Cap 17-18.Aplicaciones practicas - GITS

_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
CAPITULO 17-18. APLICACIONES PRÁCTICAS DE
HEC-RAS
El objetivo de este capítulo es la descripción de una serie de herramientas o elementos del
Programa Hec-Ras muy útiles para el cálculo hidráulico. Algunos de estos elementos tienen
la importante función de simular un flujo tridimensional en un cálculo unidimensional, como
es el de Hec-Ras. La variabilidad geométrica del cauce de un río/riera y del flujo asociado es
aproximada mediante el cálculo.
1 UNIONES (JUNCTIONS).
En este apartado se pretende aplicar los dos modos de cálculo de uniones que permite HecRas. Un esquema descriptivo de la geometría de la unión se presenta en la Figura 17.1, en la
que aparecen las 3 secciones de cálculo (1 aguas abajo y 2 aguas arriba del punto de unión).
Los métodos de cálculo son a través de la ecuación de energía y de la ecuación de
momentum. Esta opción se escoge directamente a través del botón de la ventana de Geometric
Data Edit existing junctions (ver Figura 17.2).
Figura 17.1. Diagrama de la unión con la sección de aguas abajo (3.0) y las dos de aguas arriba (4.0 y 0.0). Los
ángulos θ1 y θ2 se toman respecto al eje del tramo de aguas abajo.
Figura 17.2. Ventana de los datos de la Unión (Junction Data).
1
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
Figura 17.3. Ventana de Geometric Data con la Unión creada y la ventana de propiedades.
Para crear las unión de los ríos abrimos la geometría del Tramo Principal, y seguidamente
importamos la geometría del Ramal (Geometric DataFileImport Geometry DataHecRas
Format). Una vez presentes ambas geometrías, el siguiente paso consiste en crear la Unión
(Junction). Mediante Geometric Data EditMove Object, movemos el punto del extremo final
del Ramal y lo unimos al eje del Tramo Principal en el punto de interés (entre las 2 secciones
correspondientes). A continuación se debe indicar la posición entre secciones y dar un
nombre a la Unión. Una vez creada, se debe ir a la ventana de Junction Data e introducir los
datos geométricos:
Junction Lenghts: Distancia entre la sección de aguas abajo y las dos de aguas arriba
(longitud entre 3.0 y 4.0 y entre 3.0 y 0.0).
Tributary Angle: Ángulos (en grados) entre tramos, sólo para el cálculo por Momentum
(según Figura 17.1).
En el ejemplo práctico se trata de calcular una unión bajo distintas condiciones
hidráulicas, tanto de caudal como de régimen. Se realizará una comparación entre los
métodos de energía y Momentum para determinar la influencia de los ángulos de unión.
Un comentario importante a realizar es sobre la conservación de caudales en la Unión.
Hec-Ras no impone esta condición y debe ser el usuario quien introduzca los 3 caudales de la
Unión. La no conservación de caudal en las uniones tiene sentido en la simulación de
subcuencas con distintos tamaños de lluvia de diseño (con picos de hidrograma no
coincidentes en el tiempo). Los caudales pico son introducido en la unión de los ríos sin
considerar continuidad.
El ejemplo consta de 3 casos:
CASO (1): Los caudales son 150 m3/s por el Tramo Principal y 15 m3/s por el Ramal. Las
Condiciones de Contorno son de Calado Normal. Se calcula por Energías (Plan 1E) y por
Momentum (Plan 1M).
2
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CASO (2): Los caudales son 150 m3/s por el Tramo Principal y 30 m3/s por el Ramal. Las
Condiciones de Contorno son de Calado Normal. Se calcula por Energías (Plan 2E) y por
Momentum (Plan 2M).
CASO (3): Los caudales son 150 m3/s por el Tramo Principal y 30 m3/s por el Ramal. Las
Condiciones de Contorno son el Calado Normal en las secciones de aguas arriba y una cota
impuesta en la sección final. Se calcula por Energías (Plan 3E) y por Momentum (Plan 3M).
T ramo pri ncipal Tramo baj o
Ramal Ramal
10
Tramo pri ncipal Tramo 1
Legend
critico - Pl an 1E
critico - Pl an 1M
Lam ina - Plan 1M
Lam ina - Pl an 1E
8
Lecho
Elevation (m)
6
4
0
0
200
400
500
495.666*
491.333*
487.*
482.666*
478.333*
474.*
469.666*
465.333*
461.*
456.666*
452.333*
448.*
443.666*
439.333*
417.5*
435
400
382.*
364.*
346.*
328.*
310.*
292.*
274.*
256.*
238.*
220
200
180.*
160
140
120.*...
100.. ..
80....
60....
2...
40...
2
600
800
Main Channel Di stance (m)
Figura 17.4. Perfiles longitudinales de calados del caso (1): Plan 1E (Energía) y 1M(Momentum).
