Revista
Internacional
de
Métodos
Numéricos
para
Cálculo
y
Diseño
en
Ingeniería
w w w . e l s e v i e r . e s / r i m n i
Iber:
herramienta
de
simulación
numérica
del
flujo
en
ríos
E.
Bladé
a,∗,
L.
Cea
b,
G.
Corestein
a,
E.
Escolano
c,
J.
Puertas
b,
E.
Vázquez-Cendón
d,
J.
Dolz
ay
A.
Coll
caInstitutFlumen,E.T.S.d’EnginyersdeCamins,CanalsiPortsdeBarcelona,UniversitatPolitècnicadeCatalunya,BarcelonaTech,UPCCampusNord,JordiGirona1-3,D-1, 08034Barcelona,Espa˜na
bGrupodeIngenieríadelAguaydelMedioAmbiente,E.T.S.IngenierosdeCaminosCanalesyPuertos,UniversidadedaCoru˜na,CampusdeElvi˜na,15071ACoru˜na,Espa˜na cCentreInternacionaldeMètodesNumèricsenEnginyeria,CIMNE,EdificiC-1,CampusNordUPC,GranCapitá,s/n,08034Barcelona,Espa˜na
dDepartamentodeMatemáticaAplicada,UniversidadedeSantiagodeCompostela,CampusVida,15782SantiagodeCompostela,Espa˜na
i n f o r m a c i ó n
d e l
a r t í c u l o
Historiadelartículo:
Recibidoel16demarzode2012 Aceptadoel26dejuliode2012 On-lineel20denoviembrede2012
Palabrasclave: Flujoenláminalibre Aguassomeras
Modelizacióndeprocesosfluviales Inundaciones
r
e
s
u
m
e
n
Paradarrespuestaalosrequerimientosenmateriadeaguasdefinidosenlasdirectrices,reglamentos yrecomendacionesexistentesenlalegislaciónespa ˜nola,loscualesestánmayoritariamentebasadosen directivaseuropeas,sehadesarrolladounaherramientademodelizaciónnuméricadelflujodeagua enláminalibreen2dimensiones.Laherramienta,llamadaIber,combinaunmódulohidrodinámico, unmódulodeturbulenciayunmódulodetransportedesedimentos,yutilizaelmétododevolúmenes finitospararesolverlasecuaciones correspondientes.Almódulodecálculo selehaadaptadouna interfazquesebasaenelsoftwaredepreprocesoyposprocesoGiD,desarrolladoporCIMNE.Elresultado esunaherramientademodelizaciónnuméricadelflujodeaguaysedimentosenríosyestuarios,que utilizaesquemasnuméricosavanzadosespecialmenteestablesyrobustosencualquiersituaciónpero especialmenteadecuadosparaflujosdiscontinuosy,enconcreto,paracaucestorrencialesyregímenes irregulares.
©2012CIMNE(UniversitatPolitècnicadeCatalunya).PublicadoporElsevierEspaña,S.L.Todoslos derechosreservados.
Iber
—
River
modelling
simulation
tool
Keywords: Openchannelflow Shallowwater
Fluvialprocessesmodelling Floodmodelling
a
b
s
t
r
a
c
t
TherecentrequirementsofSpanishregulationsanddirectives,ontheirturnbasedonEuropeandirectives, haveledtothedevelopmentofanewtwodimensionalopenchannelflowmodellingtool.Thetool, namedIber,combinesahydrodynamicmodule,aturbulencemoduleandasedimenttransportmodule, andisbasedinthefinitevolumemethodtosolvetheinvolvedequations.Thesimulationcodehasbeen integratedinapre-processandpost-processinterfacebasedonGiDsoftware,developedbyCIMNE.The resultisaflowandsedimentmodellingsystemforriversandestuariesthatusesadvancednumerical schemes,robustandstable,whichareespeciallysuitablefordiscontinuousflowstakingplaceintorrential andhydrologicallyirregularrivers.
©2012CIMNE(UniversitatPolitècnicadeCatalunya).PublishedbyElsevierEspaña,S.L.Allrights reserved.
1. Introducción
Lamodelaciónmatemáticadelflujodeaguaenunríoconsiste
enpredecirlosvaloresquetomanlasvariableshidráulicas(calado,
∗ Autorparacorrespondencia.
Correoselectrónicos:[email protected](E.Bladé),[email protected](L.Cea), [email protected](G.Corestein),[email protected](E.Escolano), [email protected](J.Puertas),[email protected]
(E.Vázquez-Cendón),[email protected](J.Dolz),[email protected](A.Coll).
velocidades, caudal, etc.) a partir de la resolución mediante
métodos numéricos de unas ecuaciones obtenidas con una
seriedehipótesis.Paraelestudiodelosefectosdelapropagación
deavenidasenríossepuedenutilizarmodelosunidimensionales
obidimensionales.Lanecesidaddeestudiarcadavezfenómenos
máscomplejos,ylaobservaciónqueenlanaturalezaseencuentran
muchassituacionesdondeelflujopareceserefectivamente
bidi-mensional—es decir, predominan lasdimensioneshorizontales
sobre lavertical—,junto conlacrecientecapacidadyvelocidad
delosordenadores,hallevadoalusodeecuacionesyesquemas
bidimensionales (ecuaciones de aguas someras). Actualmente
0213-1315/$–seefrontmatter©2012CIMNE(UniversitatPolitècnicadeCatalunya).PublicadoporElsevierEspaña,S.L.Todoslosderechosreservados. http://dx.doi.org/10.1016/j.rimni.2012.07.004
existeunavariedaddeherramientasparalaresolucióndelflujo
deagua enlámina libre en 2dimensiones. Algunasdelasmás
consolidadas,comoMike-21,SobekoTuflow2D,utilizanesquemas
endiferenciasfinitas,loqueconllevalimitacionesenlaflexibilidad
dela mallayen el cálculode solucionescondiscontinuidades.
Otras,comoTelemac2D,losdistintosmódulosdecálculodeSMSy
FLO-2D,utilizanelementosfinitos,loquepermitemásflexibilidad
enla malla de cálculo al trabajar conmallas no estructuradas.
