COMPARACIÓN DE MODELOS COMPUTACIONALES PARA LA DETERMINACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN RÍOS

8/17/2019 COMPARACIÓN DE MODELOS COMPUTACIONALES PARA LA DETERMINACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN …

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1er CONGRESO IBEROAMERICANO SOBRE SEDIMENTOS Y ECOLOGÍA

QUERÉTARO, QUERÉTARO MÉXICO, 21-24 JULIO 2015

COMPARACIÓN DE MODELOS COMPUTACIONALES PARA LA DETERMINACIÓN DEL

TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN RÍOS

Cardoso Landa Guillermo

Instituto Tecnológico de Chilpancingo. Av. Guerrero 81, Col. Ruffo Figueroa, Chilpancingo, Gro., México, C. P.39020

[email protected]

INTRODUCCIÓN

El uso de los modelos computacionales para determinar eltransporte de sedimentos en ríos es reciente, en comparacióncon el empleo de los modelos físicos. Para elegir entre losmodelos computacionales y los modelos fiscos es necesariotomar en consideración varios aspectos: la naturaleza del

problema que necesita resolverse, los recursos disponibles, asícomo el costo total asociado a la solución del problema

planteado. En algunos casos específicos, la combinación demodelos físicos con modelos computacionales, puedenresultar mejor para la comprensión adecuada del proceso bajoinvestigación en el transporte de sedimentos de ríos (deVries,1973).

Al utilizar modelos computacionales para la determinación

hidrodinámica en ríos, como el transporte de sedimentos, seinvolucra la solución numérica de una o varias de lasecuaciones diferenciales de gobierno de continuidad, demomentum y de energía del flujo, además de la ecuacióndiferencial de continuidad del transporte del sedimento. Unaventaja de los modelos computacionales es que pueden seradaptados a distintos dominios físicos mas fácilmente que losmodelos físicos, los cuales son desarrollados para representarcondiciones especificas de algún sitio. Otra ventaja de losmodelos computacionales es que estos no están sujetos a losefectos de distorsión que tienen los modelos físicos cuandouna solución puede obtenerse para las mismas condiciones delflujo (por ejemplo, idénticos números de Reynolds y deFroude, la misma escala de longitudes en las tres direcciones,etc.)

Debido al rápido desarrollo de los métodos numéricos en lamecánica de fluidos, la modelación computacional se havuelto una herramienta atractiva para estudiar el transporte deflujo/sedimentos, así como los procesos contaminantesasociados en los ríos, lagos y zonas costeras del mundo.

METODOLOGÍA

En los últimos treinta años, se han desarrollado un grannúmero de modelos computacionales hidrodinámicos para la

determinación del transporte de sedimentos (Fan, 1988; Rodi,

2006). Pueden encontrarse revisiones exhaustivas de distintosmodelos hidrodinámicos de este tipo en Nicollet (1988), Nakato (1989), Onishi (1994), Przedwojski et al. (1995),Spasojevic and Holly (2000) así como en el Manual 110 deIngeniería de Sedimentación de la American Society of Civil

Engineers (2007).

Se llevó a cabo una revisión lo más amplia posible de losmodelos computacionales para transporte de sedimentosdesarrollados en las 3 últimas décadas, presentando losmodelos analizados a continuación atendiendo a su desarrolloen 1, 2 o 3 dimensiones.

Modelos unidimensionales

Los modelos 1D han sido empleados desde la mitad de ladécada de los 1980 con algunos resultados adecuados en lainvestigación y en la práctica de la ingeniería. La mayoría delos modelos 1D están fundamentados en un sistemacoordenado rectilíneo y la solución de las ecuacionesdiferenciales de conservación de masa y momentum de flujo(las ecuaciones de flujo de Saint Venant) junto a la ecuaciónde continuidad de masa de sedimentos (la ecuación de Exner),utilizando esquemas de diferencias finitas.

Algunos modelos representativos de los modelos 1D,seleccionados y analizados para fines del presente proyecto yque se han desarrollado a través del esquema descrito, son lossiguientes: HEC-6 desarrollado por Thomas and Prashum(1977), MOBED desarrollado por Krishnappan (1981),IALLUVIAL por Karim and Kennedy (1982), CHARIMA porHolly et al. (1990), SEDICOUP por Holly and Rahuel (1990),EFDC1D, por Hamrick (2001), 3ST1D por Papanicolaou et al.(2004). Algunos otros modelos ID que utilizan variantes en lasolución del esquema numérico comentado son: FLUVIAL 11desarrollado por Chang (1984), GSTARS por Molinas andYang (1986) y OTIS por Runkel and Broshears (1991).