T ramo pri ncipal Tramo baj o
Ramal Ramal
10
T ramo pri ncipal Tramo 1
Legend
critico - Pl an 2E
critico- Plan 2M
Lam ina- - Plan 2M
Lam ina- Plan 2E
8
Lecho
Elevation (m)
6
4
0
0
200
400
500
495.666*
491.333*
487.*
482.666*
478.333*
474.*
469.666*
465.333*
461.*
456.666*
452.333*
448.*
443.666*
439.333*
417.5*
435
400
382.*
364.*
346.*
328.*
310.*
292.*
274.*
256.*
238.*
220
200
180.*
160
140
120.*...
100....
80....
60....
40...
2...
2
600
800
Main Channel Di stance (m)
Figura 17.5. Perfiles longitudinales de calados del caso (2) : Plan 2E (Energía) y 2M(Momentum).
3
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T ramo pri ncipal Tramo baj o
Ramal Ramal
10
T ramo pri ncipal Tramo 1
Legend
Lam ina- Plan 3M
Lam ina - Pl an 3E
critico - Pl an 3M
critico- Plan 3E
8
Lecho
Elevation (m)
6
4
0
0
200
400
500
495.666*
491.333*
487.*
482.666*
478.333*
474.*
469.666*
465.333*
461.*
456.666*
452.333*
448.*
443.666*
439.333*
417.5*
435
400
382.*
364.*
346.*
328.*
310.*
292.*
274.*
256.*
238.*
220
200
180.*
160
140
120.*...
100....
80....
60....
40...
2...
2
600
800
Main Channel Di stance (m)
Figura 17.6. Perfiles longitudinales de calados del caso (3) : Plan 3E (Energia) y 3M(Momentum).
En el caso (1), ver Figura 17.4, se puede comprobar la diferencia de soluciones aportadas
por cada uno de los métodos. El cálculo de energía Plan 1E ofrece una solución
completamente en rápido (supercrítico) para los 2 tramos de entradas, la unión y el tramo de
salida. Según en este cálculo de energías, el caudal del Ramal no aporta suficiente momentum
como para cambiar el régimen rápido del Tramo Principal. Recordemos que en la ec. de
energía no se tiene en cuenta los ángulos de incidencia de los tramos. En contra, el cálculo de
Momentum sí considera los ángulos y la solución Plan 1M considera un funcionamiento bien
distinto de la unión, pues la Fuerza Específica del Ramal en régimen rápido no es suficiente y
provoca un resalto hidráulico (cambio de régimen) en su unión. Por su parte es el Tramo
Principal el que llegando en régimen rápido se frena hasta el calado crítico en el tramo de
salida y se acelera hacia el calado normal. En consecuencia, en régimen rápidos la influencia
de los ángulos de unión suele ser bastante importante y la ec. de Momentum ofrece un
resultado más ajustado a la realidad.
En el caso (2) se incrementa el caudal del Ramal hasta 30 m3/s. El resultado en energías
(Plan 2E) es en este caso muy parecido al de Momentum (Plan 2M):la incorporación de
caudal del Ramal provoca un resalto hidráulico en el Tramo Principal justo en la zona de la
unión, resalto que, inmediatamente vuelve a pasar al régimen rápido del tramo de salida. El
tramo del Ramal funciona el régimen lento la mayor parte de su longitud como efecto de la
sobreelevación en la unión.
Las diferencias de solución entre método de energía y Momentum son incluso más
reducidas en el caso (3), donde la unión funciona en régimen lento. Con los caudales
anteriores se fuerza la condición de contorno en la sección final hasta que todo tramo bajo
funciona completamente en régimen lento, con fuerza específica suficiente para que los dos
tramos superiores sufran un cambio de régimen (resalto) y funcionen a su vez en régimen
lento en las proximidades de la unión. Debemos destacar la poca influencia de los ángulos
menores de 35º en funcionamientos en régimen lento.
4
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2 SUBRUTINA DE FLUJO UNIFORME.
Hec-ras incorpora una pequeña subrutina o función que permite calcular el régimen
uniforme de cualquier sección. El régimen uniforme debe cumplir que So=Sf. La utilidad de
este módulo es grande, sobretodo para secciones irregulares y naturales. Para acceder a él se
debe utilizar el módulo de Hydraulic Design de la Ventana Principal, y seleccionar el Type:
Uniform Flow.
Figura 17.7. Ventana del Uniform Flow
Una vez seleccionada la sección transversal deseada (River Sta) de la geometría (también
se puede crear in situ), se debe introducir el factor de rugosidad (Roughness). Existen 6
opciones o formulaciones distintas para introducir el factor de rugosidad en el río. Se puede
escoger entre:
• Manning
• Keulegen
• Strickler
• Limerinos
• Bronwlie
• Curvas de Retardo de Vegetación (USGS).