Latendencia actualsedecantaclaramente hacialametodología
devolúmenesfinitos,aprovechandolosimportantes desarrollos
habidosenlasúltimasdécadasconestetipodeesquemasparalas
ecuacionesdelasaguassomeras(verporejemplo[1]y[2]).Algunas
delasherramientasdisponiblesyqueutilizanvolúmenesfinitos
sonInfoworks,Guad2D,lasúltimasversionesdeMike-21eIber.
Iberesunmodelomatemáticobidimensionalparalasimulación
delflujo enríos y estuarios desarrolladoa partir de la
colabo-racióndelGrupodeIngenieríadelAguaydelMedioAmbiente,
GEAMA(UniversidadedaCoru˜na),delGrupodeIngeniería
Matemá-tica(UniversidadedeSantiagodeCompostela),delInstitutoFlumen (UniversitatPolitècnicadeCatalunyayCentreInternacionalde
Mèto-desNumèricsenEnginyeria)ypromovidoporelCentrodeEstudios
Hidrográficosdel CEDEX.Iberes unmodelo numérico
desarro-lladodirectamentedesdelaadministración públicaespa ˜nolaen
colaboraciónconlasuniversidadesmencionadasydise ˜nadopara
serespecialmente útila lasnecesidades técnicas específicas de
lasconfederacioneshidrográficasenlaaplicacióndelalegislación
sectorialvigenteenmateriadeaguas.Algunosdeloscamposde
aplicacióndelaversiónactualdeIberson:
•Simulacióndelflujoenláminalibreencaucesnaturales.
•Evaluacióndezonasinundables.Cálculo delaszonasdeflujo
preferente.
•Cálculohidráulicodeencauzamientos.
•Cálculohidráulicoderedesdecanalesenláminalibre.
•Cálculodecorrientesdemareaenestuarios.
•Estabilidaddelossedimentosdellecho.
•Procesosdeerosiónysedimentaciónportransportedematerial
granular.
Ibersedesarrollóapartirde2herramientasdemodelización
numéricabidimensionalya existentes, Turbillóny CARPA(cuya
metodologíasepuede encontrarporejemploenCeaetal.[3]y
Bladéetal.[4],respectivamente),ambasconelmétodode
volúme-nesfinitos,quefueronintegradasenunúnicocódigoampliadocon
nuevascapacidades.ElmodeloIberconstadediferentesmódulos
decálculoacopladosentresí.Ensuprimeraversiónseincluyeun
módulohidrodinámico,unmódulodeturbulenciayunmódulode
transportedesedimentos,degranulometríauniforme,porcargade
fondoyporcargaensuspensión.Ensucesivasversionesdelmodelo
seiráncomplementandoyampliandoestosmódulosyse
desarro-llaránotrosnuevos.EntrelaslíneasprioritariasdedesarrollodeIber
acortoplazoseencuentranlosmodelosdetransportedemezclasde
sedimento,losmodelosdehábitatfluvialylosmodelosdecalidad
deaguas.Iberesunmodelodeusolibrequesepuededescargar
delapáginaweb www.iberaula.es,dondeseofrece
documenta-ciónadicional,soporteatravésdeunforodediscusiónycursosde
formación.
2. Modelonumérico
2.1. Ecuaciones
ElmódulohidrodinámicodeIberresuelvelasecuacionesdeSt.
Venantbidimensionales,incorporandolosefectosdelaturbulencia
yrozamientosuperficialporviento:
∂h ∂t + ∂hUx ∂x + ∂hUy ∂y =0 ∂ ∂t(hUx)+ ∂ ∂x
hU2 x+g h2 2 + ∂ ∂y hUxUy =−gh∂Zb ∂x + s,x − b,x + ∂ ∂x th∂Ux ∂x + ∂ ∂y th∂Ux ∂y ∂ ∂t hUy + ∂ ∂x hUxUy + ∂ ∂y hU2 y+g h2 2 =−gh∂Zb ∂y + s,y − b,y + ∂ ∂x th ∂Uy ∂x +∂y∂ th ∂Uy ∂yendondeheselcalado,Ux,Uy sonlasvelocidadeshorizontales
promediadasenprofundidad,geslaaceleracióndelagravedad,
esladensidaddelagua,Zbeslacotadelfondo,seslafricciónen
lasuperficielibredebidaalrozamientoproducidoporelviento,b
eslafriccióndebidaalrozamientodelfondoyteslaviscosidad
turbulenta.Lafriccióndefondoseevalúamediantelafórmulade
Manningcomo: b,x=gh n2U x
U 2 h4/3 b,y=gh n2U yU 2 h4/3Lafuerzaderozamientorealizadaporelvientosobrela
super-ficielibresecalculaapartirdelavelocidaddelvientoa10mde
altura,utilizandoparaellolaecuacióndeVanDorn[5]:
s,x=CVD
V10Vx,10 s,y=CVDV10Vy,10donde,VX,10,VY,10sonlas2componentesdelavelocidaddelviento
a10mdealtura,|V10|eselmódulodelavelocidaddelvientoa
10mdealturayCVDesuncoeficientedearrastresuperficialquese
calculaenfuncióndelavelocidaddelvientoapartirdelasiguiente
expresión:
V10<5,6m/s→CVD=1,2·10−6 V10≥5,6m/s→CVD=1,2·10−6+2,25·10−6 1−5,6 V10 2Todaslasfuncionesyparámetrosqueaparecenenlasecuaciones
hidrodinámicas(incluyendoelcoeficientedeManningyla
veloci-daddelviento)puedenimponersedeformavariabletantoespacial
comotemporalmente.