Modelos bidimensionales

Los modelos 2D han sido desarrollados y empleados desde elinicio de la década de los 1990. La mayoría de los modelos 2D

mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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están disponibles para la comunidad de ingenieros hidráulicoscon una interface basada en software que permite de manerasencilla la introducción de los datos y la interpretación graficade los resultados. Esta nueva característica de los modelos 2Dha hecho que estos modelos sean de uso amigable y muy

populares.

La mayoría de los modelos 2D resuelven las ecuaciones decontinuidad de profundidad media y la de Navier-Stokes juntocon la ecuación de balance de masa de sedimentos, a través demétodos de diferencias finitas, elemento finito o volumenfinito.

Algunos de los modelos 2D representativos y que fueronanalizados en el presente trabajo son los siguientes:SERATRA desarrollado por Onishi and Wise (1982),SUTRENCH-2D por van Rijn and Tan (1985), TABS-2 porThomas and McAnally (1985), MOBED2 por Spasojevic andHolly (1990), ADCIRC-2D por Luettich et al. (1992), MIKE2

por the Danish Hydraulic Institute (1993), UNIBEST-TC2 porBosboom et al. (1997), USTARS un modelo modificado deGSTARS, también basado en el concepto de tubo de corriente,

por Lee et al. (1997), FAST2D por Minh Duc et al. (1998),FLUVIAL 12 por Chang (1998), DELFT-2D por Walstra etal. (1998) y el modelo CCHE2D del NCCHE por Jia andWang (1999).

Modelos tridimensionales

En algunas aplicaciones de la ingeniería hidráulica, esnecesario recurrir a los modelos computacionales 3D, cuandolos modelos 2D no son suficientes para describir ciertos

procesos hidrodinámicos del transporte de sedimentos, porejemplo, el flujo en la vecindad de pilas en ríos y costas, asícomo el transporte de sedimentos cerca de algunas estructurashidráulicas.

La mayoría de los modelos computacionales 3D de transporte

de sedimentos resuelven las ecuaciones de continuidad y de Navier Stokes junto con la ecuación de balance de masa desedimentos, aplicando los métodos de diferencias finitas,elemento finito o volumen finito. Para resolver las ecuacionesgobernantes se ha utilizado en estos modelos 3D laaproximación de Reyolds media de Navier Stokes (RANS).

Los modelos 3D investigados en este trabajo fueron lossiguientes: ECOMSED desarrollado por Blumberg and Mellor(1987), RMA-10 por King (1988), GBTOXe por Bierman etal. (1992), EFDC3D por Hamrick (1992), ROMS por Songand Haidvogel (1994), CH3D-SED por Spasojevic and Holly(1994), SSIIM por Olsen (1994), MIKE 3 por Jacobsen andRasmussen (1997), FAST3D por Landsberg et al. (1998),Delft 3D por Delft Hydraulics (1999), TELEMAC por

Hervouet and Bates (2000) y el modelo ZENG3D desarrollado por Zeng et al. (2005).

Análisis de las características generales de losmodelos computacionales seleccionados

Se analizaron las características principales de los 10 modeloscomputacionales en 1D, de los 13 modelos computacionales2D y de los 12 modelos computacionales en 3D para eltransporte de sedimentos descritos en los párrafos precedentes.A continuación, se seleccionaron 9 de ellos, para finalmente

presentar la descripción de los modelos de transporte desedimentos seleccionados, que se han desarrollado a nivelmundial y que se consideraron representativos para eltransporte de sedimentos en los ríos a nivel internacional.

1. CHARIMA. El autor es Holly et al., (1990) y la entidaddesarrolladora es académica o privada. Sus aspectos generalesson los siguientes: preparado para modelar la bifurcación ydesviación de agua y sedimentos, acceso al código fuente ysoporte técnico del autor (Dr. Holly) y previa utilización endiferentes ríos aluviales. Sus características más destacadasson: Modelo Numérico 1-D, desarrollado por Holly et al. en1990, se utiliza para flujo permanente y variable en sistemassimples o redes fluviales, en transporte sólido y paratransporte de contaminantes.

2. FLUVIAL-12. El modelo matemático FLUVIAL-12, es unmodelo erosionable-límite que simula cambiosinterrelacionados en el perfil de canal de fondo, ancho decanal y la topografía del fondo. El modelo requiere unhidrograma de entrada (s), composición del fondo del canal,materiales y datos transversales de canales similares a los quese utilizan en HEC-2. El programa FLUVIAL-12, es unmodelo matemático que se ha formulado y desarrollado parael flujo de agua y los sedimentos de cauces de canalesnaturales y artificiales. Los efectos combinados de lahidráulica fluvial, transporte de sedimentos y los cambios decanal son simulados para un flujo en un período determinado.Sus aspectos generales son los siguientes: este modelo esaplicable tanto a ríos efímeros, como a ríos con flujo a largo

plazo, ha sido probado y calibrado con datos de campo devarios ríos, en regiones semi-áridas y húmedas. Debido alcomportamiento transitorio en los cambios dinámicos, los ríosefímeros requieren técnicas más complicadas en laformulación del modelo; este modelo puede ser utilizado encualquier computadora, que tenga la capacidad adecuada.Alguna de sus características predominantes son: es un

modelo numérico 1D/C-2D; se utiliza para flujo no permanente y utiliza el método estándar de pasos.

