IAHR AIIH XXIV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA PUNTA DEL ESTE, URUGUAY, NOVIEMBRE 2010 HYDROVLAB, LABORATORIO VIRTUAL DE HIDROLOGÍA Oñate-Valdivieso, F., Fierro, J. y Cueva, F. Unidad de Ingeniería Civil, Geología y Minas. Universidad Técnica Particular de Loja C/. Marcelino Champagnat s/n, 1101608, Loja, Ecuador. fronate@utpl.edu.ec RESUMEN: A pesar la exitosa aplicación de las Tecnologías de la Información y Comunicación en la docencia On Line y a distancia, existen temas como la aplicación práctica de conocimientos que aún no ha sido resueltos del todo y más aún en el ámbito de la Ingeniería. En el presente trabajo se presenta el Laboratorio Virtual de Hidrología (HydroVLab), una iniciativa académica que vía Internet, pretende proporcionar herramientas para la simulación de fenómenos hidrológicos, el análisis de datos y el diseño de elementos relevantes en Ingeniería hidráulica y fluvial, todo con una concepción didáctica que permita al estudiante y al investigador analizar los diferentes fenómenos hidrológicos y su interrelación con sus parámetros más relevantes. Se detalla el proceso de validación matemática informática y de la funcionalidad del laboratorio reasumiéndose algunas de sus capacidades más importantes. ABSTRACT: Despite the successful application of Technologies of Information and Communication in Online and distance Teaching, there are issues such as the practical application of knowledge that has not yet been fully resolved and even more in the field of engineering. This paper presents the Virtual Laboratory of Hydrology (HydroVLab), an academic initiative wich through the Internet, aims to provide tools for the simulation of hydrological phenomena, data analysis and design of relevant elements in hydraulic and rivers engineering, all with an educational concept that allows the student and researcher to analyze the various hydrological phenomena and their relationship with their most relevant parameters. It details the process of validating mathematical, computer and lab functionality recapping some of their most important capabilities. PALABRAS CLAVES: (1era. hoja) Laboratorio Virtual, Hidrología, Educación OnLine INTRODUCCIÓN Las siempre dinámicas Tecnologías de la Información y Comunicación, han posibilitado ofertar formación de calidad a nivel de postgrado, mediante entornos virtuales de aprendizaje que rompen las barreras geográficas y temporales. Si bien se puede hablar de éxito de la educación “on line”, aún existen aspectos básicos de la formación que aún no se encuentran del todo resueltos, tal es el caso de la aplicación práctica y experimental de los conceptos teóricos impartidos, conservando el espíritu de la educación virtual y a distancia. En el campo de la hidrología se han desarrollado diferentes herramientas con la intensión de automatizar los cálculos hidrológicos, las mismas que de cierta manera pueden contribuir a la aplicación práctica de los conceptos teóricos recibidos, entre estas herramientas van desde sencillas hojas de cálculo, hasta complejos modelos hidrológicos en entorno SIG. Si bien estas herramientas han sido ampliamente utilizadas con fines de diseño o investigación, estas no han sido concebidas con fines educativos, ya que su aplicación requiere de un cierto nivel de especialización no solo en aspectos hidrológicos sino en ramas afines como los SIG y geoestadística, etc. Una alternativa de solución a esta problemática es la creación de laboratorios virtuales que mediante un entrono Web, faciliten no solo la experimentación y aplicación práctica de conocimientos, sino también que contribuyan al estudio y comprensión de los fenómenos hidrológicos. Con esta motivación se ha desarrollado el Laboratorio Virtual de Hidrología (HydroVLab). En varias áreas del conocimiento existen laboratorios virtuales con fines didácticos que permiten reproducir ensayos preestablecidos, que no presentan muchas opciones de variación. Por otra parte los lenguajes de programación en entorno Web adolecen de ciertas limitaciones que no han permitido el desarrollo de rutinas relativamente complejas, es por esto que lo que en el desarrollo del HydroVLab se optó por una solución diferente: combinando lenguajes de programación robustos para los procesos de cálculo, con lenguajes de programación Web para la creación de las interfases de usuario, logrando de esta manera una estructura que soporta innumerables ensayos virtuales, con interfases amigables y alto