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M
ODELOS
DEL
NCCHE
PARA
CUANTIFICAR
EL
T
RANSPORTE
DE
S
EDIMENTOS
EN
UN
R
ÍO
M. I. Guillermo Cardoso Landa
Instituto Tecnológico de Chilpancingo
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AGENDA
o ANTECEDENTES
o CARACTERÍSTICAS DEL NCCHE
o MODELO CCHE1D
o MODELO CCHE2D
o MODELO CCHE3D
o APLICACIÓN DEL CCHE2D AL RÍO PAPAGAYO
o COMENTARIOS FINALES
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ANTECEDENTES
Algunos de los desarrollos
simplificados están basados en
condiciones idealizadas de
laboratorio, que pueden ser no
verdaderas para los sistemas
naturales de ríos, que son
mucho mas complicados.
Muchas de las soluciones
teóricas mas sofisticadas
requieren un largo número de
parámetros, que son difíciles o
prácticamente imposibles de
obtener de la mayoría de los ríos.
Los procesos de transporte de
sedimentos, erosión y depósito en un
canal aluvial son extremadamente
complejos. Los desarrollos teóricos de las
funciones de transporte de sedimentos
para diferentes flujos y condiciones de
sedimentos se han basado en desarrollos
de diferentes grados de complejidad.
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ANTECEDENTES
Para elegir entre los modelos
computacionales y los modelos
físicos es necesario tomar en
consideración varios aspectos: la
naturaleza del problema que
necesita resolverse, los recursos
disponibles, así como el costo total
asociado a la solución del problema
planteado. En algunos casos
específicos, la combinación de
modelos físicos con modelos
computacionales, pueden resultar
mejor para la comprensión adecuada
del proceso bajo investigación en el
transporte de sedimentos de ríos .
El uso de los modelos
computacionales para
determinar el transporte de
sedimentos en ríos es reciente,
en comparación con el empleo
de los modelos físicos.
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ANTECEDENTES
Una ventaja de los modelos
computacionales es que pueden ser
adaptados a distintos dominios físicos
mas fácilmente que los modelos
físicos, los cuales son desarrollados
para representar condiciones
especificas de algún sitio. Otra ventaja
de los modelos computacionales es
que estos no están sujetos a los efectos
de distorsión que tienen los modelos
físicos cuando una solución puede
obtenerse para las mismas condiciones
del flujo (por ejemplo, idénticos
números de Reynolds y de Froude, la
misma escala de longitudes en las tres
direcciones, etc.)
Al utilizar modelos computacionales para la
determinación hidrodinámica en ríos, como
el transporte de sedimentos, se involucra la
solución numérica de una o varias de las
ecuaciones diferenciales de gobierno de
continuidad, de momentum y de energía del
flujo, además de la ecuación diferencial de
continuidad del transporte del sedimento.
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ANTECEDENTES
Se llevó a cabo una revisión
lo más amplia posible de
los modelos
computacionales para
transporte de sedimentos
desarrollados en las 3
últimas décadas,
presentando los modelos
analizados a continuación
atendiendo a su desarrollo
en 1D, 2D o 3D.
En los últimos treinta años, se han
desarrollado un gran número de
modelos computacionales
hidrodinámicos para la
determinación del transporte de
sedimentos.
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ANTECEDENTES MODELOS 1D
Empleados
desde la mitad
de la década
de los 1980,
Solución de las
ecuaciones diferenciales
de conservación de
masa y momentum de
flujo (las ecuaciones de
Saint Venant
),
Junto a la ecuación de
continuidad de masa de
sedimentos (la ecuación
de Exner), utilizando
esquemas de diferencias
finitas.
• Thomas and Prashum (1977)
HEC-6
• Holly and Rahuel (1990)
SEDICOUP
• Chang (1984)
FLUVIAL11
• Molinas and Yang (1986)
GSTARS
• Hamrick (2001)
EFDCID
• Krishnappan (1981)
MOBED
• Karim and Kennedy (1982)
IALLUVIAL
• Papanicolaou et al. (2004)
3STID
• Holly et al. (1990)
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ANTECEDENTES MODELOS 2D
Empleados desde la mitad de la
década de los 1980,
• Thomas and McAnally (1985
)
TABS-2
• Danish Hydraulic Institute
(1993)
MIKE2
• Bosboom et al. (1997)
UNIBEST-TC2
• Lee et al. (1997)
USTARS
• Minh Duc et al. (1998)
FAST-2D
• Spasojevic and Holly (1990)
MOBED-2
• Chang (1998)
FLUVIAL-12
• Walstra et al. (1998)
DELFT-2D
• Jia and Wang (1999)
CCHE2D
Los modelos 2D han
sido desarrollados y
empleados desde el
inicio de la década de
los 1990.
Solución de las ecuaciones
de continuidad de
profundidad media y la de
Navier-Stokes junto con la
ecuación de balance de
masa de sedimentos (DF,
MEF o VF)
Interface basada en
software que permite de
manera sencilla la
introducción de los
datos y la interpretación
gráfica de los resultados
.
