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El objetivo del estudio fue determinar el funcionamiento hidrulico del ro Amuco, de la presa derivadora Chamacua al cruce con la carretera Mxico 134, en una longitud de aproximadamente 8.00 kilmetros, para los gastos siguientes, obtenidos en el estudio de hidrologa (Anexo 1):

No. Tr ( aos ) Gastos (m3/s)

1 25 1200.52 2 50 1459.04 3 100 1717.56 4 1000 2576.33

Tabla III.1.1. Gastos para diferentes periodos de retorno en el ro Amuco.

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Para conocer dicho funcionamiento se estructur un modelo matemtico a partir de la informacin topogrfica obtenida, tanto en campo como en la cartografa disponible en el INEGI. Para la simulacin de las condiciones de operacin del cauce, se utiliz el programa HEC-geoRAS 3.1.1. (River Analisis System) creado por el Centro de Ingeniera Hidrolgica, del cuerpo de ingenieros de la armada de los Estados Unidos de Amrica. El modelo numrico incluido en el programa permite realizar anlisis de flujo permanente y no permanente unidimensional variado en lmina libre.

Entre sus principales caractersticas tcnicas se tiene: Realiza el clculo hidrulico de estructuras (puentes, aliviaderos, alcantarillas,

etc). Permite la visualizacin grfica de datos y resultados. Permite la edicin grfica de secciones transversales.

Para la interpretacin y presentacin de los resultados obtenidos en HEC-RAS se aplic una extensin del programa ARC VIEW denominada HEC-geoRAS 3.1.

III.1. APLICACIN DE HEC-GEORAS 3.0 QUE ES UNA EXTENSIN DE ARCVIEW PARA AGILIZAR PROCESO DE HEC-RAS.

Para realizar la representacin de la lmina de agua se requiere de las siguientes capas en Arcview.

A) La primer capa que se requiere es un modelo digital del terreno (MDT) en forma de TIN (Trianguled irregular Network), que es una estructura de datos vectorial formada por una red de tringulos irregulares interconectados. En cada vrtice est la informacin de posicin y cota x,y,z. Con el TIN se representa una estructura en 3D del terreno, muy semejante a la realidad

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B) La siguiente capa necesaria es el eje del ro (STREAM CENTERLINE), o en su caso los ejes del ro en caso de tener afluentes, esta lnea indica el centro del flujo.

C) Despus se crean las lneas que definen las mrgenes (MAIN CHANNEL BANKS), es decir las lneas que definen el cauce principal del ro, en ambas mrgenes.

D) Una ms de las capas sern las lneas que permiten medir la distancia recorrida por el flujo en las mrgenes (FLOW PATH CENTERLINES), Estas lneas definen el centro de masa del flujo que escurrir por cada margen.

E) La siguiente capa de Arview es la definicin de secciones transversales en planta (CROSS-SECTIONAL CUT LINES), con stas se extraen los datos de la geometra del ro.

F) La ltima de las capas son los valores de n de Manning (LANDUSE), puede o no crearse esta capa ya que se pueden introducir manualmente a Hec-Ras los datos, pero conviene para hacer ms rpido el proceso.

El proceso para la generacin del modelo, revisin de funcionamiento hidrulico del cauce es el siguiente:

III.1.1. Software necesario:

- Arc View Gis 3.1 o superior. - Extensiones de Arc View:

3d Analyst 1.0. Spatial analyst 1.1 o superior. (opcional, aumenta la velocidad de post-

proceso). - Windows 95, 98 o NT.

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- HEC-geoRAS 3.1.1; Puede utilizarse la versin 2.2 pero presenta algunas limitaciones:

A) No puede leer los coeficientes de rugosidad (n de Mannig) del fichero de importacin creado por Arc View. Hay que meterlos manualmente en Hec-Ras.

B) Las velocidades para cada seccin no se pueden volcar a Arc View.

C) Solo permite un mximo de 500 puntos para definir cada seccin transversal.

III.1.2. Datos necesarios:

- Un MDT(modelo digital del terreno) en forma de TIN (Trianguled irregular Network).

Con la extensin 3d analyst se puede realizar un TIN a partir de un fichero dbf (dbase) de puntos o a partir de un fichero de Cad de lneas de nivel en cualquier formato. De este TIN se extraern los datos geomtricos de las secciones transversales.