poder de cálculo. El HydroVLab que se encuentra disponible en www.hydrovlab.utpl.edu.ec. OBJETIVO En el presente trabajo se pretende detallar el proceso seguido para implementar el laboratorio Virtual de Hidrología (HydroVLab), así como sus funcionalidades y prestaciones. En primera instancia se describirá el entorno Web, y sus elementos constitutivos, para a continuación describir las metodologías empleados para la simulación de procesos hidrológicos así como los aspectos considerados en el diseño informático del laboratorio, para finalmente centrarse en el análisis de su desempeño. MATERIALES Y MÉTODOS El HydroVLab posee tres componentes básicos: a.) Herramientas para análisis de datos, que le permiten al usuario realizar análisis de consistencia, modelamiento de series históricas y estimación de información faltante. b.) Herramientas para la simulación de procesos, que permiten estudiar cada una de las fases del ciclo hidrológico y el efecto de la variación de los parámetros empleados en su modelamiento y c.) Herramientas para diseño de obras civiles relacionadas a la hidrología y la ingeniería fluvial, como apoyo al proyectista. Informáticamente el HydroVLab es una combinación de lenguajes de programación robustos para realizar los procesos de cálculo y lenguajes de programación Web para la creación de las interfases de usuario. Para el efecto se integraron diversos elementos: Como base de datos se empleó SQL Server 2005. Aplicando Visual Basic.Net 2005 como lenguaje de programación se implementaron todos los componentes de la aplicación y las respectivas capas de presentación, lógica de negocios y de acceso a datos. El Internet Information Server (IIS) de Microsoft®, fue el servidor seleccionado ya que permite consumir servicios de Http, Https, FTP, SMTP y ejecutar contenido asp, aspx, y javascript. Finalmente se utilizó DotNetNuke, Versión 5 para la administración y gestión de contenidos en el sitio Web. Hidrológicamente, el componente de análisis de datos incluye una rutina para la estimación de información faltante, mediante un análisis de correlación ortogonal entre estaciones, previo al cual, es factible realizar un análisis gráfico de régimen y vecindad entre éstas, formándose grupos de estaciones y estudiando la homogeneidad de sus registros mediante curvas de doble acumulación (Dingman, 2002). Adicionalmente se incluyen herramientas para la estimación de valores extremos mediante la aplicación de diferentes distribuciones de probabilidad, seleccionando la óptima para cada caso, mediante pruebas de bondad de ajuste. El componente de simulación posee herramientas para el estudio de relaciones lluvia escorrentía basado en el concepto del hidrograma unitario sintético del USSCS (Chow, et al., 1994, Ponce, 1989), siendo posible observar el efecto que tienen en los caudales de una cuenca aspectos como la magnitud de la precipitación, la duración de la tormenta, así como el tipo y ocupación del suelo. Por otra parte, es factible estudiar la producción de sedimentos mediante la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo (Renard et al., 1991, Wischmeier y Smith 1978) y el transporte de sedimentos en cauces naturales considerando el transporte de fondo y en suspensión mediante la aplicación de 24 métodos de cálculo diferentes (Maza y García, 1996). Se cuenta con un modelo concentrado de simulación continua basado en el modelo precipitación/aportación de Témez (Témez, 1977, Estrela Monreal, 1999), ideal para el estudio de cuencas de menos de 300 Km2 de superficie (OñateValdivieso, 2009). Finalmente se ha implementado una herramienta para la simulación del tránsito hidrológico en cauces naturales y reservorios, aplicando metodologías de uso común como Muskingum, Muskingum-Cunge (Ponce, 1989), piscina nivelada y onda cinemática (Chow, et al., 1994). En lo que a diseño se refiere, se ha implementado un módulo para el cálculo de parámetros fundamentales en la hidráulica de canales como el tirante normal, el tirante crítico, curvas de remanso y el resalto hidráulico, tanto en secciones rectangulares, trapezoidales y circulares (Chow, 1994). Adicionalmente se ha implementado un componente destinado al diseño de encausamientos y control de torrentes aplicando criterios de hidráulica fluvial para calcular el cauce regulado, la cota de la máxima crecida y la socavación máxima en un cauce subdividido en tamos (Martín Vide, 2000). De forma complementaria se cuenta con una Wiki en las que se incluyen