Laboratorio de Hidráulica

El Laboratorio de Hidráulica del CITEEC cuenta con infraestructuras que le permiten abordar problemas vinculados a casi cualquier ámbito de la ingeniería hidráulica y la hidrología, incluyendo tanto flujos en presión como en lámina libre. Comprende proyectos relacionados con la hidrología y el drenaje urbano, con los sistemas de abastecimiento de agua, con los sistemas de saneamiento, con la hidráulica fluvial, con las obras hidráulicas y los embalses, etc.

Este laboratorio dispone de una superficie de más de 1,000 m². Cuenta con un aljibe inferior para el depósito de agua de 400 m³ de capacidad, junto con tres sistemas independientes en circuito cerrado para aportar agua a los modelos experimentales con unos caudales de 60, 120 y 400 l/s. La solera del laboratorio, apta para el paso de camiones, permite la construcción de modelos físicos de grandes dimensiones. Estos modelos pueden ser de duración limitada para un proyecto concreto – y liberar el espacio a continuación – o bien infraestructuras pensadas para un uso más duradero en el tiempo.

La instrumentación del laboratorio dispone de equipos para las medidas de presión o nivel, así como de las tecnologías más avanzadas en la medición de velocidades, como son:

• Velocimetría dóppler acústica, puntual o a lo largo de todo un perfil.
• Velocimetría de imagen de partículas y de fluorescencia inducida por láser.

Por su parte, los sistemas de operación de bombeo y de instrumentación están completamente automatizados.

En el ámbito del saneamiento y drenaje urbano, el laboratorio cuenta con dos simuladores de lluvia de gran tamaño (“Simulador de lluvia-escorrentía de un tramo de calle a escala real” y “Plataforma Científica para Ensayos de Escorrentía Urbana”), de 36 y 100 m² respectivamente, en los que se simulan los procesos de transformación de lluvia-escorrentía que se dan en cuencas urbanas. Estos modelos también consideran el drenaje de la escorrentía generada a través de redes de tuberías y las interacciones que se producen con la superficie a través de pozos e imbornales. Los trabajos desarrollados abordan la modelización de los procesos hidráulicos involucrados incluyendo estudios de inundación, análisis del lavado y transporte de contaminantes en cuencas impermeables, y la implantación de técnicas de drenaje urbano sostenible (SUDS) para la mejora del sistema de agua urbana en términos de cantidad y calidad de agua.

En el ámbito del abastecimiento el laboratorio cuenta con tres circuitos de tuberías a presión para el estudio de la eficiencia de este tipo de sistemas. Entre ellos destaca una instalación puntera que modela el ciclo urbano del agua de la ciudad de A Coruña (“Modelo integral del ciclo urbano del agua de A Coruña”). El gran número de equipos de medida con los que cuenta este modelo es gestionado mediante sistemas avanzados TICs que permiten desarrollar nuevas estrategias de gestión basadas en la aplicación de Inteligencia Artificial y Machine Learning.

Además, el laboratorio también dispone de espacio para proyectos relacionados con sistemas acuáticos naturales como ríos o embalses. Algunos ejemplos de líneas de trabajo desarrolladas en este ámbito son: Desarrollo y calibración de modelos de calidad de aguas superficiales; Establecimiento y explotación de estaciones de control de calidad de aguas en sistemas de agua urbana y medio natural; Análisis mediante estudios de campo y modelización matemática de perturbaciones de la calidad de agua por vertidos de cargas contaminantes urbanas e industriales; Procesos de desembocadura de ríos (zonas deltaicas, rías); Hidráulica fluvial (restauración de márgenes y riberas); Obras hidráulicas (presas y aprovechamientos hidroeléctricos); e Hidráulica de depuradoras.

En síntesis, el laboratorio cuenta actualmente como equipamientos más destacados con dos modelos para el estudio de la hidrología urbana, un modelo integral a escala del ciclo urbano del agua en la ciudad de A Coruña, dos sistemas de tuberías a presión para el análisis de la eficiencia de redes de abastecimiento (“Instalaciones para la calibración y prueba de elementos y para el análisis de calidad del agua de abastecimiento a escala real”), una plataforma de ensayos para agua residual urbana, un canal horizontal de 30 m de longitud y 2 m de anchura, un modelo físico de presa a escala 1:40, y una instalación de realidad aumentada para ejecutar modelos híbridos físico-numéricos con agua virtual.