La viscosidad turbulenta se calcula mediante modelos de
turbulenciaespecíficosparalasecuacionesdeaguassomeras
pro-mediadasenprofundidad.Iberincluye3modelosdeturbulencia
promediadosenprofundidad:elmodeloparabólico,unmodelode
longituddemezclayelmodelok-εdeRastogiyRodi[6].Enel
modeloparabólicosecalculalaviscosidadturbulentacomo:
t=0,068ufh uf = b/
siendouflavelocidaddefriccióndefondo.Utilizandolafórmulade
Manningparacalcularlafriccióndefondoseobtienelasiguiente
expresiónparalaviscosidadturbulenta:
t=0,068√gn
Uh5/6Enelmodelodelongituddemezclaparaaguassomeras,la
vis-cosidadturbulentasecalculamediantelasiguienteexpresión:
t=[min (0,267h,dwall)]2
2SijSij+ 2,34uf h 2 Sij=1 2 ∂Ui ∂xj+ ∂Uj ∂xiTabla1
Friccióndepared.Kseslaalturaderugosidaddelapared
Tipoderégimen K+S =KSu∗/ |u| =u∗ Ln(E·d+)
Turbulentoliso K+S <5 E=9,0
Transiciónliso-rugoso 5<K+S <70 E=
0,11+0,033·KS+−1Turbulentorugoso K+S >70 E=30/KS+
endonde=0,41eslaconstantedevonKarmanydwallesla
distan-ciadesdeelpuntoconsideradoalaparedmáscercana.Elmodelo
k-εdeRastogiyRodi[6]resuelveunaecuacióndetransporteparala
energíacinéticaturbulentakyparalatasadedisipacióndeenergía
turbulentaε: ∂k ∂t + ∂Uxk ∂x + ∂Uyk ∂y = ∂ ∂xj
+ t k ∂k ∂xj +2tSijSij+ck u3 f h −ε ∂ε ∂t + ∂Uxε ∂x + ∂Uyε ∂y = ∂ ∂xj +t ε ∂ε ∂xj +cε1 ε k2tSijSij+cε u4 f h2−cε2 ε2 k t=c k 2 ε ck=c −1/2 f cε=3,6c 3/2 k cε2c1/2 cf= b 1 U2 c =0,09 cε1=1,44 cε2=1,92 k=1,0 ε=1,31 2.2. CondicionesdecontornoIberdistingueentrecontornoscerrados(tipopared)ycontornos
abiertosporloscualesentraysaleelaguadeldominiodecálculo.
Enloscontornoscerradossepuedeimponerounacondiciónde
deslizamientolibreounacondicióndefriccióndepared.Conla
condicióndedeslizamientolibresedespreciaelrozamiento
gene-radoporloscontornossobreelfluido.Siseconsiderarelevanteel
efectodelrozamientogeneradoporelcontornosedebeutilizar
unacondicióndecontornotipofricción.Lavelocidadtangenciala
laparedpuede expresarsecomouna funcióndelavelocidadde
friccióndepared(u*)ydeladistanciaalaparedcomo:
U= u∗ 0,4Ln E·du∗dondedesladistanciaenperpendicularalaparedyEesun
pará-metrocuyovalordependedelascaracterísticasdelflujo.Parael
cálculodeEseconsiderancondicionesdeflujoturbulentoliso,
tur-bulentorugoso,ytransiciónentreturbulentolisoyrugoso,talcomo
seespecificaenlatabla1.
Respectoaloscontornosabiertos,seconsiderandiferentes
alter-nativasenfuncióndelrégimenhidráulicoenelcontorno.Enlos
contornosdeentradasefijaelcaudaldeaguayseasumequela
direccióndelflujoesperpendicularalcontorno.Encasodequeel
flujoentreenrégimensupercrítico,seimponeadicionalmenteel
calado.Ladistribucióndelcaudalunitarioalolargodelcontornose
realizadeformaproporcionalalcaladoencadapuntodelmismo
segúnlaexpresiónqn=C·h5/3,dondeCesunaconstanteque
ase-guraquelaintegraldelcaudalunitarioqnalolargodelcontorno
consideradoesigualalcaudaltotaldeentrada.
Enloscontornosdesalidaseimponeelniveldelaláminade
aguaencasodequeseproduzcaunrégimensubcrítico,mientras
quenoesnecesarioimponerningunacondiciónenelcasodeque
elrégimenseasupercrítico.Enloscontornosdesalidaseconsidera
asimismolaposibilidaddeintroducirunarelacióndecurvadegasto
ZU ZU ZU ZD h h ZB ZB ZB ZD ZD ZW ZW
Figura1.Definiciónesquemáticadelasvariablesutilizadasenlaimposiciónde condicionesinternas.Compuertasinvertedero(izquierda),vertederosincompuerta (centro)ycombinacióncompuerta-vertedero(derecha).
quedefinalarelaciónentrelacotadelaláminadeaguayelcaudal
específicodesaguadoencadapuntodelcontorno.
Porúltimo,seincluyelaposibilidaddedefinircontornos
abier-tostipomarea,enloscualesseimponeunacotadelaláminade
aguavariableeneltiempo.Enestoscontornossefijaúnicamente
lacotadelaláminacuandoelaguasaledeldominiodecálculo
(mareavaciante),yseimponeadicionalmenteladireccióndelflujo
deforma perpendicular alcontornocuandoel aguaentra enel
dominio(mareaentrante).
2.3. Condicionesinternas
Lascondicionesinternasseutilizanparamodelarestructuras
hidráulicastipocompuertas,vertederosopuentesqueentranen
carga.Enestos casoslasecuacionesdeSt. Venantdejandeser
válidasporincumplirselashipótesisdepresiónhidrostáticay
velo-cidaduniformeenprofundidad,yporlotantoesmásadecuado
calcularlarelaciónentreelcaudalylapérdidadecargaatravésde
dichasestructurasmedianteecuacionesdedescargaespecíficas.En
Iberseconsiderancondicionesinternasdeflujobajocompuertay
deflujosobrevertederoenláminalibre.Elflujoatravésde
table-rosdepuentesanegadossepuedecalcularcomolacombinaciónde
las2condicionesanteriores.Enestecasoelcaudaltotaldesaguado
seobtienecomolasumadelcaudalbajocompuertaydelcaudal
sobrevertedero.Lasecuacionesdedesagüeyvariablesutilizadas
encadacasoseespecificanenlatabla2(dondeCdgeselcoeficiente
dedesagüeparacompuertalibre,Cdg’eselcoeficientededesagüe
paracompuertasumergida,Cdw eselcoeficientededesagüedel
vertederoyBeselanchodepasodelaestructura)yenlafigura1.
2.4. Esquemasnuméricos
Las ecuaciones de aguas someras y las del modelo k-ε se
resuelvenmedianteelmétododevolúmenesfinitosparamallas
bidimensionalesnoestructuradas.Losesquemasnuméricos
utili-zadosenIbersonespecialmenteapropiadosparalamodelización
decambiosderégimenydefrentesseco-mojado(frentesde
inun-dación).Elanálisisdelosalgoritmosderesoluciónempleadosen
Iberexcedelosobjetivosdeesteartículo,ysepuedeencontraruna
descripcióndetalladadeaquellosenBermúdezetal.[7],LeVeque
[8],Roe[9]yVázquez-Cendón[2].