detalles metodológicos, conceptos fundamentales y aportaciones teóricas que facilitan la comprensión de los conceptos y aplicaciones del HydroVLab. Con el fin de fomentar el intercambio de opiniones entre los usuarios del entorno, se ha puesto a disposición de ellos foros de discusión individuales para cada temática tratada. La eficiencia numérica de los cálculos realizados por el HydroVLab se validó mediante comparación directa con los resultados obtenidos aplicando software de funcionamiento similar (HEC-HMS, HEC-RAS, CHAC, entre otros) y hojas electrónicas. Las facilidades de operación del HydroVLab fueron evaluadas por 120 estudiantes de la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad Técnica Particular de Loja y sus opiniones fueron recogidas a través de encuestas anónimas. El desempeño computacional del entorno se evaluó mediante el incremento progresivo de usuarios simultáneos, registrando en cada caso las variaciones en el tiempo de ejecución de una rutina única cargada por los todos usuarios a la vez, así como por diferentes rutinas cargadas aleatoriamente por éstos. Adicionalmente se estudió el desempeño del laboratorio empleando redes LAN y Wireless. RESULTADOS En la figura 1 se presenta una de las ventanas del componente de simulación del HydroVLab para el estudio de las relaciones lluvia escorrentía, que permite estudiar el efecto de la magnitud de la precipitación efectiva en los caudales de crecida en una cuenca determinada. El HydroVLab permite variar las condiciones iniciales y observar gráfica y numéricamente el efecto de dichos cambios, de esta manera, se puede estudiar la sensibilidad que cada uno de los procesos hidrológicos presenta ante variaciones de sus condiciones de contorno. Figura 1.- Generación de hidrogramas de crecida en el HydroVLab En la figura 2 se observa el módulo de tránsito hidrológico mediante el método de Muskingum siendo factible calibrar el valor de los coeficientes K y X en función de hidrográmas observados. Conocido el valor de los coeficientes se realiza el tránsito de la creciente. Cabe resaltar que la calibración de los parámetros y el tránsito hidrológico es interactiva permitiéndose en cualquier momento variar los datos de entrada y el valor de los parámetros, de esta manera es factible observar sus interrelaciones. Figura 2.- Transito de crecientes mediante el método de Muskingum en el HydroVLab Entre las herramientas diseño disponibles en el HydroVLab, se destaca la herramienta destinada al dimensionamiento del cauce regulado para el encausamientos y control de torrentes, permitiendo el diseño horizontal y vertical de las obras civiles requeridas para el efecto. El ingreso de datos se realiza mediante archivos de texto que incluyen las características geométricas de cada sección transversal y su coeficiente de rugosidad de Manning. Gráficamente nos presenta el perfil longitudinal del tramo, la elevación de la superficie libre del agua, el cauce regulado y el detalle de las obras transversales necesarias. Parte de los procesos se observan en la figura 3. Figura 3.- Diseño del cauce regulado en el HydroVLab La herramienta calcula las cotas de máxima crecida y dimensiona la sección del cauce regulado. Finalmente determina la ubicación y el dimensionamiento de las obras transversales para el control vertical de la pendiente. En la figura 4 se puede observar la herramienta de análisis de datos destinada a la homogenización de series históricas. En dicha herramienta se ha previsto: a.) La representación gráfica de la variación estacional de los registros. b.) La representación comparativa de la extensión de los mismos (cronograma), que permite identificar períodos comunes de información c.) La ubicación espacial de las estaciones a utilizarse en el análisis, d.) La construcción interactiva de curvas de doble masa y e.) La homogenización de las series históricas mediante un análisis de correlación ortogonal. Esta herramienta requiere de un formato especial del archivo de texto para el ingreso de datos, ya que permite manejar simultáneamente el registro histórico de hasta 20 estaciones. Figura 4.