A continuación se detallan cada uno de estos equipamientos, varios de los cuales forman parte del conjunto de instalaciones designadas como MEDUSA (Modelos Experimentales de Desarrollo Urbano Sensible al Agua).

Esta instalación se ha diseñado para la medición y análisis del proceso de transformación de lluvia en caudal en superficies urbanas. Para ello, se cuenta con un simulador de lluvia realista que ofrece varios niveles de intensidad, una superficie urbana que simula un tramo de calle incluyendo la acera con dos sumideros y un canal de aportación de escorrentía directa. Adicionalmente, se dispone una pequeña red de tubos de drenaje que recogen la escorrentía superficial y la derivan a un punto de salida para la medición de parámetros vinculados al flujo o al nivel de contaminación del agua.

El tipo de análisis que se realiza incluye la medición del flujo superficial con alta precisión para la calibración de modelos numéricos y en la red de drenaje para la calibración de modelos duales, la medición del transporte de contaminantes depositados en superficie y a través de la red de drenaje, o el análisis del funcionamiento hidráulico y la eficiencia de remoción de contaminación de superficies porosas o permeables.

Las características técnicas de esta instalación son las siguientes:

• Superficie de drenaje urbana de 36 m².
• Pavimento de hormigón con pendiente trasversal de 2% y longitudinal de 0.5%.
• Simulador de lluvia basado en goteros capaz de generar intensidades de 30, 50 y 80 mm/h.
• Canal generador de escorrentía superficial aguas arriba.
• Dos imbornales y un canal de recogida de escorrentía aguas abajo.
• Sistema de drenaje compuesto por tuberías de PVC de diámetros 85 y 190 mm.

Esta instalación es una nueva versión más grande y completa de la instalación MEDUSA-1, que incluye no solo un segmento de calle con una intersección, sino tejados de pendiente variable y un entramado de tubos, unidos por pozos de registro, practicables e instrumentados. Se incorpora aportación de escorrentía superficial y aportación de caudal por la red de conducciones, además de incluir un simulador de lluvia realista de grandes dimensiones.

Las posibilidades de esta plataforma son casi ilimitadas. Permite la calibración de modelos de flujo dual, el análisis de la remoción de contaminación en tejados y calles, o la sustitución de elementos impermeables por técnicas SUDS para evaluar su rendimiento, entre otras posibilidades.

Todos los flujos están instrumentados, y se cuenta asimismo con sondas para la medida en continuo de la contaminación. Además de su potencial como infraestructura de investigación tiene un gran valor didáctico, tanto para estudiantes universitarios como para el público en general.

Las características técnicas de esta plataforma, que tiene una superficie total de 100 m², son las siguientes:

• Cuenta con uno de los simuladores de lluvia más grandes del mundo, pudiendo generar precipitaciones con intensidades de 30, 50 o 80 mm/h.
• La superficie del modelo consiste en la intersección de dos calles de manera perpendicular. El firme es de hormigón con una pendiente trasversal del 2% y longitudinal del 1%. Tiene cuatro módulos de edificación intercambiables para el análisis de diferentes tipologías de cubiertas y técnicas SUDS, como por ejemplo cubiertas vegetadas o sistemas filtrantes. Como configuración inicial se han instalado tejados de teja cerámica curva y con pendiente regulable.
• Dispone de cuatro imbornales, cuatro canalones y una reja transversal instalada aguas abajo que drenan la escorrentía superficial generada hacia cuatro pozos de registro. Estos pozos, junto a 6 tramos de tuberías de plástico transparentes de 200 mm de diámetro, forman el sistema de drenaje del modelo.
• Aguas arriba de cada calle de la intersección existe la posibilidad de generar escorrentía superficial y aportaciones de caudal en tuberías.

