Análisis del riesgo de inundación asociado al diseño hidráulico de

Análisis del riesgo de inundación asociado al diseño hidráulico
de la confluencia entre dos canales urbanos. Canal el virrey
– Canal castellana, en la ciudad de Bogotá.
John Sneyder Díaz Tibanta
Bryan Iván Vargas Guerrero
Facultad de Ingeniería, Programa de Ingeniería Civil, Universidad Católica de Colombia,
Grupo de investigación Hidrología e Hidráulica Urbana
Bogotá D.C., Colombia
Resumen- Históricamente se han presentado problemas en los canales urbanos localizados
en Bogotá, sobretodo en eventos de alta precipitación que traen como resultado problemas
de desbordamiento. En donde los canales de nuestro estudio no son la excepción. Tanto el
Canal Virrey como el Canal Castellana han presentado problemas de desbordamientos e
inundaciones ya que su capacidad hidráulica se encuentra a tope tanto aguas arriba de su
origen hasta este punto de conexión. Debido a estos antecedentes es necesario realizar
estudios detallados y modelaciones en ambos canales. De acuerdo a las herramientas de
trabajo, se analizará si el canal de confluencia (para nuestro caso el Canal Rionegro)
soporta las condiciones y si su diseño es el adecuado para trabajar estos excesos de
escorrentía. Las inundaciones en los canales representan un grave problema en las
temporadas de invierno, ya que generan pérdidas económicas en la infraestructura,
problemas de comunicación y dificultades en el transporte en donde en el peor de los casos
ponen en riesgo la vida de la población. Esto se produce debido a los malos estudios,
diseños y mala elección de la calidad de los materiales. Haremos un análisis hidráulico
entre esta confluencia mediante una modelación, comprobando bajo diferentes condiciones
de flujo el riesgo de inundación.
Palabras claves: Inundación – Canal – Modelación – Análisis hidráulico –Confluencia.
Abstract-Historically some problems have taken place in the urban channels of Bogota.
During high rainfall days, overflow and floods are an expected issue. Our purpose is to
study this issue. The Virrey Chanel and the Castellana Channel have presented overflow
problems as well as floods, because their hydraulic capacity is at the limit in the origin
point as well as in the junction point. Due to some records, it is necessary to achieve
rigorous studies as well as modeling in both channels. So, according to our methods, first
we must analyze the junction channel (in our case the Rionegro Channel), and determine if
it supports the conditions and if its design is suitable to endure the runoff’ excess, which
trigger floods. In the channels, floods represent a severe problem in winter and then
economical loses in infrastructure, communication problems, transports and at worst life
risks. This happens mostly in the junction point because of senseless studies, bad designs,
mistaken choosing of materials. Therefore, we have to do an hydraulic analysis in the
junction point using modeling, testing under different conditions the risk-flow of a flood.
Keywords: flood – channel – modeling – hydraulic analysis – confluence.
I.
INTRODUCCIÓN
En este proyecto de grado estudiaremos
de manera investigativa el movimiento de
fluidos, refiriéndonos más detalladamente
a las aguas servidas por canales, de lo
cual analizaremos el comportamiento de
la confluencia entre dos canales urbanos
bajo diferentes condiciones de flujo y
como esto afecta o genera un riesgo de
inundación aguas debajo de la unión.
Teniendo en cuenta estos estudios, se
realizara una modelación computacional
de la confluencia con el fin de verificar el
comportamiento hidráulico del canal
analizando si puede cumplir con la
demanda cuando se presente el escenario
más desfavorable.
II.
MARCO DE REFERENCIA
Canal
En ingeniería se denomina canal a una
construcción destinada al transporte de
fluidos generalmente utilizada para agua
y a diferencia de las tuberías, es abierta a
la atmósfera.
También se utilizan como vías artificiales
de navegación. La descripción del
comportamiento hidráulico de los canales
es una parte fundamental de la hidráulica
y su diseño pertenece al campo de la
ingeniería hidráulica, una de las
especialidades de la ingeniería civil. El
conocimiento
empírico
del
funcionamiento de los canales se remonta
a varios milenios. En la antigua
Mesopotamia se usaban canales de riego,
en la Roma Imperial se abastecían de
agua a través de canales construidos sobre
inmensos acueductos, y los habitantes del
antiguo Perú construyeron en algunos
lugares de los Andes canales que aún
funcionan .Claro es el ejemplo de los
canales de Cumbe, el centro hidráulico
más importante de los Andes El
conocimiento y estudio sistemático de los
canales se remonta al siglo XVIII, con
Chézy, Bazin entre otros. [1]
Clasificación de Canales
Canales naturales: Se denomina canal
natural a las depresiones naturales en la
corteza terrestre, algunos tienen poca
profundidad y otros son más profundos,
según se encuentren en la montaña o en la
planicie. Los canales naturales varían en
tamaño desde pequeños arroyuelos en
zonas montañosas hasta quebradas,
arroyos, ríos pequeños y grandes Las
propiedades hidráulicas de un canal
natural por lo general son muy
irregulares. En algunos casos pueden
hacerse
suposiciones
empíricas
razonablemente consistentes en las
observaciones y experiencias reales, de tal
modo que las condiciones de flujo en
estos canales se vuelvan manejables
mediante tratamiento analítico de la
hidráulica teórica.
