Atkins
Descubre cómo Atkins modeló la escorrentía en diferentes tipos de suelo en InfoWorks ICM para mitigar los riesgos de inundación en Reigate
Tormenta, alcantarilla, inundación
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Resumen
En los últimos 20 años, el centro de la ciudad de Reigate, en el sur del condado inglés de Surrey, se inundó regularmente debido a una combinación de inundaciones fluviales del Wallace Brook, agua superficial e inundaciones de aguas residuales. Una dificultad específica a la que se enfrentaron para dominar la situación fueron problemas de colmatación en el arroyo en sí, pero querían ir más allá. Necesitaban un modo de representar con precisión no solo el suelo del arroyo y sus alrededores, sino también los distintos tipos de suelo en toda el área a fin de poder contar con la información adecuada para resolver el problema.
Las precipitaciones correspondientes a medio mes en un día
Cuando una precipitación en agosto de 2015 llegó a los 37 mm en un día (casi la mitad de la cantidad que se espera mensualmente en el área), las tiendas y los caminos en el centro de la ciudad se inundaron, y el acceso a los hogares y centros asistenciales se vio restringido. Esta situación motivó al Consejo del Condado de Surrey (SCC) a encargar a Atkins, uno de los consultores de gestión de proyectos, ingeniería y diseño más respetados a nivel mundial, un estudio de alivio de inundaciones para Reigate.
Ruchi Sayal, modeladora hidráulica del equipo de gestión de proyectos, diseño e ingeniería de Atkins, recurrió a InfoWorks ICM para crear un modelo de captación integral del río que también incluyera componentes de agua superficial y aguas negras. Aspiró a crear un modelo que sintetizara datos sobre el Wallace Brook y su afluente, el río Mole, junto con estanques y otras estructuras de cursos de agua cercanos.
Sentaron las bases con la creación de un modelo 2D de malla del terreno con datos LiDAR para mostrar las características de la superficie, con sistemas de drenaje tanto para agua superficial como aguas negras que completaban el panorama.
Representación de dos zonas del modelo de infiltración de Green Ampt.
Elegir un enfoque del modelo de infiltración
La infiltración del agua de lluvia en el suelo es un factor importante que debe considerarse para el modelado de los efectos de la escorrentía directa. Comprender las características específicas del suelo es fundamental para predecir cómo infiltrará la cuenca.
InfoWorks ICM usa varios modelos de infiltración para calcular la infiltración en la cuenca, entre ellos, Horton, Green Ampt, infiltración fija e infiltración constante. Ruchi se decidió por Green Ampt. “Green Ampt tiene en cuenta una gran variedad de características del suelo. De esta forma, se obtiene una representación más realista de la cuenca”, explica. “Además, Green Ampt se usó para un modelo de captación de un área adyacente creado para la agencia de medio ambiente, y este se calibró con condiciones reales”.
Comenzaron con datos del sitio web British Geological Survey (BGS) para ayudarlos a comprender la distribución más amplia del suelo del Reino Unido. Luego, se focalizaron en Reigate y compararon la composición de su suelo con la geología de la cuenca adyacente.
Sumar más información para refinar el modelo.
La conductividad hidráulica es la velocidad a la cual es probable que el agua se infiltre en el suelo. Los tipos de suelo impermeables, como la arcilla, se representan con un número bajo, y los suelos más arenosos se representan con una velocidad mayor de conductividad del agua. Los parámetros de Green Amp correspondían a suelo franco arcilloso en la cuenca de Reigate, por lo que inicialmente adoptaron estos parámetros en toda la cuenca. Calcularon un valor bajo de conductividad hidráulica de aproximadamente 2 mm por hora.
La verificación en comparación con inundaciones históricas fue muy importante para que pudieran establecer la confiabilidad del modelo. Sin embargo, tenían datos de medición limitados sobre la cuenca de Reigate, por lo que no pudieron calibrarlo por completo a partir de las inundaciones históricas. Al comparar los resultados del modelo inicial con los datos históricos generales, se modeló la inundación de las áreas previstas. Sin embargo, para una posibilidad de inundación del 20 % (probabilidad anual de 1 en 5), el modelo mostró que más de 30 propiedades se inundarían por más de 1 m de profundidad internamente. Estas inundaciones extensas, regulares y graves se consideraron poco realistas.
Decidieron investigar los distintos tipos de suelo dentro de la cuenca en más detalle. Los orificios de perforación locales en el sitio web de BGS indicaban que la parte sur de la cuenca tenía suelo más arenoso que el suelo franco arcilloso que conformaba las bases del primer análisis de modelado. Esta información adicional alteró el valor de conductividad hidráulica de tan solo ~2 mm/hora para el suelo franco arcilloso a ~128 mm/hora para el suelo franco arenoso.