El fichero de Cad (si es el caso) que contiene las lneas de nivel, debe llevar asociado a cada lnea de nivel un registro en la base de datos que indique su cota. Antes de empezar a trabajar es importante revisar las lneas de nivel.

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III.1.3. Instalacin Hec-GeoRas:

La instalacin es muy sencilla, consiste en copiar el fichero HecGeoRAS31.avx en el directorio: esri\av_gis30\arcview\ext32

Figura III.1.1. Copiado de extensin HecGeoRAS31.avx.

III.1.4. Cargar la extensin:

Como cualquier otra extensin se activa en Arcview en el men File-extensions y ah hay que buscar la que se denomina Hec-GeoRas 3.1. Al activarla aparecern una serie de mens nuevos en la vista.

No es necesario cargar las extensiones 3d Analyst y Spatial Analyst, ya que stas se cargan automticamente si estn disponibles.

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Figura III.1.2. Ventana que muestra la manera de activar las extensiones en Arview.

III.1.5. Esquema de trabajo de Hec-GeoRas:

III.1.5.1. Trabajo previo en Arcview:

Elaboracin por parte del usuario, aplicando Hec-GeoRas 3.1, de una serie de ficheros que formarn parte del fichero de importacin que ser procesado por Hec-Ras. Son ficheros que contienen la informacin geomtrica de las secciones transversales.

III.1.5.2. Trabajo en HecRas:

Hec-Ras procesa el fichero de importacin de Arcview. El usuario tiene que Completar informacin de geometra (n de manning, puentes, diques, obstrucciones o zonas de flujo inefectivo,...), introducir otras secciones transversales, computar datos de flujo, ejecutar el programa y ver resultados.

El siguiente paso es crear con los datos procesados por HEC-geoRAS el fichero de exportacin para que posteriormente pueda ser ledo por Arcview.

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III.1.5.3. Trabajo final en Arcview:

Arcview procesa el fichero de exportacin de HEC-geoRAS y genera los resultados finales; superficie de inundacin, grid de profundidad, TIN de velocidad.

III.1.6. Mens de Hec-GeoRas:

Al cargar la extensin aparecen 3 mens nuevos y una serie de botones. Los tres mens que aparecen son PreRas, PostRas y GeoRas-util.

El men PreRas son una serie de rdenes que estn colocadas en el orden recomendado y requerido de ejecucin. Con este men se prepara el fichero de importacin de Arcview para Hec-Ras.

El men PostRas son una serie de ordenes que estn colocadas en el orden recomendado y requerido de ejecucin. Con este men se trata la informacin procedente del fichero de exportacin de Hec-Ras.

El men GeoRas-util se utiliza para editar temas ya creados por Arcview.

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PreRAS PostRAS GeoRas-Util

Figura III.1.3.- Mens que aparecen despus de cargar la extensin de HEC-geoRAS.

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III.1.7. Proceso para modelar el funcionamiento hidrulico del ro Amuco.

III.1.7.1. Trabajo previo en arcview

III.1.7.1.1. Creacin de los temas requeridos (Ras Themes) para el fichero de importacin (Ras Gis import file):

Para crear este fichero trabajaremos en Arcview. Lo primero es crear un nuevo proyecto en Arcview (*.apr) en el que iremos almacenado todos los datos que se vayan creando; File-new proyect.

Figura III.1.4.- Creacin de un nuevo archivo.

a) Cargar el TIN:

View-AddTheme y buscar el TIN en disco. (hay que seleccionar el tipo de dato que estamos buscando).

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Figura III.1.5 Cargado de TIN

Figura III.1.6 Presentacin del TIN

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Figura III.1.7. TIN. Detalle de una zona.

Si no se dispone de un TIN, hay que construirlo; es necesario una cartografa digital en donde aparezcan las lneas de nivel o nubes de puntos. En los dos casos es necesario que la base de datos asociada posea un campo que defina la cota de esa lnea de nivel o de ese punto. Se debe realizar un proceso de limpieza de geometra, es decir, eliminar lneas o puntos no deseados, as como revisar en la base de datos el campo que indica la cota (ver si hay registros vacos, cotas inapropiadas,...). El siguiente paso es Surface-create Tin from features y aparece una caja de dialogo en la cul se indica, en la parte izquierda, el fichero de lneas de nivel o puntos y en Height source, se debe indicar el campo que contiene las cotas.

Figura III.1.8. Ventana en la cual se indica si el fichero es de curvas de nivel o de puntos.