Esta instalación simula mediante un modelo conceptual el sistema de abastecimiento del área metropolitana de A Coruña y la gestión del mismo. Incluye elementos que representan el sistema del agua urbana desde la cuenca de aportación, con un embalse y una ETAP (estación de tratamiento de agua potable) en cabecera. A continuación, el agua es distribuida en alta a tres depósitos y en baja mediante una red de líneas de distribución con algunas interconexiones, con una gran cantidad de sensores para el control de los consumos de los distintos sectores en la ciudad (todas las líneas de distribución disponen de contador). Las líneas principales cuentan con caudalímetros de distintas tecnologías y los flujos se controlan con válvulas motorizadas que permiten abrir, cerrar o regular las líneas, y activar las interconexiones o recirculaciones. Finalmente, la instalación cuenta con una EDAR (estación depuradora de aguas residuales) aguas abajo del modelo, desde la que se recircula el agua.

Este simulador tiene la finalidad de probar estrategias de control en remoto de la gestión del sistema. Se incluyen sensores de distintas tecnologías y modos de conexión integrados en un sistema de control coherente, y una plataforma de gestión que permite generar escenarios de operación y respuestas automáticas del sistema frente a distintas eventualidades, como fugas o incrementos de la demanda.

El sistema de control del abastecimiento del agua urbana permite incorporar diversas plataformas de gestión de los datos basadas en general en el internet de las cosas o internet of things (IoT), junto con distintos procesos de toma de decisiones, basados en general en inteligencia artificial (IA) y en el aprendizaje automatizado o machine learning.

Esta instalación, realizada en colaboración con la empresa de abastecimiento de agua de la ciudad de A Coruña (EMALCSA), es un conjunto de dos infraestructuras de tuberías de agua a presión. Incluye un panel de tuberías de fundición dúctil con sus elementos a escala real, y un by-pass de la red real de abastecimiento para la medición de parámetros vinculados a la calidad del agua.

La primera de estas infraestructuras es una red mallada con un sistema en circuito cerrado de distribución, que se utiliza para la calibración o prueba de elementos como paso previo a su instalación en la red de distribución de A Coruña y para el estudio de pérdidas de carga en conexiones de sistemas de abastecimiento. Adicionalmente sirve como elemento de uso docente, con una gran ventaja sobre los simuladores didácticos ya que todos los elementos están a escala real.

a segunda de las infraestructuras, realizada con los mismos materiales, incluye una entrada y una salida desde la red de distribución de A Coruña, lo que establece un flujo continuo. Se dispone de un panel mallado que permite aislar y extraer segmentos de tubería para analizar la deposición de sedimentos y la formación de biopelículas que puedan producirse, en una zona que se ubica en la cabecera de la red de distribución.

Este panel de tuberías está instrumentado con sondas de medición de calidad para analizar el origen y caracterización de los procesos que influyen en la generación de depósitos en las tuberías de distribución de agua potable, que son susceptibles de dar lugar a episodios puntuales de turbidez o cambio de color del agua. Esta instalación, al encontrarse conectada directamente a la red de abastecimiento de la ciudad de A Coruña, puede registrar las variaciones propias de la red, y cuenta con las siguientes características técnicas:

• Sistema de tuberías de 100 mm de diámetro con válvulas para el establecimiento de diferentes configuraciones de flujo.
• Dispone de un caudalímetro por ultrasonidos Panametrics AT600 y un sensor de presión UNIK5000 para el registro en continuo de variables hidráulicas.
• El panel dispone de dos tomas para recoger muestras de agua puntuales, un contador de partículas CRIUS conter-sense, y un sistema compacto S::CAN para una caracterización físico-química en continuo midiendo parámetros de calidad como pH, temperatura, conductividad, contenido en oxígeno, nitratos, nitritos, turbidez, cloro residual o color.

Además de una infraestructura de investigación, estas instalaciones forman parte de la instrumentación de control de la calidad del abastecimiento de aguas de A Coruña, y cuentan con elementos didácticos para visibilizar la importancia de estos servicios.

Tradicionalmente han existido dos metodologías de análisis de fenómenos hidráulicos: los métodos numéricos y los modelos físicos. La modelización física hidráulica aporta una cercanía con el problema y una visibilización del entorno físico que es difícilmente sustituible con los modelos numéricos. Poder observar en tres dimensiones el problema objeto de estudio, percibir como una lámina de agua inunda una zona y proponer soluciones, por ejemplo, mediante barreras, para evitarlo, es algo que se hace de un modo mucho más intuitivo sobre un modelo físico que sobre un modelo numérico.