Para la fórmula de Strickler se necesita el d50 de la granulometría, para Limerinos y
Bronwlie debe introducirse la granulometría del lecho. Para las curvas de retardo de
coberturas vegetadas debe escogerse de la Clase A a la Clase E en función de las propiedades
de la hierba (altura, densidad, madurez).
La versatilidad del cálculo es total: en base a las cuatro variables implicadas en el calculo
del régimen normal o uniforme (pendiente So, Caudal Q, calado normal yn, coeficiente de
rugosidad n) podemos hallar cualquiera de ellas en función de las otras tres. Tan sólo basta
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_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
con introducir todos los tres datos conocidos, seleccionar la casilla de la incógnita y presionar
el botón Compute. Automáticamente aparece el resultado. En la Figura 17.7 aparece la
ventana del Uniform Flow con el cálculo del calado normal en función del resto de variables.
3 GRAFICAL CROSS SECTION EDIT TOOL.
Esta herramienta resulta de suma utilidad para editar y modificar la geometría de las
secciones transversales. El acceso es a través de la ventana de Geometric
DataToolsGraphical Cross Section Edit. En la Figura 17.8 se muestra un ejemplo de las
posibilidades de esta herramienta.
Figura 17.8. Ventana del Grafical Cross Section Editor.
Las opciones (botón derecho del ratón) consisten en mover puntos (u objetos), borrar
puntos (u objetos) e insertar puntos. Se pueden crear canales artificiales, cambiar pendientes
de talud, etc. de modo muy visual y rápido. Permite, además, introducir, mover y modificar
los elementos adicionales tipo Levees, Áreas Inefectivas y Áreas de Obstrucción. Es muy útil
para situar y mover los Bankers hacia los puntos correctos.
6
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4 ELEMENTOS DE RESTRICCIÓN DE FLUJO EN LAS SECCIONES.
Los elementos que Hec-Ras incorpora para la modificación del flujo en las secciones son de 3
tipos:
• Diques o Motas (Levees)
• Áreas Inefectivas (Ineffective Areas)
• Áreas de Obstrucción (Obstruction Areas)
A continuación se comentará cada uno de ellos, sus características principales y ejemplos
prácticos de uso.
4.1 Diques o Motas (Levees).
Este elemento tiene como principal función la limitación de las zonas de cálculo dentro de
la sección transversal, y Hec-Ras realiza el balance de energía teniendo en cuenta sólo la
región entre Levess. En secciones naturales muchas veces conviene descartar ciertas zonas
del cálculo de flujo, o porque son zonas claramente no inundables o porque no conviene
inundar según nuestras hipótesis de cálculo. Las Levees permiten simular diques de
protección (motas de avenida) en los ríos, limitando el dominio de cálculo a la zona
encauzada. En la Figura 17.9 se presenta un ejemplo de uso de Levee en función de Dique o
mota natural para evitar el desbordamiento lateral.
Una de las propiedades más importantes de las Levees es que, una vez el flujo entra en
contacto con ella, se introduce Perímetro Mojado (reducción de Rh), ya que se supone ley de
pared del flujo en la zona de contacto del dique (rugosidad de la superficie + velocidad de
corte).
RS = 767.304
25
Legend
Levee izquierda
Lam ina
Crítico
20
2 m/s
Eleva tion (m)
3 m/s
4 m/s
15
5 m/s
Levee derecha
T erreno
10
Levee
Bank Sta
5
0
0
100
200
300
400
500
600
700
Stati on (m)
Figura 17.9. Ejemplo de uso de Levees en una sección transversal.
El uso de la Levee tiene muchísima influencia en el cálculo del calado crítico de la sección
(yc), y en consecuencia, de los niveles de agua. Se debe recordar que un resultado en el cual la
Levee se encuentre sumergida (bajo el nivel de agua) no es correcto ya que al flujo se le debe
dar todo el ancho de cálculo necesario en caso de desbordamiento.
7
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4.2 Áreas Inefectivas (Ineffective Areas).
La función de las Areas Inefectivas es, como su propio nombre indica, la de definir regiones
dentro de la sección donde las velocidades sean prácticamente nulas (flujos no activos o
zonas de aguas muertas). En estas regiones se considera velocidad U=0, de modo que no
intervienen en el cálculo de la “Conveyance” del programa, pero sí se considera como Área
mojada. Por tanto, es agua que existe, acumulada, pero no transporta momentum (sin flujo).
Otras de las propiedades importantes es que no incrementa Perímetro mojado en la sección,
en el sentido que, al no existir velocidad en ella, no aparecen fenómenos de pérdidas de
energía por rugosidad de pared o lecho.