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El paso que se muestra a continuacin no es imprescindible, pero si facilita el trabajo a la hora de tener que definir los RAS themes (Stream centerline, Banks theme, flow path centerlines, cross-sectional cutlines y landuse);

Crear contornos; es decir crea lneas de nivel a partir del tin. El tema Tin tiene que estar seleccionado y entonces ir al men Surface-Create contours, indicar distancia entre lneas de nivel y el nombre de fichero vectorial de salida. A continuacin se construyen los Ras-themes:

b) Crear el eje(S) del cauce(S) (STREAM CENTERLINE)

PreRas-Create stream Centerline introducir nombre o dejar el que sale por defecto. Con esto se va a crea un fichero vectorial en el que vamos a digitalizar el eje(s) del ro (EJ: Ro Amuco)

Figura III.1.9. Ventana para crear el eje del cauce..

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Reglas: - Las uniones entre tramos tienen que ser perfectas, es decir no dejar ningn hueco

entre ellas. - Se digitaliza de aguas arriba a aguas abajo.

A continuacin se muestran las herramientas necesarias para digitalizar y dar nombre a los tramos creados:

Draw line

Dibuja segmentos con sucesivos click del botn izquierdo del ratn que no son ms que puntos de una polilnea, para cerrar la polilnea habr que dar doble click del botn izquierdo. Segn se va digitalizando si damos al botn derecho aparecen unas opciones muy tiles para la digitalizacin: de zoom + y -,pan (desplazamiento del mapa), borrar ultimo punto de la lnea.

Snap

Esta herramienta marca la tolerancia de unin de dos rectas (tramos de ro), ya que como se dijo todos los tramos tienen que estar unidos. Para que aparezca esta herramienta se debe tener activada la de draw line y pulsando el botn derecho del ratn marcar enable interactive snapping. Con la herramienta vamos a definir un crculo de un radio determinado en un vrtice de una recta para que cuando vayamos a enlazarlo con otra recta con solo aproximar el fin de recta sea suficiente para que haga una unin perfecta. Cuando se pretenda realizarla unin botn derecho del ratn, snap to endpoint y doble click del botn izquierdo.

River Id

Cuando se han digitalizado todos los tramos hay que nombrarlos indicando el nombre del ro y el curso. Pulsando este botn, primero se define el tema a editar, se va marcando tramo a tramo y en cada tramo se introduce el nombre del ro y el curso.

Draw line...

Esta herramienta se utiliza para aadir afluentes al ro principal (opcional). Abrir la edicin de Stream centerline y trazar con esta herramienta un segmento que corte a stream centerline donde enlazar el afluente. Con esto se consigue dividir stream centerline en dos segmentos (tramos), definidos por el afluente. Ahora hay que eliminar dos pequeos fragmentos lineales que no se necesitan. Posteriormente unir el afluente con el snap

Cuando se ha terminado de digitalizar hay que cerrar la edicin de ese tema Theme- Stop editing. El resultado ser como el que se muestra en la imagen:

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Figura III.1.10.- Digitalizacin de Stream Centerline

c) Crear las lneas que definen las mrgenes (MAIN CHANNEL BANKS)

Representa el cauce principal del ro.

Ir al men PreRas-Create Banks, como se ve en la imagen, ahora con la herramienta draw line hay que digitalizar bank lines para cada tramo:

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Figura III.1.11. Cargar el archivo para elaborar las main channel banks.

Detalle de banks Theme. Digitalizacin de banks theme a lo largo de todo el ro

Figura III.1.12. Digitalizacin de main channel banks.

Cuando se termina de editar el tema cerramos la edicin igual que con el tema stream centerline Theme- Stop editing.

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d) Lneas que permiten medir la distancia recorrida por el flujo en las mrgenes (FLOW PATH CENTERLINES):

Estas lneas definen el centro de masa del flujo que fluir por cada margen. El corte de estas lneas con las secciones transversales definen los puntos entre los que se medir automticamente, siguiendo esa lnea, la distancia entre secciones por las mrgenes.

Se tienen que digitalizar una lnea por cada lado del ro, y tambin debe incluirse el eje del cauce principal (stream centerline), pero como este eje ya est hecho, es recomendable aceptar la opcin que da el programa de copiarlo automticamente. PreRas-Create flowpath.

Figura III.1.13. Cargado de la funcion Create flowpath

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Figura III.1.14. En marrn aparece flowpath, junto con contours y banks en azul. Como se puede apreciar en flowpaths tambin requiere el stream centerline.