- Análisis de datos para homogenización de registros en el HydroVLab Los manuales de operación de cada herramienta que incluyen fundamentos teóricos y ejercicios de aplicación, así como los ejemplos precargados en el entorno, se constituyen en un aporte didáctico para el usuario en la comprensión del uso del laboratorio virtual. La comparación de resultados gráficos y numéricos obtenidos mediante el HydroVLab y los obtenidos con software de similares características arrojó un 100 % de correspondencia, observándose en algunos casos diferencias mínimas atribuidas a pequeñas variaciones metodológicas introducidas en los software utilizados para comparación. En lo que a las facilidades de manejo del entorno y sus herramientas, al rededor del 80% de los evaluadores le concedió una calificación alta, cerca del 15 % le otorgó una calificación media y un 5% baja. Estos resultados avalan el diseño del laboratorio, considerándose que éste es suficientemente amigable, y podría utilizarse en educación a distancia sin mayores inconvenientes. El desempeño del laboratorio ante el incremento progresivo de usuarios simultáneos conectados a una red LAN, mostró una leve disminución de la velocidad de ejecución de la rutina única simultánea, alcanzando un valor cercano al 5 % con 25 usuarios simultáneos. En el caso de rutinas aleatorias no se observó una disminución apreciable de la velocidad de cálculo del entorno. Al utilizar una red Wireless la velocidad de ejecución se redujo hasta en un 12 % para el mismo número de usuarios. Aparentemente la velocidad de ejecución del HydroVLab está supeditada en mayor grado, al ancho de banda disponible antes que al número de usuarios conectados simultáneamente. DESARROLLOS FUTUROS Si se considera que la Hidrología es una ciencia muy amplia y que se encuentra en permanente evolución, la implementación y validación del HydroVLab es una tarea que tardará mucho tiempo en ser concluida. Al corto plazo se tiene planificado la inclusión de herramientas para el estudio y modelización estocástica de series hidrológicas, para el cálculo de la evapotranspiración, la simulación de evento y la modelización continua semidistribuida de cuencas hidrográficas, entre otras. CONCLUSIONES El HydroVLab posibilita el estudio de los fenómenos hidrológicos y la aplicación práctica de los conocimientos adquiridos en la cátedra de Hidrología y Recursos Hídricos, rompiendo barreras geográficas y temporales. Crea un espacio de discusión entre los investigadores de temas afines a la Hidrología y los Recursos Hídricos que enriquece el aprendizaje a distancia con soporte on-line y es el inicio del desarrollo de una herramienta que, replicada en las diversas ramas de la Ingeniería, puede ser un elemento diferenciador en la educación a distancia. El modelo informático del HydroVLab le concede características que incrementan su capacidad de cálculo, haciendo posible la realización de múltiples ensayos, con las más variadas consideraciones, permitiendo el análisis didáctico que dichas consideraciones implican. El desempeño informático del modelo presentó mayor relación con el ancho de banda disponible de la red de acceso a Internet, antes que con el número de usuarios simultáneos del entorno, siendo mejor su desempeño con una red tipo LAN. La exactitud de los cálculos fue muy satisfactoria, así como la evaluación de su funcionalidad y amigabilidad. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Chow, V. T., Maidment, D., Mays, L. (1994). Hidrología Aplicada. McGraw-Hill, Bogotá. 584 p. Chow, V. T. (1994). Hidráulica de los Canales Abiertos. McGraw-Hill, Bogotá. 667 p. Dingman, S., L. (2002). Physical Hydrology, 2da edición, Prentice Hall, New Jersey. Estrela Monreal, T. (1999). “Los modelos de simulación integral de cuenca y su utilización en estudios de recursos hídricos”. Ingeniería Civil. 72, p. 83-95. Madrid. Martín Vide, J. P. (2000). Ingeniería Fluvial. Escuela Colombiana de Ingeniería, Bogotá. 289 p. Maza, J., García, M. (1996). Transporte de Sedimentos. Instituto de Ingeniería UNAM, México 531 p. Oñate-Valdivieso, F. (2009) “Modelamiento semidistribuido, con información escasa, de una cuenca hidrográfica para su planificación territorial”. Tesis Doctoral, Universidad de Alcalá, Madrid Ponce, V.M., (1989). Engineering Hydrology. Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ. Renard, K.G., Foster, G.R., Weesies, G.A. y Porter, J.P. (1991). “Revised Universal Soil Loss Equation”. J. of Soil and Water Conservation, 46, p. 30-33. Témez, J.R., (1977). “Modelo matemático de transformación Precipitación Aportación”. Asociación de Investigación Industrial Eléctrica ASINEL, Madrid. Wischmeier, W.H. y Smith, D.D. (1978). Predicting Rainfall Erosion Losses. Agriculture Handbook 537. United States Department of Agriculture. Science and Education Administration. 58 p.