Ejemplos claros de uso necesario de Áreas Inefectivas en el cálculo fluvial son:
1. Fenómenos abruptos de estrechamiento y expansión de flujo: en puentes, obras de
paso y/o obstáculo en el cauce, las líneas de corriente se ven modificadas y
aparecen zonas de aguas muertas, vórtices coherentes de gran escala (reflujos), que
no transportan momentum (U=0). Estas zonas deben ser definidas
geométricamente, sección por sección, según el criterio del ingeniero, tanto aguas
arriba como aguas debajo de la estructura.
2. Desbordamiento de llanuras de inundación en avenida: Bajo la premisa ineludible
(y limitación) del cálculo unidimensional de Hec-Ras, los fenómenos puramente
bidimensionales de desbordamiento lateral de las llanuras de inundación en
avenidas son difícilmente simulables. Una vez el flujo inunda toda la planicie, el
perímetro mojado aumenta mucho, el Radio hidráulico crece muy poco y las
velocidades en la llanura son prácticamente nulas. Las llanuras de inundación son
acumulaciones de aguas sin apenas movimiento, pero que dan un nivel a tener en
cuenta. Las Áreas Inefectivas ayudan a reproducir este fenómeno de modo muy
aproximado. Se asignan como áreas inefectivas las zonas de las llanuras de
inundación más alejadas del flujo principal, las cuales no reciben transmisión
momentum lateral. Las distancias a partir de las cuales se deben situar las Áreas
Inefectivas deben ser estimadas por el propio ingeniero en función de su
experiencia.
2504.432
2598.6532830.268
2901.528
2930.067
2988.333
3031.503
3113.094
3149.375
3172.600
3187.631
3246.239
3311.623
3345.204
3386.04*
3426.882
3481.533
3607.208
3550.289
3817.885
3881.460
3973.144
Figura 17.10. Ejemplo de uso de Areas Inefectivas para simular estrechamiento por puentes.
8
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RS = 1321.053
.06
22
.
0
2
5
.06
Legend
Lam ina
20
Cri tico
18
Area Inefectiva
0 m/s
izquierda
1 m/s
Cota (m)
16
2 m/s
14
12
Area Inefectiva
3 m/s
derecha
4 m/s
5 m/s
10
T erreno
Area Inefectiva
8
Bank Sta
6
0
200
400
600
800
1000
Stati on (m)
Figura 17.11. Ejemplo de uso de Areas Inefectivas en un desbordamiento por avenida.
En el caso que se comentaba anteriormente consistente en un cálculo que daba resultado
un dique sumergido o desbordado (Levee desbordada), debe eliminarse dicha levee y situar
áreas inefectivas para la inundación de la llanura como criterio hidrodinámico.
Existe la opción de definir las áreas inefectivas como Permanentes o No permanentes. Las
No Permanentes son áreas inefectivas que se dejan de tener en cuenta en el cálculo si se ven
superadas por la lámina de agua. La opción de mantener todas las áreas en modo Permanente
se realiza en la ruta Geometric DataToolsIneffectiva Areas-Set to Permanent Mode.
4.3 Áreas de Obstrucción (Obstruction Areas)
La función de las áreas de obstrucción es la de definir regiones de la sección en las cuales
no existe flujo, por la presencia de obstáculos. Dichas regiones se excluyen del cálculo, no
intervienen en la “Conveyance”, ni en el cálculo de área mojada, pero, eso sí, aportan
Perímetro mojado al cálculo, dado que las velocidades de corte en sus superficies no son
nulas.
Existen dos modalidades de introducción geométrica de las áreas de obstrucción: Normal
Obstrucción Area (1 punto) o Blocked Area (2 puntos), en función de si la obstrucción es
desde un punto hacia el exterior de la sección, o bien es una zona definida entre dos puntos
determinados (bloque).
La utilidad de esta herramienta está en la simulación de elementos de obstrucción al flujo
que se pueden encontrar de modo natural (árboles, grandes rocas) o artificial (muros
verticales, casas, edificios, naves industriales) en el entorno fluvial y afecten al flujo.
9
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
RS = 264.445
.035
.03
.035
Legend
8
7
Blocked
Lam ina
Obstruction Area
Cri tico
Elevation (m)
3 m/s
6
4 m/s
5 m/s
5
6 m/s
Block Obstrucc
4
T erreno
Levee
3
Bank Sta
2
250
300
350
400
Stati on (m)
Figura 17.12. Ejemplo de uso de Blocked Obstruction Areas en el cálculo de un encauzamiento.
4.4 EJEMPLO 1: Uso de Levees y Areas Inefectivas para el cálculo de desbordamiento en
avenida.
Este primer ejemplo práctico propuesto trata de simular mediante Hec-Ras el efecto de la
inundación lateral de llanuras en grandes avenidas. Para ello se utiliza una geometría natural
pre-existente en la que se reproduce el cauce principal (de aguas altas) y las llanuras de
inundación. La anchura media de las secciones naturales trazadas es de 800 a 1000 m, con el
propósito de estudiar fenómenos de avenida de gran caudal e inundación. Una imagen del
cauce que sirve de ejemplo aparece en la Figura 17.13, de gran anchura (90-100 m) y
extensas llanuras de inundación. En la Figura 17.14 se muestra un ortofotomapa de la zona y
en la Figura 17.15 una sección típica de cálculo.