Flow path centerlines deben ser digitalizadas en la direccin del flujo, posteriormente debern ser cortadas por secciones transversales, las cuales, no se deben cortar entre ellas.

A continuacin hay que definir para cada segmento su situacin: izquierdo (left), derecho (Right)o cauce (channel) de flow path centerlines:

Label Flowpaths

Define la posicin de flow path centerlines, al pulsarlo lo primero que te pide es el tema correspondiente (cual es el tema). A continuacin vas sealando segmentos de lneas con el cursor y en la caja de dialogo se pone lo que corresponda.

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Figura III.1.15. Definicin de la situacin flow path centerlines

e) Definir secciones transversales en planta (CROSS-SECTIONAL CUT LINES):

Con las secciones definidas en este paso se extraern los datos de la geometra de las secciones transversales a partir del tin. Las normas a seguir para digitalizar son: no se pueden cortar dos secciones, las secciones cortan perpendicular al flujo, se digitaliza de orilla izquierda a derecha y deben cortar las lneas de flow path centerline.

PreRas-CreateXS Cut lines, ahora se empieza a digitalizar. Cuando se termina, como siempre se cierra la edicin.

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Figura III.1.16. Ventana de inicio para editar Cut lines

Detalle de Cut lines Digitalizacin de Cut lines a lo largo del ro

Figura III.1.17. Digitalizacin de Cut lines

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El mdulo 3D de arcview da la opcin de hacer perfiles longitudinales a partir de segmentos:

Activar el TIN, a continuacin dibujaremos un segmento sobre el TIN (tiene que estar activado para que aparezca la herramienta necesaria) el cual ser el que determine nuestro perfil longitudinal. Para dibujar este segmento pulsar el botn:

Una vez dibujado el segmento abrimos un Layout y pulsamos el botn:

Abrimos una ventana dando dos puntos de datos, nos aparece una caja de dialogo donde modificamos a nuestro criterio o se deja los valores por defecto.

f) Crear un tema con valores de n de Manning (LANDUSE):

Este tema se crea con el objetivo de no tener que introducir manualmente los valores de n, el problema es que Hec-Ras 2.2 no es capaz de implementar esta informacin lo que obliga a meter a mano los datos de la n de Manning.

Previamente se requiere un tema de polgonos de usos del suelo (landuse.shp). Arcview le aade un campo donde se introducir la n de Manning. Activar el tema de usos del suelo, GeoRas_Util-Create LU-Manning table, aparece una caja de dialogo como la siguiente en donde se le indica el campo que identifica los distintos usos del suelo.

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Figura III.1.18. Ventana donde se indica el tipo de suelo

Se ha creado una base de datos en donde se introducen los valores de la n de Manning.

Es obligatorio introducir un tema de polgonos en donde aparezca un campo en la base de datos (N-value; el cual indica la n de Manning).

Los pasos para crear un tema de polgonos con la n de Manning:

-View-New theme, a continuacin indicas tema de polgonos y se le asigna un nombre. -Con la herramienta de dibujar polgonos, dibujamos los polgonos. Cada uno representa zonas constantes en el valor de la n de Manning. -En la base de datos aadimos un campo que se llame literalmente N-value; Edit-Add field. -Introducimos el valor de la n en cada registro del nuevo campo creado (cada cual corresponde a un polgono)

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III.1.7.1.2. Procesado de la informacin recogida en los temas creados Se va a aadir informacin automticamente a los Ras themes y adems se crearn otros similares pero en 3 dimensiones. Es necesario seguir el orden de ejecucin que se indica a continuacin A, B y C; y no es necesario ejecutar las ordenes que son submens de A, B y C. Antes de todo esto es conveniente rellenar en PreRas-Theme setup , Terrain TIN e Input Data.

a) PreRas-Centerline Completion, crea un fichero 3d a partir de stream, es decir con una coordenada de cota (stream3d.shp). A parte aade una serie de campos a stream.

Figura III.1.19. Ventana de PreRas-Centerline Completion

b) PreRas-XS Attributing, Aade una serie de campos a xscutlines.

Figura III.1.20. Ventana de PreRas-XS Attributing,

c)PreRas-XS Elevations, crea un fichero 3d a partir de xscutlines.shp, es decir con una coordenada de cota (xscutilines3d.shp).