Canales de riego: Éstos son
construidas para conducir el agua hacia
las zonas que requieren complementar el
agua precipitada naturalmente sobre el
terreno con fines de mejoramiento en la
agricultura.
Canales de navegación: Un canal de
navegación es una vía de agua hecha por
el hombre que normalmente conecta
lagos, ríos u océanos con el fin de
transporte y/o movilidad. [2]
Las características geométricas son la
forma de la sección transversal, sus
dimensiones y la pendiente longitudinal
del fondo del canal. Las características
hidráulicas son:
La profundidad del agua (h) en metros.
El perímetro mojado (P) en metros.
El área mojada (A) en m 2.
El radio hidráulico (R) en metros.
Todas en función de la forma del canal.
También son relevantes la rugosidad de
las paredes del canal, que es función del
material en que ha sido construido, del
uso que se le ha dado y del
mantenimiento, y la pendiente de la línea
de agua, que puede o no ser paralela a la
pendiente del fondo del canal.
hay un cambio de sección transversal ya
sea de forma o de rugosidad, un cambio
de pendiente o una variación en el caudal.
Flujo gradualmente variado
El flujo es variado, si la profundidad de
flujo cambia a lo largo del canal. El flujo
variado puede ser permanente o no
permanente. Debido a que el flujo
uniforme no permanente es poco
frecuente.
Flujo Crítico: Este flujo presenta una
combinación de fuerzas inerciales y
gravitacionales que lo convierten
inestable, haciéndolo en gran parte en un
estado intermedio y variable entre los
otros tipos de flujo. Por tal razón es poco
recomendable usarlo en el diseño
hidráulico. en éste flujo el número de
Froude es igual a 1 y no se generan
resaltos hidráulicos.
Tipos de Flujo en un Canal
Flujo Permanente
Un flujo permanente es aquel en el que
las
propiedades
del
movimiento
permanecen constantes en el tiempo,
aunque pueden no ser constantes en el
espacio.
Flujo subcrítico: En el caso de flujo
subcrítico, también denominado flujo
lento, el nivel efectivo del agua en una
sección determinada está condicionado al
nivel de la sección aguas abajo (F<1).
Flujo transitorio o No Permanente
Presenta cambios en sus características a
lo largo del tiempo para el cual se analiza
el comportamiento del canal.
Flujo supercrítico: En el caso de flujo
supercrítico, también denominado flujo
veloz, el nivel del agua efectivo en una
sección determinada está condicionado a
la condición de contorno situada aguas
arriba. (F>1). [3]
Flujo uniforme
Es el flujo que se da en un canal recto,
con sección y pendiente constante, a una
distancia considerable (20 a 30 veces la
profundidad del agua en el canal) de un
punto singular, es decir un punto donde
III.
METODOLOGÍA
Identificar y caracterizar en campo la
confluencia entre dos canales de
escorrentía urbanos. Realizaremos una
visita al lugar seleccionado, en donde se
realiza un registro, una medición con
cinta métrica y posterior informe en el
que delimitaremos la zona de estudio.
Previamente a esto mediante Google
Earth se logra una imagen satelital de la
zona en cuestión. Paso a seguir
realizaremos el respectivo levantamiento
topográfico de la zona de estudio en
donde utilizaremos equipo como una
estación, jalones metálicos, una cartera de
campo, una cinta métrica; luego el
topógrafo nos dará las coordenadas
tomadas y un plano de la zona en
AUTOCAD. En este plano obtendremos
el área de la zona de estudio, los perfiles
de los Canales Virrey, Castellana y
Rionegro.
Imagen 1. Localización zona de análisis
Imagen 2. Localización zona de análisis
Modelar
matemática
y
computacionalmente el comportamiento
hidráulico de la estructura bajo
diferentes condiciones de flujo. Mediante
el software HEC-RAS se realizara el
desarrollo de un modelo hidráulico de un
canal cumpliendo estos pasos básicos;
crear un proyecto nuevo, introducir los
datos geométricos obtenidos mediante el
levantamiento topográfico, introducir los
datos hidráulicos (caudal, condiciones de
contorno), una geometría y unos datos
hidráulicos para ejecutar la simulación y
ver los resultados que se obtienen
mediante la misma.
Imagen 3. Modelación en HEC-RAS
Realizar el análisis de energía y
momentum
lineal
bajo
diferentes
condiciones de flujo para la estructura de
transición entre la confluencia y la
continuación del canal. Para la obtención
de las conclusiones del estudio realizado
se observará el comportamiento de la
simulación variando valores como los n
de Manning, la pendiente del canal, los
caudales de entrada, las condiciones de la
zona, la reacción o el fenómeno que se
presenta en la confluencia y un análisis
final de inundación.
Para el canal se utilizó un n de Maninng
de 0.014 ya que es en concreto y ladrillo
(Channel). Para las bancas LOB y ROB
se trabajó un Maninng de 0.035
Imagen 6. Vista en planta de la geometría
Luego de la geometría, se ingresan los
datos de flujo según los cálculos. e va
analizar para varios periodos de 5, 10, 25,
50 y 100 años.