Figura 17.13. Fotografía del cauce de aguas altas del ejemplo 1.
10
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
Figura 17.14. Ortofotomapa del cauce fluvial del ejemplo 1, donde aparecen las secciones de cálculo.
RS = 2645.751
.06
.
0
2
5
35
.06
Legend
T erreno
Bank Sta
Elevation (m)
30
25
20
15
10
0
200
400
600
800
Stati on (m)
Figura 17.15.Sección transversal del ejemplo 1 (llanura extensa y de baja pendiente en el margen derecho).
11
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
Se calculan 3 caudales distintos de avenida {Q=350, 960 y 1250 m3/s}, los dos últimos de
desbordamiento de cauce principal. Las Condiciones de Contorno establecidas son de calado
normal.
La metodología del ejemplo consiste en: (1) cálculo hidráulico sin ningún tipo de
restricción (Sin Levees), (2) Introducción de Levees según el resultado hidráulico previo y la
geometría, y cálculo iterativo, con corrección de la posición de las Levees; (3) introducción
de Areas Inefectivas en las llanuras inundadas y cálculo final.
PASO (1): Iniciamos el cálculo con la geometría sin restricciones (leeves.g01) en las que
no aparecen levees ni Areas Inefectivas. En la figura 17.16 se muestra el resultado de lámina
de agua para los 3 caudales, en los cuales los 350 m3/s no desbordan el cauce de inundación,
pero los 2 mayores llegan a inundar toda la llanura formando brazos extensísimos. Los errores
de cálculo son inevitables: no convergencia en el número de iteraciones máximo, calados
críticos múltiples, y mal resueltos, soluciones al crítico por defecto. El cálculo resulta muy
poco controlado pues los cambios de sección son demasiado grandes y abruptos.
RS = 2792.847
.06
.
0
2
5
.06
Legend
Lamina Q=1250 m3/s
22
Lamina Q=960 m3/s
Crit Q=1250 m3/s
Crit Q=960 m3/s
Lamina Q=350 m3/s
20
Crit Q=350 m3/s
1 m/s
Elevation (m)
2 m/s
3 m/s
18
4 m/s
5 m/s
Terreno
Bank Sta
16
14
200
300
400
500
600
700
Station (m)
Figura 17.16.Resultados en una sección de cálculo para el Paso (1), sin levees ni Areas infectivas.
PASO (2): Utilizando el Graphical Cross Section Editor, y comenzando desde la
sección más aguas arriba, se introducen las Levees en las posiciones y alturas que parezcan
más adecuadas, aprovechando puntos altos de la geometría (motas naturales), reduciendo en
lo posible la separación del flujo (Split flow) en brazos, siempre bajo la óptica de la
hidrodinámica del flujo en avenidas. La nueva geometría con el primer grupo de Levees
(levees.g02) se muestra en la figura 17.17. Como se puede apreciar a través de la Figura
17.14, estos puntos elevados donde se sitúan las Levees se corresponden con el talud o
plataforma de la carretera que circula paralela al río por el margen derecho del río. El
resultado del cálculo numérico presenta una inundación más uniforme y coherente para los
grandes caudales. No obstante, se debe rastrear en las secciones aquellas Levees que durante
el cálculo hayan quedado sumergidas, pues entonces deberán ser desplazadas a otro punto
alto de la sección y vuelta al cálculo hidráulico. Este proceso es de carácter iterativo hasta que
finalmente se obtiene una solución con las Levees emergentes (no sumergidas) y un flujo más
12
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
uniforme. Un criterio importante a seguir es el de continuidad en la inundación, de forma que
si una Levee es desbordada en una sección aguas arriba, y el flujo se expande hacia el
exterior, la siguiente sección debe tener en cuenta ese vertido. En consecuencia,
probablemente sea correcto desplazar la Leeve de la sección aguas abajo para permitir la
inundación que proviene de aguas arriba.
Figura 17.17.Vista tridimensional (desde aguas abajo hacia aguas arriba) del cauce y las nuevas levees en los
puntos altos del cauce.
RS = 2792.847
.06
.
0
2
5
.06
Legend
Lam ina Q=1250 m3/s
Lam ina Q=960 m3/s
22
Cri t Q=1250 m3/s
Cri t Q=960 m3/s
Lam ina Q=350 m3/s
Cri t Q=350 m3/s
20
1 m/s
Ele vation (m)
2 m/s
3 m/s
4 m/s
18
5 m/s
Terreno
Levee
Bank Sta
16
14
200
300
400
500
600
700
Stati on (m)
Figura 17.18.Resultados en una sección de cálculo para el Paso (2), con levees incorporadas.