Ladiscretizacióndeldominioespacialserealizacon
volúme-nesfinitosenmallasnoestructuradas,admitiéndoseestasmixtas
formadas porelementos triangularesy cuadrangulares. Elflujo
convectivosediscretizamedianteesquemasdescentradosdetipo
Godunov,concretamenteelesquemadescentradodeRoe[9],así
comosuextensiónaorden2conellimitadordependienteMinmod
[2]paraevitaroscilacionesenregionesconmáximosomínimos
locales.Eltérminoqueincluyelapendientedelfondose
discre-tizadeformadescentradaconelfindeevitaroscilacionesespurias
delaláminalibrecuandosetrabajaconterrenoscomplejos[7].El
restodetérminosfuente,incluidoslosdedifusiónturbulenta,se
Tabla2
Ecuacionesutilizadasenlascondicionesinternas,siempreycuandosecumplaZU-ZB>h
Compuerta-Libre (ZD−ZB)/(ZU−ZB)<0,67 Q=CdgBh 2g(ZU−ZB)
Compuerta-Transición 0,67<(ZD−ZB)/(ZU−ZB)<0,80 Q=CdgBh 6g(ZU−ZD)
Compuerta-Anegada (ZD−ZB)/(ZU−ZB)>0,80 Q=CdgBh 2g(ZU−ZD)
Vertedero-Libre (ZD−ZB)/(ZU−ZB)<0,67 Q=CdwB(ZU−Zw)1,5
Vertedero-Anegado (ZD−ZB)/(ZU−ZB)>0,67 Q=2,6CdwB(ZD−Zw)(ZU−Zw)0,5
Paraeltratamientodelosfrentesseco-mojadosedefineuna
toleranciaseco-mojado,deformaquesielcaladoenunvolumen
finitoesmenoradichatolerancia,elelementoseconsiderasecoy
noseincluyeenelcálculo.Laalturadeaguanuncasefuerzaacero,
conelfindeevitarpérdidasdemasaenelinterior deldominio
decálculo.Deestamanerasedefineelfrentedeinundacióncomo
ellímiteentrelaszonasconcaladoinferioralatolerancia
seco-mojadoylaszonasconcaladosuperioradicholímite.Enelfrente
deinundaciónseimponeunacondicióndereflexión,queconsiste
enimponeracerotantolavelocidadperpendicularalfrentecomo
elgradientedelaláminadeaguaendichadirección.
2.5. Interfazdepreprocesoyposproceso
Lainterfazdeusuariodeunprogramadesimulaciónnumérica
esdegranimportancia,yenelcasoparticulardelamodelación
bidi-mensionalpuederesultarclavedadalacantidadylavariedadde
datosdeentradaqueserequieren.LainterfazdeIberestárealizada
enbasealprogramaGiD[10–12],desarrolladoporelCentre
Inter-nacionaldeMètodsNumèricsenEnginyeria(CIMNE).GiDesun
programadepreprocesoypostprocesoparasimulaciones
numéri-casqueestádise ˜nadoparaseradaptadoypersonalizadosegúnlos
requisitosdelmodelonumérico.Elresultadoesunaherramienta
flexibleyamigableconelusuario.Muchasdelascapacidades
dis-poniblesenlainterfazdeIbersonintrínsecasdeGiD,peromuchas
otrashansidodesarrolladasparadotaralmodelodelas
herramien-tasespecíficasquesenecesitanparasimulaciónnuméricadeflujos
aláminalibreenaguaspocoprofundas[13].Deentrelos
desarro-llosespecíficosparaelpreprocesodestacalaimportacióndesdeun
archivogeorreferenciadodelarugosidaddeManningasociadaa
usosdelsueloysuasignaciónautomáticaa loselementosdela
malla.
Unodelosprocesosquerequierenmayortiempoyesfuerzoa
lahoradedesarrollarunestudiodesimulaciónnuméricadelflujo
enríoseslageneracióndelamalladecálculo.Unríotieneuna
geometríairregularylaconstruccióndeunamallaeficientenoes
evidente.Esdeseablequelamallaseairregular,conelfinde
mini-mizarelnúmerodeelementoscontransicionessuaves.Paraello
sonmuyadecuadoslosmétodosdemalladobasadosenelerror
cordal(máximadistanciaentreelterrenooriginalylamalla).Por
elloIberincorpora lascapacidades estándardemallado deGiD,
comolacreacióndemallasestructuradasynoestructuradas,de
triángulosydecuadriláteros,medianteelusodediversos
algorit-mosdemallado.Adicionalmentesehandesarrolladoherramientas
decreaciónyedicióndemallasqueseadaptanalasnecesidadesde
losestudiosdehidráulicafluvial.
Enelcasodequeelterreno formeunasuperficie
suficiente-mentesuave,esposibleimportarelarchivodelMDTcomouna
única superficie. Iber considera las superficies como entidades
NURBS(NonUniformRationalB-Splines).Estemétodopuede
pro-porcionarmallasdegrancalidadcuandolasuperficieresultante
estábiencondicionada.Porelcontrario,sielterrenotiene
irregu-laridadesimportantes,comoporejemploedificios,esposibleque
nosepuedarepresentarcomounasuperficieNURBS,oquesu
apro-ximaciónnoseaadecuadaylasuperficieseplieguesobresímisma,
produciéndoseporlotantoerroresenelmallado.Paratopografías
Figura2. MalladecálculoformadaporunaRedIrregulardeTriángulosRectángulos (RTIN).
Figura3.MenúIberHerramientasyunejemplodeedicióndenodosdeunamalla.
quepresentanirregularidadesocomplejidadesseimplementóla
metodologíadecreacióndegeometríasenformatoRTIN(Regular
TriangularIrregularNetwork)adaptandolapropuestapresentada
enEvansetal.[14].Lastopografíasresultantespermitenobtener
mallasdegrancalidadyrobustez,aunqueconpresenciade
direc-cionesdominantes(fig.2).
Porúltimo,seincorporaunaherramientaquepermite,unavez
creadalamalladecálculo,modificarlacotadelosnodosdelos
elementosdelamallaapartirdeunmodelodigitaldelterrenoen
formatoASCIIdeArc/Info(fig.3).