La idea básica sobre la que se sustenta MEDUSA-6 parte de ampliar el concepto de los conocidos sistemas de realidad aumentada AR-SandBox. Estos sistemas permiten la representación topográfica y la generación de lluvia y escorrentía virtual sobre una superficie construida con arena de una forma rápida e interactiva, pero no permiten introducir ningún tipo de información cuantitativa, lo que hace que sean instalaciones esencialmente lúdicas y didácticas, sin ser válidas para un uso profesional.

Por el contrario, la instalación MEDUSA-6 se ha diseñado como un simulador realista de flujo en ríos y análisis de zonas inundables, absolutamente cuantitativo. La introducción de datos técnicos y soluciones está basada en un modelo de cálculo con el software Iber, avalado por la Dirección General del Agua y utilizado en multitud de proyectos de delimitación de zonas inundables o del dominio público hidráulico.

La instalación de realidad aumentada para ejecutar modelos híbridos físico-numéricos con agua virtual MEDUSA-6 está integrada por los siguientes componentes:

1. Cajón de arena de 2.4 x 2.4 x 0.6 m³
2. 3 toneladas de arena (d₅₀ = 0.7 mm)
3. Sensor Xbox Kinect 2 (Microsoft)
4. Proyector digital (Vivitek DX281ST)
5. Mesa de control

Este canal de experimentación de flujo en lámina libre cuenta con una longitud de 30 m y una sección de 2 m de ancho y 1.5 m de profundidad. Su rango de aplicación comprende el estudio de estructuras interpuestas en cauces, el análisis del transporte de sedimentos, y el servir como recinto de canales de gran pendiente como por ejemplo escalas de peces. Además, las características del canal hacen que sea óptimo para trabajos experimentales en conducciones aéreas o enterradas, incluyendo caracterizaciones hidráulicas del flujo, optimización de secciones, estudio de técnicas de rehabilitación de tuberías o el análisis de procesos de infiltración y exfiltración.

Modelo físico a escala 1:40 del proyecto para la construcción de la presa correspondiente a la Central Hidroeléctrica Ocaña 2 (Ecuador). El objetivo de este modelo físico es presentar las bases para el cálculo de los órganos de desagüe y alivio en el ámbito de la ingeniería de presas. Además, la instalación también es utilizada actualmente para la realización de prácticas docentes en las que se analiza el funcionamiento de los elementos de una presa como los vertederos, las compuertas o el cuenco de disipación.

Se trata de un banco de ensayos que utiliza agua residual urbana real para el análisis del funcionamiento de diferentes tipos de conducciones frente a procesos físicos y biológicos que se dan en las redes de saneamiento, como por ejemplo procesos de acumulación, erosión y transporte de sedimentos. Esta instalación se encuentra físicamente en el edificio de pretratamiento de la EDAR de Bens (A Coruña) para poder contar con un suministro continuo y representativo de agua residual, pero cuenta con el soporte y la instrumentación de los Laboratorios de Hidráulica y de Ingeniería Sanitaria y Ambiental del CITEEC.

Sus principales características son:

• La instalación consiste en dos depósitos situados en los extremos de un banco metálico de 10 m de longitud y 0.8 m de ancho, que sirve de soporte para las conducciones a ensayar y cuya pendiente es regulable entre -0.5 y 6 %.
• El agua residual urbana es introducida en el depósito de cabecera desde el sistema de pretratamiento de la EDAR. En este depósito se regula y se divide el caudal hacia las conducciones mediante una válvula de tajadera y vertederos triangulares. Finalmente, el agua pasa a través de las conducciones hasta un depósito de cola con una compuerta automática que ajusta las condiciones de contorno de los experimentos.
• Es posible medir en continuo caudales, calados y velocidades en las conducciones y cargas contaminantes en ambos depósitos mediante sondas de turbidez y de absorbancia de luz. Además, se cuenta con tomamuestras automáticos en ambos depósitos.
• Por último, se ha optimizado una técnica fotogramétrica para la obtención de los volúmenes de sedimentos depositados y el análisis de formas de fondo.

Planta	Laboratorio Hidráulica	Sup. m2
-1	Zona de ensayos	1017

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