En la Figura 17.18 se muestra el resultado de inundación en una sección transversal donde
la Levee restringe el flujo. En la Figura 17.18 aparece el perfil longitudinal de alturas de agua
para el Paso (2)-con Leeves y su comparación con el Paso(1)-sin Leeves. En el nuevo cálculo
el número de errores por no convergencia disminuyen mucho y se observan unos calados
13
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
críticos más continuos y uniformes a lo largo del perfil, cosa que mejora enormemente el
cálculo.
A la vista de la Figura 17.19 se ha mejorado mucho el cálculo, pero todavía hace falta la
consideración de las Areas Inefectivas en las llanuras de inundación.
Francoli Francoli
30
Legend
Lam ina Q=1250 m3/s - Con levees
Cri t Q=1250 m3/s - Con l evees
Cri t Q=1250 m3/s - Si n levees
Lam ina Q=1250 m3/s - Sin l evees
Lecho
25
Elevation (m)
Levee Derecha
20
15
10
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Main Channel Di stance (m)
Figura 17.19. Perfil longitudinal de niveles de agua (Curva de remanso), niveles críticos y Levees. Se comparan
los casos (1) sin Levees y (2) con Leeves.
PASO (3): De nuevo utilizando el Graphical Cross Section Editor, se definen aquellas
zonas de la llanura de inundación que se deben convertir en Areas Inefectivas ante una
expansión lateral del flujo de grandes dimensiones. El criterio vendrá definido con el
conocimiento del río, visitas técnicas, ortofotomapas, densidad de vegetación y/o
construcciones, así como por distancias máximas de difusión de de momentum transversal
entre el flujo principal y las aguas de acumulación de la llanura (ver Figuras 17.20 y 17.21).
14
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
Figura 17.20. Imagen de la rotura de un dique (Levee) y desbordamiento hacia las llanuras de inundación.
Desastre del Katrina en New Orleans, USA.(web: www.WWLTV.com).
Figura 17.21. Rotura de un dique (Levee) del lago Portchartrain y desbordamiento hacia las llanuras de
inundación. Desastre del Katrina en New Orleans, USA.(Fuente-web: www.washingtonpost.com).
La metodología del Área Inefectiva resulta más adecuada que la alternativa a incrementar
la rugosidad en dichas zonas (n Manning grande). Una rugosidad excesiva provoca una
disminución de velocidades y un aumento de niveles, pero el fenómeno de acumulación de
agua poco tiene que ver más con la falta de transferencia lateral de momentum que con altos
coeficientes de fricción.
15
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
Figura 17.22. Vista tridimensional (desde aguas abajo hacia aguas arriba) del cauce, levees en los puntos altos
del cauce y Areas Inefectivas en las llanuras de desbordamiento.
RS = 2792.847
.06
.
0
2
5
.06
Legend
Lam ina Q=1250 m3/s
Lam ina Q=960 m3/s
Cri t Q=1250 m3/s
22
Cri t Q=960 m3/s
Lam ina Q=350 m3/s
Cri t Q=350 m3/s
1 m/s
Elevation (m)
20
2 m/s
3 m/s
4 m/s
5 m/s
18
T erreno
Levee
Area Inefectiva
Bank Sta
16
14
200
300
400
500
Stati on (m)
Figura 17.23.Resultados en una sección de cálculo para el Paso(3), con levees y areas inefectivas..
16
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
Francoli Francoli
30
Legend
Lam ina
Q=1250 m3/s - Con l evees
Cri t Q=1250 m3/s - Con l evees
Lam ina Q=1250 m3/s - levees+Inefe
Cri t Q=1250 m3/s - levees+Inefe
Lecho
25
Elevation (m)
Levee Derecha
20
15
10
0
200
400
600
800
Main Channel Di stance (m)
Figura 17.24. Perfil longitudinal de niveles de agua (Curva de remanso), niveles críticos y Levees. Se comparan
los pasos (2) con Levees y (3) con Leeves y Areas Inefectivas.
La Figura 17.22 muestra la colocación de las Areas Inefectivas en las llanuras en una vista
3D. Una sección transversal con los 3 niveles de cálculo y las áreas inefectivas resultantes se
presenta en la Figura 17.23. La comparación entre las láminas de agua de los pasos (2) y (3)
se presenta en la Figura 17.24; en ella se puede observar la reducción generalizada de los
niveles al utilizar las Areas Inefectivas, como efecto de la reducción de la zona activa (de
Conveyance). El número de errores de cálculo se reduce (soluciones convergentes distintas
del crítico) y la solución presenta una comportamiento mejor balanceado.
4.5 EJEMPLO 2: Uso de Levees y Blocked Obstruction Areas para el cálculo de
encauzamientos.
