcelona que permita la estimación local del
flujo en superficie durante inundaciones producidas por eventos de lluvias extremos.
Esta información se ha utilizado para la creación de mapas de peligrosidad para el flujo
vehicular y peatonal. A través de estudios específicos relativos a los efectos del cambio
climático sobre la pluviometría de Barcelona, se ha analizado la evolución de estos mapas
para el horizonte 2050 y diferentes periodos de retorno (T = 1, 10, 100 años).
Finalmente se han generado mapas de daños para el escenario actual y un escenario
futuro a partir de la creación de curvas de daños sintéticas y escenarios socioeconómicos
aplicados a la ciudad de Barcelona.
5. Agradecimientos
Los resultados presentados se enmarcan dentro de dos proyectos europeos financiados
por la Comisión Europea a través del 7º PM:
Proyecto CORFU (Collaborative research on flood resilience in urban areas).
Proyecto PREPARED (PREPARED enabling changes)
Los autores agradecen también el apoyo del personal de Innovyze por el apoyo brindado
durante la realización del trabajo.
Referencias
Gómez M. and Russo B. (2011). Methodology to estimate hydraulic efficiency of drain inlets.
Proceedings of the ICE-Water Management. Institution of Civil Engineers, 164(2), 81-90.
Innovyze (2012). InfoWorks ICM (Integrated Catchment Modeling) v.3.5. User manual
references.
Rodríguez, R., Navarro, X., Casas, M.C., Ribalaygua, J., Russo, B., Pouget, L., Redaño, A. 2013.
Influence of climate change on IDF curves for the metropolitan area of Barcelona
(Spain). International Journal of Climatology.
Russo B., Gómez M, Macchione M. (2013). Pedestrian hazard criteria for flooded urban areas.
Natural Hazards. Springer. DOI 10.1007/s11069-013-0702-2.
Shand T. D., Cox R. C., Blacka M. J., Smith G. B. 2011. Appropriate Safety Criteria for Vehicles.
Literature Review. Stage 2 Report, Australian rainfall and runoff Project 10. Engineering
Australia, Water Engineering.
Schmitt, T. G., Thomas, M., and Ettrich N. (2004). Analysis and modeling of flooding in urban
drainage systems. Journal of Hydrology, 299(3-4), 300-311.