3. HEC-6. El propósito de este modelo es la determinación deltransporte de sedimentos unidimensional, determinar el perfilde la superficie libre del agua y perfiles de sedimentos en elfondo, mediante el cálculo de la interacción entre el materialde sedimentos en el lecho de la corriente y la mezcla que fluyeagua-sedimento. La carga total de sedimentos, se calcula paracada sección transversal, para arcillas, limos y arenas. Elcambio en la elevación del fondo y elevación de la superficiedel agua, también se calculan para cada sección transversal.Con el modelo puede simularse la erosión a lo largo del caucey analizar la sedimentación. HEC-6 (HEC, 1991), es unmodelo de flujo unidimensional para canal abierto y diseñado

para simular los cambios en los perfiles de los ríos, debido a laerosión y la deposición durante largos periodos de tiempo(normalmente años, aunque las aplicaciones a lasinundaciones no son posibles). El registro de flujo continuo sedivide en una secuencia de flujos constantes de descarga yduración variables. Para cada flujo de un perfil de la superficiedel agua, se calcula proporcionando energía, pendiente,velocidad, profundidad, etc., en cada sección transversal. Los

posibles tipos de transporte de sedimentos, se calculan en cadasección. Estos tipos, junto con la duración del flujo, permitenuna medición volumétrica de sedimento, para cada tramo. La


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cantidad de socavación o deposición en cada sección, secalcula y la forma de la sección transversal, debe ajustarse.Las características del modelo son: capacidad para analizar lasredes de ríos, el dragado automático de canales, diques y otrostratamientos de la invasión y varias opciones para el cálculode las tasas de transporte de sedimentos. Este modelo aplicaun equilibrio dinámico, entre el sedimento en movimiento en

una corriente natural, el tamaño y la degradación de materialde sedimento en los límites de la corriente y el sistemahidráulico de flujo. HEC-6 puede ser usado para predecir elimpacto de hacer uno o más cambios en el sistema hidráulicode los ríos, las tasas de transporte de sedimentos y lageometría de canal. HEC-6 puede ser usado para evaluar lasedimentación en los embalses (tanto el volumen como laubicación de los depósitos de sedimentación), para el diseñode contracciones de canal necesarios para mantener la

profundidad de navegación o disminuir el volumen de erosiónde mantenimiento, predecir la influencia que la erosión tieneen la tasa de sedimentación, estimación posible del máximode la erosión durante grandes inundaciones, y evaluar lasedimentación en los canales fijos. Algunas aplicacionesrecientes de HEC-6 fueron descritos por Thomas y Prasuhn

(1977) y la aplicación más reciente del HEC 6 fue en1992.4. TABS-2. Es un modelo numérico para determinar lasedimentación y el transporte de sedimento en el flujo decanales abiertos. Está integrado por más de 40 programas decomputadora para realizar sus tareas. Los principalescomponentes del modelo, RMA-2V, STUDH y RMA-4, seutilizan para el cálculo en dos dimensiones de la profundidad

promedio de los flujos, la sedimentación, y el transporte desedimentos, respectivamente. Los otros programas del sistemase utilizan para realizar la digitalización, la malla, gestión dedatos, visualización gráfica, análisis de rendimiento, tareas ymodelos de interconexiones. TABS-2 se ha aplicado a unagran variedad de escurrimientos superficiales de agua,incluidos los ríos, estuarios, bahías y esteros. Está diseñado

para ser utilizado por ingenieros y científicos que pueden notener una formación en informática rigurosa.

5. RVR-MEANDER. El autor es Johannesson & Parker, en1985 y la entidad desarrolladora RVR Meander Beta, es dedominio público y es de libre distribución. Los autores yorganizaciones anteriores, no asumen ninguna responsabilidadu obligación, por el uso o aplicación de este programa, niestarán obligadas a proporcionar apoyo técnico. La plataformaRVR Meander combina las funcionalidades de la primeraversión del RVR Meander (Abad y García, 2006) y los

propuestos por Langendoen y Simon, 2008.