En este ejemplo se trata de modelar un encauzamiento real con base en el uso de Levees y
áreas de obstrucción. En la Figura 17.25 se muestra el encauzamiento del río (río Francolí a
su paso por Tarragona) con muros verticales de 3 m.
17
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
Figura 17.25. Imagen del encauzamiento del ejemplo 2.
La metodología del ejercicio consiste en dos pasos: (1) Simulación de muros mediante
Leeves y Blocked Obstruction Areas y cálculo hidráulico; (2) Modificación/Eliminación de
Leeves en las secciones desbordadas e introducción de Areas Inefectivas en las llanuras tras
los muros del encauzamiento.
Figura 17.26. Vista Tridimensional de la geometría del encauzamiento y el uso de Levees y Areas de
Obstrucción.
PASO (1): En función de la geometría y alturas de los muros del encauzamiento se
introducen las Blocked Obstruction Areas en su posición y cota correspondientes. Esta
operación puede ser realizada gráficamente o bien sección a sección desde la ventana de
18
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
Cross Section Data. Para editar la posición y altura de las Levees se puede utilizar, aparte de
la opción gráfica/manual, la ventana Geometric DataTablesLevees, donde se pueden editar
las columnas de datos. En este caso, el uso de programas tipo Excel permite definir alturas
precisas sobre cotas de cimentación en el lecho).
Figura 17.27. Ventana de edición de Leeves en las distintas secciones.
Encauzado Encauzado 3
Legend
Cri tico
14
Lam ina
Lecho
Levee Izqui erda
12
Levee Derecha
Elevation (m)
10
8
6
0
0
200
400
600
810.930
767.304
729.303
740.386
697.192
653.591
576.604
501.090
424.271
340.471
264.445
216.628
175.771...
92.8...
109.6...
77....
4...
57...
2
145.262...
4
800
Main Channel Di stance (m)
Figura 17.28. Perfil longitudinal de lámina de agua, crítico y Leeves (cota superior de muros).
19
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
Las leeves de introducen justo en el borde superior de los muros, restringiendo, en primera
instancia el cálculo a la zona interior del encauzamiento. El caudal de cálculo es tal que
provoca ciertos problemas de desbordamiento, tal y como se presenta en la Figura 17.28.
Aguas arriba de la RS 216 el flujo queda confinado entre muros, pero, debido a las
condiciones de salida del encauzamiento, la lámina sube y se registran desbordamientos. En
la Figura 17.28 se observa la lámina por encima de las cotas de muro derecho e izquierdo.
En las Figuras 17.29 y 17.30 se presentan 2 secciones de cálculo, la primera sin
desbordamiento y la segunda desbordada. Como se ha indicado, una solución con una Leeve
sumergida no se considera correcta.
RS = 576.604
.035
.03
.0 35
10
Legend
Lam ina
Cri tico
9
3 m/s
4 m/s
5 m/s
8
6 m/s
Te rren o
Elevation (m)
7
Leve e
Ba nk Sta
6
5
4
3
2
0
100
200
300
400
500
600
700
Stati on (m)
Figura 17.29. Sección transversal del encauzamiento sin desbordamiento
RS = 175.771
.035
.
0
3
8
.035
Legend
Lam ina
Cri tico
7
0 m/s
1 m/s
T erreno
6
Levee
Elevation (m)
Bank Sta
5
4
3
2
1
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Stati on (m)
Figura 17.30. Sección transversal del encauzamiento con desbordamiento lateral tras los muros y Leeves
sumergidas.
20
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
PASO (2): Aquellas Leeves que se ven superadas por la lámina de agua pasan a
eliminarse, o en todo caso, se desplazan hacia otros puntos altos de la sección en la llanura de
inundación. Se debe permitir la inundación de la zona del trasdós de los muros, de modo que
el flujo desbordado se considera de velocidad nula, y los muros actúan ahora como un
obstáculo longitudinal a la corriente. Por tanto, se introducen Áreas inefectivas en las
secciones aguas abajo de la RS 216 para simular las aguas vertidas. Al eliminar las leeves en
estas secciones de la salida del encauzamiento, los niveles de agua se reducen en dicha zona.
En la Figura 17.31 se presenta el nuevo perfil longitudinal de niveles de agua, en el que se
observa la zona aguas arriba no desbordada y la zona aguas debajo de la RS 216 que se
considera ya desbordada. En la Figura 17.32 se muestra una sección ya desbordada, sin las
Levees, con las áreas de flujo nulo y el encauzamiento conduciendo el flujo con un nivel de
agua más bajo.
Encauzado Encauzado 3
Legend
Lam ina
14
Cri tico
Lecho
Levee Izqui erda
12
Levee Derecha
Elevation (m)
10
8
6
0
0
200
400
600
810.930
767.304
729.303
740.386
697.192
653.591
576.604
501.090
424.271
340.471
264.445
216.628
175.771...
92.8...
109.6...
77....
4...
57...