Imagen 4. Curva de Altura vs Área en perfil
IV.
RESULTADOS
Se realizo el ingreso de la geometría
obtenida para la sección transversal 1.
Aguas abajo (se empieza a ingresar cada
una de las secciones de aguas abajo hacia
aguas arriba).
Se ingresan los caudales para cada uno
de los tiempos de retorno establecidos. Se
establecen las condiciones de contorno
conocidas. Se corre el programa y se
observan los datos obtenidos y grabados
en el archivo nombrado como plan01.
Imagen 7. Vista de perfil luego de correr programa
Imagen 5. Geometría en HEC-RAS de perfil 3
Obtenidos previamente los datos de
caudales del canal en la zona de interés
para periodos de retorno de 5,10, 20, 50 y
100 años, se procedió a montar el modelo
hidráulico HEC-RAS.
Imagen 8. Vista de planta según tiempos de retorno
Luego de seleccionado el modelo para
realizar el análisis hidráulico, se procedió
a estudiar sus requerimientos mínimos.
La información necesaria para la
modelación incluyó los trabajos de
levantamientos topográficos de los
canales de estudio, el levantamiento de
las secciones transversales de la
alineación del canal e inspecciones en
sitio para evaluar todas las estructuras
existentes. Todo con la finalidad de tener
una representación real
del canal
rionegro y canal el virrey.
Se cargaron las secciones transversales
para el canal el virrey y el canal
principal Rionegro que es de diseño para
los periodos de retorno seleccionado.
Como condición inicial se establecieron
las pendientes.
Una vez corrido el
modelo se procedió analizar las salidas,
que para nuestro caso corresponde al
análisis a los perfiles de agua, las
secciones transversales y los niveles de
aguas máximas extraordinarias.
Se
suministraron
11
secciones
transversales para el desarrollo del
modelo hidráulico.
Imagen 10. Línea de energía, cabeza de velocidad,
profundidad crítica, profundidad normal, ancho en la
superficie, velocidad, numero de Froude, perdidas.
Imagen 9. Perfil topográfico usado para modelo
Los problemas que se presentaron al
ensamblar el modelo, surgieron cuando se
trató de montar el modulo hidrodinámico
del modelo hidráulico HEC-RAS. Se
procedió a usar el modelo de flujo estable
para determinar los perfiles.
Aun así se estableció el modelo y se
obtuvieron los siguientes resultados
mediante el software HEC-RAS:
La fuerza de arrastre del río media, lo
que puede ocasionar o causar daños
moderados para cualquier estructura que
se construya sobre el alineamiento del
canal.
Luego de ensamblado el modelo HECRas, se procedió a realizar las corridas
para periodos de retorno de 2, 5, 10, 20,
50 y 100 años. En el cuadro se presentan
los resultados de la corrida realizada del
canal el virrey y canal rionegro hasta el
sitio de interés para un caudal máximo
con un periodo de retorno de 100 años.
Con la simulación se puede observar
que el canal está bien dimensionado para
soportar caudales máximos históricos.
Según la simulación en cada una de las
secciones transversales se puede observar
que siempre existe un borde libre superior
a 1 m.
Si llegase a presentarse un caudal
mayor a los estudiados se presentaría
inundación de las llanuras adyacentes, lo
cual provocaría grandes pérdidas de obras
de infraestructura o vidas humanas debido
a la velocidad y capacidad de arrastre por
parte del canal.(sería un desastre para
áreas adyacentes)
V.
Tabla 1. Resultados para los periodos de retorno
CONCLUSIONES
Se realizo un análisis del comportamiento
hidráulico de la confluencia entre dos
canales
urbanos
bajo
diferentes
condiciones y regímenes de flujo,
arrancando con una topografía que fue
estudiada
mediante
un
modelo
matemático (HEC-RAS) y que con cuyos
resultados se concluyo que el canal
Rionegro tiene una optima condición de
diseño para varios caudales y periodos de
retorno.
Con los resultados obtenidos en la
modelación, podemos deducir que a
pesar de que la confluencia (o punto de
encuentro) se encuentra bien diseñada,
existen factores como el diseño hidráulico
y el diseño geométrico de los dos canales
que no están adecuados para afrontar
caudales grandes y esto traería como
consecuencia altos riesgos de inundación.
REFERENCIAS
HIDRAULICA DE LOS CANALES
ABIERTOS. VEN TE CHOW. [En
línea]. Disponible en: 1982. ISBN 968-131327-5 [consultado el 15 de Agosto de
2013].
CURSOS EDUCATIVOS. [En línea].
Disponible
en:
http://www.fing.edu.uy/imfia/cursos/hha20
08/Teo2_10_b.pdf [consultado el 15 de
Agosto de 2013].
HIDRAULICA DE FLUIDOS. [En
línea]. Disponible en: http: // fluidos . eia .
edu . co / lhidraulica / guias / flujo
gradualmente
variado
/
flujogradualmentevariado.html [consultado
el 15 de Agosto de 2013].