2.6. Capacidadesadicionales
LabasedelmodeloIbersonlosmódulosquecalculanla
hidro-dinámicaylaturbulencia,descritosenlosapartadosanteriores.La
herramientacompletatiene,comosemencionaenelapartado2.1,
laposibilidaddeincluirenlasecuacionesdelmodelolosefectosde
lasprecipitacionesydeltransportedesedimentos.Aunquehacer
unaexplicacióndetalladadeestascapacidadesnoformapartede
losobjetivosdeesteartículo,síresultainteresantedescribirlosde
Enelmódulodetransportedesedimentosseresuelvenlas
ecua-cionesdetransporteporcargadefondoyporcargaensuspensión.
Teniendoencuentaambosmodosdetransportesecalculala
evo-lucióndelacotadelfondodebidoaprocesosdesedimentación
yerosiónmediantela ecuacióndeExner.Entodosloscasosse
considerangranulometríasuniformes.
Elcaudalsólidodefondo secalculamedianteformulaciones
empíricasenfuncióndelatensióndefondo.Elmódulode
trans-porte desedimentos porcarga de fondo incluyelas siguientes
características:
•UmbraldemovimientodeShields.
•Formulacionesparacaudalsólidodefondo.
•Meyer Peter-Müller con corrección de Wong-Parker (D=
2-30mm)[15].
•VanRijn(D=0,2-2mm)[16].
•Correcciónporpendientedefondoeniniciodelarrastre(tensión
críticaentalud)[17].
•Correcciónporpendientedefondoentransportesólido
(magni-tudydirección)[17].
•SeparacióndetensionesdeEinsteinporformasdefondoygrano.
•Condicionesdecontornotiposedimentograma(caudalsólidode
fondovariableentiempo).
•Condicióndecotadefondonoerosionable(puntosfijos).
Eltransporteensuspensiónsecalcularesolviendolaecuación
de convección-difusión promediada en profundidad para la
concentracióndesedimento, incluyendoun términode
deposi-ción/resuspensiónquemodelaelintercambiodesedimentoentre
ellechoylacargaensuspensión.Lasprincipalescaracterísticasde
estemóduloson:
•Incorporacióndetransportepordifusiónturbulenta.
•Términodedeposición/resuspensión.
•Cálculodelaconcentracióndesedimentoensuspensiónsegún
lasformulacionesde:
◦VanRijn[18].
◦SmithMcLean[19].
◦Ariathurai[20].
•Cálculodelavelocidaddesedimentacióndelaspartículassegún
vanRijn[18]
•Condicióndecontornodeconcentracióndesedimentoen
sus-pensiónvariableentiempo.
EnIberesposibleconsiderarelaportedemasadeagua
gene-rado por un episodio de precipitación variable en el tiempo y
enelespacio.Paraellosepuedendefinirdiferenteshietogramas
en diferentes zonas del dominio de estudio. En la simulación
de procesos deprecipitación puede ser necesario considerar la
infiltracióndeaguaenelterrenonosaturado.Lamodelizaciónde
lainfiltracióndeaguasuperficialenelterrenoesespecialmente
importanteen la simulaciónde la transformaciónde lluvia en
escorrentía.Paracalcularlainfiltraciónpotencialseimplementan
3modelosdeinfiltracióncomúnmenteutilizados: elmodelode
Green-Ampt,elmodelodeHortonyelmodelolineal.
Asímismo,Iberincorporalaposibilidadderealizarlas
simula-cionesdemaneraquefacilitenladelimitacióndelavíadeintenso
desagüe,unrequisito quela normativaespa ˜nolaexige para los
estudiosdedeterminacióndelosmapasdeinundabilidad.
3. Validaciones
Enestasecciónsepresentanalgunasvalidaciones
experimenta-lesdelmodeloIberconelfindemostrarlascapacidadesdelmodelo
1 0,5 0 y y 7 8 9 10 11 12 1,6 1,4 1,2 0,8 0,6 0,4 0,2 1 0 2 1,8 1,6 1,2 1 0,4 0,6 0,8 0,2 1,4 0 |V| (m/s) |V| (m/s) 1 0,5 0 0 1 2 x 3 4 x
Figura4. Vistaenplantadeloscamposdevelocidaden2tiposdeescaladepeces dehendiduravertical.Dise ˜nosT1(arriba)yT2(abajo).
1 0,8 0,6 0,4 0,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 y y –1 –0,5 0 0,5 Vx 1,5 KE model Exp 1 –1 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 y –1 –0,5 0 0,5 Vx 1,5 2 1 –0,5 0 0,5 Vx 1,5 2 1 KE model
Exp KE modelExp
Figura5.Seccionestransversalesdevelocidadlongitudinal,experimentaly numé-rica,endiferentesseccionesdelapiscina.Dise ˜noT1enx=9,46m(izquierda),dise ˜no T2enx=2,0m(centro)ydise ˜noT2enx=2,6m(derecha).
ylaprecisiónquesepuedeesperardesusresultadosendiferentes
tiposdeaplicaciones.
3.1. Escaladepecesdehendiduravertical
Unaescaladepecesesundispositivodise ˜nadoparaposibilitar
lamigracióndelasespeciespiscícolasríoarribaatravésde
obstá-culostransversalescomopuedenserazudesopresas.Lasescalasde
hendiduraverticalconsistenenuncanaldivididoendiferentes
pis-cinasseparadasporparedesverticalesconunahendiduravertical
atravésdelacuallospecespuedandesplazarsedepiscinaen
pis-cina.Enestetipodeescalasdepeceslasvelocidadesverticalesson
muypeque ˜nasexceptoenlahendidura,yelcampodevelocidades
muyhomogéneoenprofundidad,porloqueelflujopuede
simu-larseadecuadamenteconunmodelobasadoenlasecuacionesdeSt.
Venant2D.Debidoalaselevadaspendientesdeestetipode
disposi-tivos(habitualmenteentreel5yel10%)yalaelevadavelocidaddel
aguaenlashendidurasverticales,elflujoesaltamenteturbulento,y
porlotantosehaceindispensableutilizarunmodelodeturbulencia
tipok-εparaunacorrectamodelizacióndelcampodevelocidades
ydelaszonasderecirculaciónqueseproducenenlaspiscinas[21].