2
145.262...
4
800
Main Channel Di stance (m)
Figura 17.31. Perfil longitudinal de lámina de agua, crítico y Leeves (cota superior de muros).
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_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
RS = 175.771
.035
.
0
3
8
.035
Legend
Lam ina
Cri tico
7
0 m/s
1 m/s
2 m/s
6
3 m/s
4 m/s
Elevation (m)
5 m/s
5
6 m/s
T erreno
Areas Inefecti vas
Bank Sta
4
3
2
1
0
200
400
600
800
Stati on (m)
Figura 17.32. Sección transversal del encauzamiento, sin levees y con desbordamiento lateral tras los muros.
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_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
5 DELIMITACION GRAFICA DE ZONAS INUNDABLES: PROGRAMA LAMINA
Este programa permite extraer la lámina de inundación calculada por Hec-Ras y
convertirla a un formato DXF. Posteriormente este nuevo formato lo podemos leer desde
cualquier programa. La versión de DXF que genera es la 12, por lo que debería ser
compatible con cualquier Autocad posterior. Se trata de un programa escrito en Visual Basic
5 por lo que para ejecutarse necesita las librerías asociadas a este programa (Runtime
lybraries). Estas se pueden descargar de la página web bajo el nombre de Msvbvm50.exe.
Figura 17.33. Inundación calculada mediante Hec-Ras.
Una vez realizado el proyecto Hec-Ras, y solamente si éste está georeferenciado
(trazado y secciones), podemos pasar al post-proceso que nos permite LAMINA. En primer
lugar generaremos un archivo GIS de exportación de datos de inundación (WS.sdf), mediante
la opción presente en Hec-Ras en el menú “File” de la pantalla principal.
Una vez escogida esta opción aparecerá un cuadro de diálogo sonde vemos las
diferentes alternativas del fichero que generamos, en primer lugar hemos de escoger el
nombre que debe tener el fichero exportado, en general suelen tener la extensión *.sdf
23
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
Figura 17.34.Opción desde la que exportaremos los datos GIS del proyecto Hec-Ras que hemos calculado.
Una vez escogido el nombre marcaremos las siguientes opciones en el cuadro de
diálogo. Como podemos ver es posible exportar todos los profiles que hayamos calculado,
siendo posteriormente el programa capaz de separarlos.
Figura 17.35. Ventana de Exportación GIS de Hec-Ras
Una vez realizado este proceso dispondremos de un fichero en el que estarán todos los datos
GIS de nuestro proyecto, entre ellos la lamina de inundación calculada por Hec-Ras. Es
24
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
importante considerar que los datos extraidos tienen las mismas coordenadas que los
introducidos, de manera que si hemos georeferenciado nuestras secciones en el huso 30 UTM
el resultado nos volverá en esas coordenadas y si superponemos esa capa DXF con la
cartografía veremos que coincide.
Realizado este paso ya disponemos del archivo base con el que trabajará Lamina.exe.
Ahora se trata de lanzar el programa. Ejecutamos Lamina v1.0 (Bateman Enterprises).
Figura 17.36. Pantalla de presentación lámina v1.0
Figura 17.37. Acerca de Lamina v1.0. Link a web GITS.
En la pantalla del programa encontramos una ventana de selección en la que podemos
escoger el programa y una tabla en la que leemos datos del fichero leído. Una vez
seleccionado el archivo en la tabla se leen varios datos de cada uno de los tramos presentes en
el fichero.
Entre estos datos encontramos el nombre del tramo, las secciones que tiene, el color
que tendrá la polilinea en Autocad así como el profile al que pertenece. Cada uno de los
tramos se colocará en un layer de Autocad diferente, y dentro de estos layers cada profile
tendrá un color diferente, de esta manera si cada profile es un periodo de retorno, cada color
se asociará a cada periodo de retorno.
25
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
Figura 17.38. Ventana de generación del archivo CAD.
Vemos que existe una casilla llamada “Procesar” si hacemos doble clic en alguna de
las celdas correspondientes a esta columna podemos desactivar la ese tramo de río, es decir en
el fichero final no estará presente.
Una vez generado el fichero lo podemos leer con el programa que nos interese, en Autocad
a veces aparece alguna de las layers asociada a un tramo como desactivada, de manera que
hay que activarla.
26
_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
Figura 17.39. Ejemplo de láminas de inundación de los archivos .DXF en CAD
La lámina en .DXF es importable directamente mediante software GIS y su visualización
inmediata. Es un método muy rápido y sencillo, pero eficiente, de post-proceso de lámina
de inundación. Es una primera aproximación para otro tipo de post-procesos (Geo-HecRas),
que deben realizar nuevas intersecciones de la TIN con la superficie de lámina libre de agua
(más lento).
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_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras
Figura 17.40. Composición de lámina de inundación con ortofotomapas de la zona, mediante software GIS.
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