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ANTECEDENTES MODELOS 3D
Procesos hidrodinámicos del transporte de sedimentos, por ejemplo, el flujo en la vecindad de pilas en ríos y costas, así como el transporte de sedimentos cerca de algunas estructuras hidráulicas.
Solución
de las ecuaciones de continuidad y de Navier Stokes junto con la ecuación de balance de masa de sedimentos,aplicando los métodos de diferencias finitas, elemento finito o volumen finito.
Para resolver las ecuaciones
gobernantes se ha utilizado
en estos modelos 3D la
aproximación de Reyolds
media de Navier Stokes
(RANS).
• Blumberg and Mellor (1987)
ECOMSED
• King (1988)
RMA-10
• Bierman et al. (1992)
GBTOXe
• Delft Hydraulics (1999)
Delf 3D
• Zeng et al. (2005)
ZENGC3D
• Spasojevic and Holly
(1994)
CH3D-SED
• Jacobsen and Rasmussen
(1997)
MIKE3
• Landsberg et al. (1998)
FAST3D
• Hervouet and Bates (2000)
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The Center for Computational Hydroscience and Engineering (CCHE) was
established in 1982, as a research unit in the School of Engineering at The
University of Mississippi, by the State of Mississippi's Institutions of Higher
Learning Board of Trustees. Due to international recognition and national
prominence, The University of Mississippi decided in 1999 to rename CCHE to
NCCHE (National Center for Computational Hydroscience and Engineering), to
broaden its activities and accelerate its progress.
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to advance the understanding of fundamental characteristics of water flow, soil erosion, sediment transport phenomena,
and their effect on water resources, soil conservation, flood control, waterways safety, etc. and their impact on environment/ecology;
to develop and refine the numerical-empirical modeling methodologies for conducting hydroscience and
engineering research cost-effectively in the areas mentioned above;
to educate qualified future researchers and engineers through graduate degree programs in Engineering Science with emphasis in
Computational Hydroscience and Engineering as well as to equip the professionals in the field with the know-how for applying the newly developed research and engineering tools by way of short courses and workshops;
to assist government agencies and private institutions in carrying out research and engineering projects in the areas
elated to hydroscience and engineering; and;
to promote exchange of knowledge and experience through
cooperative research agreements with leading research organizations
in both the U.S. and other nations worldwide, as well as through technology transfer by publications, exchange visits, and organizing conferences and symposia, and other associated activities.
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CCHE1D (APLICACIONES)
, 1994
Application
to
Goodwin
Creek
Experimental Watershed
The CCHE1D channel network model was
used to compute runoff, sediment yields,
and bed evolution for the entire Goodwin
Creek experimental watershed. The
channel model was used in combination
with the watershed model SWAT and the
landscape
analysis
model
TOPAZ.
Computed sediment yields and predicted
channel
evolution
were
in
good
agreement with field measurements.
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CCHE2D
Las ecuaciones de transporte de sedimentos
recientemente propuestas por Wu et al., (2000),
fueron ensayadas de manera independiente
comparándolas con muchos experimentos y datos
de campo diferentes, entre los cuales se incluyen
los datos de Brownlie (1981) y los datos de
Toffaleti (1968). Estas ecuaciones de Wu et al.,
también se compararon con ecuaciones
existentes, como la ecuación de Ackers & White
(1973) y su modificación realizada por Proffit &
Sutherland (1983), la ecuación de Engelund &
Hansen (1967), la ecuación de Yang (1973) y el
módulo SEDTRA (Garbrecht et al., 1995).
Las ecuaciones de Wu et al., proporcionan
predicciones adecuadas para la determinación
de los sedimentos de fondo, suspendidos y
totales que transporta un río.
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APLICACIÓN DEL CCHE2D AL RÍO PAPAGAYO
Procedimiento General
El modelo numérico CCHE2D está basado en la solución de las ecuaciones de
Navier-Stokes y es un problema de valor inicial-límite. Los usuarios deben
proporcionar las condiciones iniciales y las condiciones de frontera.
El procedimiento general para una simulación numérica, es de la siguiente
manera:
Generación de malla.
Especificación de las condiciones de frontera.
Ajuste de parámetros.
Simulación.
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APLICACIÓN DEL CCHE2D AL RÍO PAPAGAYO
Ecuaciones de transporte de sedimentos
La capacidad de transporte de sedimentos, se determina por:
1. La fórmula de Van Rijn,
2. La fórmula de Wu et al.,
3. El módulo de SEDTRA (Garbrecht et al.),
4. La fórmula de Blanco (Proffit y Sutherland),
5. La ecuación modificada de Engelund,
6. La fórmula de Hansen (Wu y Vieira).
El efecto de flujo secundario en el flujo principal y el transporte de
sedimentos en canales curvos, se han considerado también en la
versión actual del modelo CCHE2D.
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