Para validar el modelo hidrodinámico y de turbulencia se
modelizóelflujoen2dise ˜nosdeescalasdehendiduraverticalyse
compararonloscamposdevelocidadconlosobtenidos
experimen-talmenteenPuertasetal.[22].Lafigura4muestralageometría
delosdise ˜nosutilizados,asícomoelcampodevelocidadylíneas
decorrientecalculadasparauncaudalde65l/s.Paradiscretizar
cada una delas geometrías que se muestran en la figura4 se
utilizóunamallanoestructuradaformadaporaproximadamente
11.000volúmenesfinitos,conuntama ˜nomediodeelementode
4cm2.Siseutilizaelmodelok-εparacalcularlastensiones
turbu-lentaselmodeloprediceadecuadamentelaszonasderecirculación
ylasvelocidadesmáximasqueseproducenenlaspiscinas,como
puedeobservarseenlacomparaciónnuméricoexperimentalque
semuestraenlafigura5para3seccionestransversales:unaenel
10 8 6 4 2 0 0 20 40 60 80 100 x (m) T2 exacto T2 Iber minmod h (m) 10 8 6 4 2 0 0 20 40 60 80 100 x (m) T2 exacto T2 Iber minmod h (m)
Figura6. Roturadepresa1Dinstantánea.Perfileslongitudinalesdecaladoen2 ins-tantesdetiempocalculadosconIber(líneacontinua)ysoluciónanalítica(círculos).
3.2. Roturadepresa
Elcálculo delaszonasafectadasporlaroturatotaloparcial
deunapresaodeunabalsadecontenciónesunaposibleaplicación
delosmodelosdeaguassomerasbidimensionales,que
propor-cionanenestoscasosuna buenarelaciónentreprecisiónenlos
resultadosycomplejidaddelmodelodecálculo.Untestutilizado
habitualmenteparaevaluarlacapacidaddeunmodelonumérico
para resolver los cambios de régimen ligados a este tipo de
problemaseselanálisisdelaroturadepresainstantánea
unidi-mensional,paralacualexistesoluciónanalítica.Aunqueeltestde
roturainstantánea unidimensionalesgeométricamentesencillo,
desdeelpuntodevistanuméricoimplicaqueelmodelodebeser
capazderesolvercambiosderégimenyondasdechoquedeforma
estableyprecisa.LosesquemasnuméricosimplementadosenIber
(detipoGodunov)sonespecialmenteadecuadosparaelcálculode
estetipodeflujos.Lafigura6comparalosresultadosnuméricos
conla solución analíticapara un test de roturainstantánea de
presa1D,considerandounoscaladosde10myde1macadalado
delapresa.Paraelcálculonuméricosehautilizadounamallade
200elementos.Como puede observarse, el modelo es capaz de
predecircongranprecisiónlasoluciónanalítica,sincrearningún
tipodeinestabilidadnuméricaenlaondadechoque.
3.3. Crucedecalles
Duranteunepisodio delluviaenunaciudad,unapartedela
precipitaciónacabacirculandoporlasuperficiedelascallesyesun
factorimportanteatenerencuentadesdeelpuntodevistadela
seguridaddevehículosypeatones.Losmodelosdeaguassomeras
en2dimensionespermitenobtenerinformacióndegraninterés
paralacomprensiónyanálisisdeesteproblema.Paracomprobarla
eficaciadelmodeloenestetipodecasosserealizóunavalidación
experimentalenlaqueseutilizóunainstalacióndelLaboratorio
deModelos Reducidosde la Sección deIngenieríaHidráulica e
HidrológicadelDepartamentodeIngenieríaHidráulica,Marítimay
AmbientaldelaUniversitatPolitècnicadeCatalunya,construida
paraelestudiodeladistribucióndecaudalesenuncrucedecalles
[23].Lainstalaciónconsisteen2canalesde1,5mdeanchoque
se cruzan perpendicularmente. La pendiente de los canales es
variableexceptoenlazonadelcruce,dondelasoleraeshorizontal.
Los2canalesdisponendealimentacióndeaguaindependiente,
yexistenvertederosparaaforodelcaudaltantoenlas2entradas
comoenlas2salidas.Lageometríaenplantadelainstalaciónse
puedeobservarenlafigura7a.
Paraelestudiodeloscamposdecaladosyvelocidadesserealizó
unacampa ˜nademedidas.Elcampodevelocidadessemidiócon
laayudadeuncorrentímetroelectromagnéticobidimensional.El
mismoaparatosirviópara la determinacióndeniveles deagua
utilizándoloamodo delimnímetro.Setomaron medidasenun
totalde 720puntos,conunespaciadode0,15maloanchode
lascalles,también0,15mdeespaciadolongitudinalen la zona
delcrucey1,5maguasarribayaguasabajodelmismo,y0,30m
2 m 2 m 1,5 m 1,5 m 5 m a b c 5 m x y
Figura7.a)Geometríaenplantadelainstalacióndelcrucedecalles.b)Malla empleadaparalacampa ˜naexperimental.c)Mallaparalassimulaciones.
Figura8.Comparaciónnumérico-experimentalsegúnelejex.
deespaciadolongitudinalenelresto(fig.7b).Paralasimulación
numéricaseutilizóunamalla3vecesmásdensa,perodemanera
quecadapuntodemedidacoincidieraconunvolumenfinitopara
facilitarlacomparación,obteniéndoseuntotalde6.480elementos
(fig.7c).
En la figura 8 se presenta la comparación
numérico-experimental de calados y velocidades en forma de perfiles
longitudinalesporlíneasparalelasalejexdelainstalación.
4. Aplicaciones
4.1. Cálculodevelocidadesenuntramoderíoconazudyescala depeces
Elusodemallasnoestructuradasformadasporelementosde3
y4ladospermiteelmalladodegeometríascomplejasdemanera
muyeficiente.Estoresultamuyadecuadoenproblemasenlosque
existenpatronesdeflujoconescalasespacialesmuydiferentes,ya
quepermiteoptimizarelnúmerodeelementosdelamallaysu
tama ˜no.Enlafigura9semuestrandistintosdetallesdelamalla
utilizadapara elcálculo hidrodinámico deuna tramoderíode
aproximadamente1kmdelongitudenelqueexisteunazudcon
unaescaladepecesdehendiduravertical.Lamallaestácompuesta
Figura9.Malladevolúmenesfinitosnoestructurada.Vistageneraldelazudyla escala(izquierda)ydetalledeunadelaspiscinasdelaescala(derecha).