Los resultados del modelo actualizado se verificaron con éxito, y se modeló la inundación de las áreas previstas. Sin embargo, la aplicación de un 5 % de precipitaciones (probabilidad anual de 1 en 20) no activó las rutas de flujo importantes que se habían observado históricamente en el centro de Reigate.
"Puede ser difícil visualizar el panorama completo, pero ICM me resultó muy útil para ver el riesgo de inundación en la cuenca. Al principio, tenía mis dudas sobre si el modelo funcionaría, pero lo hizo. La estabilidad de ICM me impresionó mucho."
—Ruchi Sayal, modeladora hidráulica, Atkins
Profundizar sobre los tipos de suelo para encontrar la solución ideal
Decidieron empezar una tercera etapa de refinamiento del modelo. En esta ocasión, para tomar en cuenta el carácter urbano de la cuenca en el centro de Reigate. Aquí, el suelo estaría compactado, lo cual afectaría la velocidad de infiltración. La cuenca se dividió en tres sectores. El sector norte superior era suelo franco arcilloso, el sector inferior sur, un suelo más arenoso según lo identificado en los orificios de perforación de BGS y el gran sector central mostraba la naturaleza urbana del centro de la ciudad.
En esta configuración final, los parámetros eran variados no solo para corresponderse con los distintos suelos, sino también con el impacto en la conectividad hidráulica de la compactación del suelo, la construcción y la urbanización. Partiendo de una investigación que sugería que estos factores pueden reducir las velocidades de infiltración en un 70-80 %, Ruchi modeló la cuenca basada en los tres tipos de suelo diferentes que probablemente afectaran la infiltración en el área.
La decisión de Ruchi de observar más detenidamente el efecto del tipo de suelo en la infiltración de escorrentía dio sus frutos. Los resultados del modelo revisado se verificaron con éxito. Se modeló la inundación de las áreas previstas, y las profundidades se verificaron con incidentes de inundaciones informados.
En el primer modelo, que utilizó un tipo de suelo uniforme en toda la cuenca, cualquier solución de alivio de inundaciones solo hubiera tenido en cuenta un suelo de baja conductividad. La cantidad de escorrentía infiltrándose en el suelo sería demasiado baja, por lo que cualquier solución se hubiera sobrediseñado para lidiar con más agua de la que en realidad necesitaría. Sobrestimar el riesgo puede llevar a la poca credibilidad de los modelos y debilitar la base de evidencias usada para justificar los esquemas, lo cual dificultaría consultar a las comunidades en riesgo.
Aunque el segundo modelo diferenciaba los tipos de suelo, la gran área central hubiera devuelto un alto nivel de infiltración que no reflejaba la realidad. Esto podría llevarlos a subestimar el riesgo de inundaciones y daños potenciales a la propiedad.
La tercera configuración del modelo, la solución ideal, demostró ser la adecuada. Representó la realidad de la situación en toda la cuenca y favoreció una mejor comprensión de los mecanismos y las áreas de riesgo de inundaciones. En palabras de Ruchi: “Los modeladores siempre tienen que tomar decisiones sobre el mejor uso de los datos que tienen y el nivel de detalles al que profundizarán. El ICM de Reigate presentó un desafío clave para obtener el equilibrio adecuado entre ser proporcionado e incluir suficientes detalles para crear un modelo que brinde resultados que nos dieran seguridad”.
Extensión del modelo 2D ICM de Reigate (límite rojo). Imagen cortesía de Atkins.
Un modelo exitoso equivale a un cliente feliz
Atkins es un usuario histórico de InfoWorks ICM, y Ruchi es una modeladora hidráulica experimentada con dominio de muchos tipos distintos de software, pero esta fue la primera vez que usó InfoWorks ICM. La impresionó de inmediato: “Estas grandes áreas de captación son complicadas”, indica. “Al principio, tenía mis dudas sobre si el modelo funcionaría, pero lo hizo. La estabilidad de ICM me impresionó mucho”.
Poder reunir todo en un solo lugar fue muy útil. “Puede ser difícil visualizar el panorama completo, pero ICM me resultó muy útil para ver el riesgo de inundación. InfoWorks ICM muestra dónde se encuentra todo en la captación”, agregó. “Las herramientas en ICM para personalizar los scripts hicieron que mi trabajo fuera realmente rápido y eficiente”.
Toda su diligente labor fue bien recibida por el Consejo del Condado de Surrey. “Estuvieron contentos con el resultado del modelo”, dice. “El trabajo que realizamos con InfoWorks ICM demostró que teníamos motivos justificados para usar las mejores herramientas de modelado a fin de obtener el mejor resultado."
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