Figura III.1.21. Ventana de PreRas-XS Elevations

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III.1.7.1.3. Creacin del fichero de importacin para Hec-Ras

a) PreRas- Theme setup, para poner el nombre del fichero de importacin e indicar cada Ras theme

Figura III.1.22. Ventana para colocar nombre del fichero de importacin.

b) PreRas- Generate Ras Gis import file, aqu se prepara el fichero que a continuacin ser ledo por HEC-geoRAS. Este fichero de texto sin extensin est en la carpeta en la cual est el resto de los temas

III.1.7.2. Trabajo con HEC-geoRAS HEC-geoRAS solo busca extensiones *.geo, y nuestro fichero de importacin no tiene extensin, se cambia el nombre del fichero poniendo la extensin geo).

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Se necesita crear un nuevo proyecto en HEC-geoRAS, posteriormente en file Import Geometry Data-Gis Format del modulo Edit-enter geometric data, se busca el fichero de importacin creado por arcview .

Posteriormente ya se puede ver la geometra del cauce. Habra que completar los datos que se crean necesarios; puentes, diques, reas de flujo inefectivo, geometra adicional, interpolacin entre secciones, introduccin de la n de Mannig (necesario para Hec-ras 2.2).

A continuacin se crear el fichero de exportacin; File- Export GIS Data en la pantalla principal de arcview. Aparece un cuadro de dialogo el cual se rellena a criterio de cada uno; por ejemplo puedes elegir que perfiles exportas, etc.

III.1.7.3. Trabajo final con Arcview:

a) PostRas-Theme Setup, se rellenan los datos requeridos de la ventana siguiente. En output directory introducir un nombre sencillo sin ruta de disco. El ltimo apartado Rasterization cell size se refiere al tamao de pixel que tendrn los datos resultantes (tamao pequeo,0,5m, 1m, 2m, etc. indica ms precisin pero hasta varias horas de anlisis). Al pulsar el botn aceptar lo primero que hace es crear en ms-dos el directorio donde se depositarn los datos resultantes del anlisis.

Figura III.1.23. Ventana de PostRas-Theme Setup.

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b) PostRas-Read RAS GIS Export File, crea y lee de disco una serie de temas y los coloca en la vista. Entre ellos el tin, unos ficheros vectoriales cuyo nombre empieza por BP (Bounding Polygons), son la superficie de ocupacin de las secciones transversales (habr tantos de estos BP como perfiles haya, y lgicamente sern idnticos ya que como se ha dicho son funcin de las secciones transversales).Tambin y solo si se ha trabajado con Hec-geoRas 3.1, un fichero de puntos de velocidad del flujo.

c) PostRas-Ws TIN Generation ,el tin va a ser recortado por bounding polygon. En la ventana de dialogo que aparece seleccionar todos los perfiles.

Figura III.1.24. Ventana de seleccin de perfil para generar el TIN

d) PostRas-Floodplain Delineation, En este proceso se crearn las zonas de inundacin para cada perfil, es decir para cada caudal que se haya establecido en Hec-Ras.

Figura III.1.25. Zonas de inundacin para diferentes periodos de retorno Tr=25, 100 y 1000 aos.

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En las figura anterior aparecen de izquierda a derecha superficies de inundacin para los caudales los Q1, Q2 , Q3 . En donde Q1< Q2 ,< Q3

En la siguiente figura aparece la superposicin de las tres superficies de inundacin.

Figura III.1.26. Superposicin de zonas de inundacin para diferentes periodos de retorno Tr=25, 100 y 1000 aos.

A parte se genera un tema de puntos que indica la profundidad para cada caudal en esa posicin geogrfica (calcula la diferencia de altura entre el terreno y la lamina de agua ficticia que viene determinado por el caudal que se asigno en HEC-geoRAS). A partir de este tema de puntos, se genera un grid de profundidad por un caudal; es decir un grid en el que la coordenada z indica la profundidad en ese punto x, y.

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Figura III.1.27. Profundidad del agua para el periodo de retorno de 25 aos.

e) PostRas-Velocity TIN Generation y Velocity Grid Generation, crea un grid de velocidad de flujo. Solo se puede obtener si los datos se han procesado con HEC-geoRAS 3.1.

Finalmente y con la ayuda de la extensin de 3D ANALYST, realizamos una vista en tres dimensiones de la zona inundada, resultando en la siguiente imagen.

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Figura. III.1.28. Zona de inundacin para periodo de retorno de 1000 aos en condiciones naturales (ARC-VIEW 3D ANALYST)