Figura10.Líneasdecorrienteenlaescaladepeces.SL1indicalalínea correspon-dientealosperfilesdelafigura11.
piscinasdelaescaladepeces,hastalos100m2enelcaucedelrío.
Deestamaneraesposiblecalcularelfuncionamientohidráulico
delaescalaacopladoaldelazud,paradiferentescombinaciones
decaudaldelríoyniveldelaláminaaguasabajodelazud.Esto
permiteevaluaralmismotiempoelporcentajedecaudaldelrío
quesedesvíaporlaescala,elcampodevelocidadesycaladosen
laspiscinasy elefecto llamada,todosellosfactores delos que
dependeelcorrectofuncionamientodeunaescaladepeces.
Lavelocidaddelaguaa lolargodela líneadecorrienteSL1
(figura10)queatraviesalaescaladepeces,paracaudalesdelríode
30y60m3/s,combinadoscondistintosnivelesdelaláminaaguas
abajodelazud,semuestraenlafigura11.Puedeobservarse
clara-mentequelavelocidaddelaguaesprácticamenteindependiente
delcaudal,locualesuncomportamientocaracterísticodelas
esca-lasdepecesdehendiduravertical[22],peroestáinfluenciadade
formaimportanteporelniveldelasuperficielibreaguasabajodel
azud,queenestecasovienedeterminadaporelniveldemarea,por
hallarseelazudmuypróximoaladesembocaduradelrío.
4.2. Cálculodezonasinundablesenuntramoderíoconun puenteanegado
Laresistencia al flujo que generan estructuras transversales
al cauce de un río comovertederos, compuertas o tableros de
0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 0,5 0,0 1,0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40
Distancia lo largo de la línea de corriente (m)
V
elocidad del agua (m/s)
3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 0,5 0,0 1,0 V
elocidad del agua (m/s)
Distancia a lo largo de la línea de corriente (m)
Figura11.VelocidaddelaguaalolargodelalíneadecorrienteSL1queatraviesala escaladepecesparacaudalesdelríode30m3/s(arriba)yde60m3/s(abajo).Niveles aguasabajocorrespondientesabajamar(puntos),mareamedia(líneas)ypleamar (continua). 422,2 425 420 Elevation 427 425,89 424,78 423,67 422,56 421,44 420,33 419,22 418,11 417
Figura12.Seccióntransversalconvista3Ddeltaluddelpuente(izquierda),yMDT utilizadoenelmodelonuméricodondepuedeobservarseeltrazadodelasmotasde protecciónfrenteainundaciones(derecha).
puentesesdegranimportanciaenelcálculodezonasinundables.
Enesteejemplosecalculaelcampodecaladosyvelocidadesen
condicionesdeavenidaenuntramodelríoSarria(Lugo)enelcual
existeunpuente.Eneltramoconsideradoexistenademásmotas
deencauzamientoquesedebenconsiderarenelmodelonumérico.
Paramodelizarlos efectosdelpuenteseintroducenlos
talu-des transversales yestribos como una sobreelevacióndel MDT
utilizadoenelmodelo(fig.12).Eltableroseintroducemediante
unacondicióninternatipocombinacióncompuerta-vertedero,de
formaqueencasodequelaláminadeaguatoquelaparteinferior
deltablero,elcaudalquepasabajoeltablerosecalculamediante
unaecuacióndedescargatipocompuerta,ysielaguasuperala
cotasuperiordeltablero,el caudalquepasasobreel tablerose
calculamedianteunaecuacióndedescargatipovertedero(tabla2).
Respectoa lasmotaslongitudinalesdeencauzamiento,enel
casode quepuedanser rebasadasporelaguadebido a quesu
cotadecoronaciónnoeslosuficientementeelevada,esnecesario
introducirlascomopartedelMDT(fig.12).Enestecasoes
nece-sarioque loselementosdela mallaentornoa lamotasean lo
suficientementefinoscomoparadefinirendetallelacoronación
delamota;encasocontrario,elerrorenlosresultadospuedeser
importante.Encasodequelasmotasnovayanasersuperadas
porelaguapuedenmodelizarsecomocontornostipopared,en
cuyocasolamalladecálculoúnicamenteseextiendeenlazona
comprendidaentremotas(fig.13).
Elcálculo de zonasinundables se realiza para uncaudal de
421,78 424,81 421,81 425,04 Water Elevation 426 425 424 423 422 421 420 419 418 417
Figura13.Extensióndelainundaciónyalturadelaláminadeaguacalculada considerandomotasrebasablesdefinidasmedianteunasobreelevacióndelMDT (izquierda)ymotasnorebasablesdefinidascomocontornostipopared(derecha).
coeficientedeManningsefijaa0,03enelcauceprincipaly0,05
enlasllanurasdeinundación.Enlafigura13semuestrala
exten-sióndelazonainundadacalculadacon2modelosenlosquesehan
introducidorespectivamentelasmotascomocondicionesde
con-tornotipopared(motasnorebasables)ycomosobreelevacióndel
MDT(motasrebasables).Paraelcaudaldecálculoconsideradola
hipótesisdemotanorebasableescorrectaenlamargenizquierda
peronoenlamargenderecha,dondelaalturadelamotaesinferior
alnivelalcanzadoporelagua.Enlafigura13puedeobservarse
claramenteel efectosobre elflujogenerado porelpuente, que
producesobreelevacionesdelaláminadeaguadelordende3m.
4.3. Canaldeeslalondentrodelcaucedeunrío
Dentro de un proyecto de recuperación del río Segre, en
Catalu ˜na,traslasafeccionesaesteríodebidasalproyectodelapresa
deRialb,sellevóacaboelestudiohidráulicodelríoenelentornodel
canaldeeslalondePonts(Noguera),queseencuentraaunos3km
aguasabajodelapresa[24].Paraladelimitacióndelcanaldeeslalon
sedisponeunaestructuralongitudinaldeescolleraenelcentrodel
río,conelobjetivodedividirelcauceen2zonas:elcanaldeeslalon
porladerechayelretornoporlaizquierda.Enellado
correspon-dientealcanaldeeslalonsedisponenotrasestructurasdeescollera
paraconseguirelflujoadecuadoparalaprácticadelpiragüismo.La
complejidaddelageometríasuponíaunretoparalacreaciónde
lamallaasícomoparaelcálculohidrodinámico.Ladiscretización
delcampodeeslalonserealizómedianteunamallairregular,con
unaszonasdemallaestructuradaencuadriláterosyotrasdemalla
noestructuradadeelementostriangulares.Elnúmerototalde
ele-mentosdelamallaesde19.062.Enlafigura14sepuedeverun
detalle.
ElcoeficientederugosidaddeManningutilizadoenelcálculo
bidimensionales n=0,028.Estecoeficienteesinferioralque se
utilizaríaenuncálculounidimensionaldebidoaquelaresistencia
ocasionadaporlageometríadelosbloquesdeescolleraestá
implí-citamenteconsiderada al introducir en detalle la geometría de
dichosbloques.Lacondicióndecontornoaguasarribaeselcaudal
deestudio,yaguasabajosedeterminólacotadelaláminadeagua
aimponerconuncálculoenrégimenpermanentedeltramoaguas
abajo.
Dosdelosobjetivosdelestudioeranasegurarqueparael
cau-daldeestudio(33m3/s,quecorrespondealadotacióndelCanal
d’Urgellmáselcaudalecológico)dosterceraspartespasenporel
canaldeeslalon(derechadeldiquecentral)yelrestoporelcanalde
Figura14.Detalledelamalladecálculodelcanaldepiragüismo.
1.199 1.883 2.349 |Profundidad2| 3 2.6689 2.3378 2.0067 1.6756 1.3444 1.0133 0,68222 0,35111 0,02 |Profundidad2| 3,5 3.1133 2.7267 2,34 1.9533 1.5667 1,18 0,79333 0,40667 0,02 2.385 2.184 1.195 3.317 3.434 1.219 2.632 2.288 1.279 y x z y x z
Figura15.Caladosenelcanaldeeslalonconlasgeometríasdeescolleraspropuesta.
retorno(izquierda),ytambiénconoceraproximadamenteelflujo
(caladosyvelocidades)enelcanaldeeslalonyelcanalderetorno
paracomprobarquesonadecuadosparalaprácticadelpiragüismo.
Losresultadosindicanquelasestructurastransversalesdeescollera
provocanunciertoescalonadodelaláminadeagua.Elloesasíya
queloslímitesentrelostramosestánformadospor
estrechamien-tosqueproducenlaaceleracióndelflujohaciaaguasabajoyuna
sobreelevacióndelaláminahaciaaguasarriba,comosepuede
apre-ciarenlafigura15.Unescalonadosimilarseproduceenelcanalde
retorno,debidoalasestructurastransversales.
4.4. Estudiodelefectodeunainfraestructuraenlosniveles deinundación
Una de las aplicaciones habituales de los modelos
hidrodi-námicos bidimensionales es el estudio de la influencia de las
infraestructurasenlosnivelesdeaguayextensióndela
inunda-ciónenzonasllanas.Lafigura16muestraeltipoderesultadosque
sepuedeobtenerconIberenunestudiodeestetipo,
Calat_cicsa_ T500 [m] 0,01 - 0,5 20,00 17,89 15,78 13,67 11,56 9,44 7,33 5,22 3,11 8.0979 7.1254 5.7397 3.8395 6.9678 6.8103 9.5057 6.8001 9.5235 11.845 13.952 14.142 16.712 13.814
Máxima cóta el aigua 1,00 Water elevation 0,5 - 1,0 1,0 - 1,5 1,5 - 2,0 2,0 - 2,5 2,5 - 3,0 3,0 - 3,5 3,5 - 4,0 4,5 - 5,0 5,5 - 6,0 >7,0 6,5 - 7,0 4,0 - 4,5 5,0 - 5,5 6,0 - 6,5
Figura16.Estudiodelosefectoshidráulicosdeunanuevacarreterasobreelrío Fluvià.
AlaizquierdasemuestrancaladosenformatoGISyaladerecha
lacotadelaláminadeagua.Enestecasoelestudioserealizóen
régimenvariable,utilizandounhidrogramaconuncaudalpunta
de3.390m3/syunamallaRTIN.
UnadelascaracterísticasdeIbereslaexportaciónderesultados
endistintosformatos,entreelloselformatoASCIIdeArcInfo,que
<-1,1 –1,1 - –0,9 –0,9 - –0,7 –0,7 - –0,5 –0,5 - –0,3 –0,3 - –0,1 –0,1 - 0,1 0,1 - 0,3 0,3 - 0,5 0,5 - 0,7 0,7 - 0,9 0,9 - 1,1 >1,1
Figura17. Comparacióndeescenarios.Laleyendaindicadiferenciasenlacotade laláminadeagua.
permiteobtenerytratarlosresultadosenunentornoGISy
com-pararelfuncionamientohidráulicodedistintosescenarios.Deesta
manera,enlafigura17seobservanlasdiferenciasenlacotade
laláminadeagua(sobreelevaciones)obtenidascon2geometrías
distintasperoutilizandolamismamalladebase.
5. Conclusiones
Elusodelmétododevolúmenesfinitosparaelcálculodelflujo
deagua,sedimentosyturbulenciasehamostradoadecuadopara
eldesarrollodeunaherramientadeaplicaciónenlaresoluciónde
problemasingenieriles.Iberresuelvelasecuacionesdela
hidrodi-námica,laturbulenciayeltransportedesedimentosconesquemas
explícitosdescentrados,loquelohaceparticularmenteeficazpara
elcálculodeflujosdiscontinuos(resaltoshidráulicos,frentesde
onda),perosinquitarlecapacidadniprecisiónenzonascon
solu-cionesmássuavescomoeselflujoenunestuario.
LosesquemasnuméricosutilizadosenIbersehanintegradoen
unapotenteinterfazdepreprocesoyposprocesocomoesGiD,
cons-tituyendoelconjuntounaherramientaefectivaparadarrespuesta
alosrequerimientosactuales,encuantoamodelizaciónnumérica
deprocesosfluviales,delalegislaciónespa ˜nola.
Agradecimientos
AlosautoreslesgustaríaagradeceralLaboratoriode
Hidráu-licadelCentrodeEstudiosHidrográficosdelCEDEX,enespeciala
sudirectorLuisBalairónyalosinvestigadoresÁngelLara,David
López yJuan JoséRebollo,porsuconfianzaen elproyectoysu
colaboración.
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