Está escrito en lenguaje C++ y está compuesto por diferentes bibliotecas de pre-procesamiento, la hidrodinámica, la erosión

del fondo, la migración, el filtrado y el trazado. Funcionacomo aplicación independiente en los sistemas operativosWindows y Linux y necesita 4 archivos de entrada de texto,especificando los parámetros generales para la simulación, elcanal central, la sección principal y las propiedades inicialesdel fondo (geometría y erosionabilidad). RVR Meandertambién tiene una interfaz de ArcGIS-ArcMap, escrito enlenguaje C++.

Ilustración 1. Página de inicio del RVR-MEANDER

Su barra de herramientas se puede agregar a ArcMap, y proporciona las mismas capacidades que la versiónindependiente. RVR Meander fue desarrollado por D. Motta,Abad JD, Langendoen EJ y García MH. La interfaz gráfica deusuario fue desarrollado por R. Fernández, Oberg NO, y D.Motta.

Ilustración 2. Aplicación del RVR-MEANDER

6. USGS. Los autores son Nelson & Smith, en 1989 y laentidad desarrolladora es federal del dominio público siendosus características predominantes: aplicación para flujo no

permanente y solución mediante diferencias finitas. Unejemplo de aplicación del USGS es el Estudio de Transportede Sedimentos en Puerto Rico.

7. GSTARS. Es una serie de modelos informáticosdesarrollados por la Oficina de aguas de Estados Unidos deAmérica para los ríos aluviales y estudios de sedimentación.La primera versión de GSTARS, fue lanzada en 1986 conFortran IV para las primeras computadoras. GSTARS 2.0 fuelanzado en 1998, para la aplicación de una computadora

personal con la mayor parte del código en los GSTARSoriginales, revisado, mejorado y ampliado con Fortran IV/77.GSTARS 2.1 es una versión mejorada y revisada con interfazgráfica de usuario. Las características únicas de todos los


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modelos GSTARS son el uso conjunto del concepto de tubode corriente y de la teoría de la corriente mínima dealimentación. La aplicación de la teoría de la potencia mínima,

permite la determinación de la geometría óptima del canalcon anchura de canal variable y forma en sección transversal.El uso del concepto de tubo de corriente, permite lasimulación de la hidráulica fluvial utilizando una solución a

través de soluciones numéricas. Sus aspectos generales son lossiguientes: es un modelo numérico de transporte desedimentos, desarrollado para simular los flujos de los ríos ycanales con o sin límites móviles, se utiliza para ríos aluvialesy estudios de sedimentación, es capaz de calcular perfiles deagua en un solo canal, en redes simples de canales, y redescomplejas de canales y cuenta con modelos tanto de flujos

permanentes como no permanentes. sus característicasfundamentales son: modelo numérico 1D/C-2D, utiliza elmétodo estándar de pasos, diferencias finitas y utiliza losconceptos de tubo de corriente y de la teoría de la corriente dealimentación mínima.

8. NCCHE. El sistema de modelado CCHE es un sistema deanálisis de última generación para el flujo turbulento en un río,

determinación del transporte de sedimentos y la evaluación dela calidad del agua en dos dimensiones inestables. Losmodelos están dirigidos a aplicaciones en las áreasrelacionadas con la predicción de los cauces y la erosión de lasorillas, tanto para el sedimento uniforme como el sedimentono uniforme, la migración de meandros y la calidad del agua.El modelo se puede utilizar para evaluar los efectos de lasestructuras hidráulicas, como las estructuras de control decalidad, diques, etc., tanto en la morfología del río como en lacalidad del agua para los hábitats fluviales. Además, elmodelo puede ayudar a los ingenieros, al menos, en el diseño

preliminar de nuevas estructuras hidráulicas. El NCCHE hadesarrollado modelos en 1D, 2D y 3D, llamados CCHE1D,CCHE2D y CCHE3D, con amplias posibilidades en el análisisdel transporte de sedimentos en ríos.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Comparación de los modelos de transporte desedimentos seleccionados

Los procesos de transporte de sedimentos, erosión y depósitoen un canal aluvial son extremadamente complejos. Losdesarrollos teóricos de las funciones de transporte desedimentos para diferentes flujos y condiciones de sedimentosse han basado en desarrollos de diferentes grados decomplejidad. Algunos de los desarrollos simplificados están

basados en condiciones idealizadas de laboratorio, que puedenser no verdaderas para los sistemas naturales de ríos, que son

mucho más complicados. Muchas de las soluciones teóricasmás sofisticadas requieren un gran número de parámetros, queson difíciles o prácticamente imposibles de obtener de lamayoría de los ríos. Las soluciones empíricas basadas enobservaciones y datos del sitio en particular pueden ser útiles

para ese sitio donde fueron recolectados los datos. Laaplicación de esos resultados a otros sitios debe ser muycuidadosa. El acelerado avance de las tecnologíascomputacionales, le permite a los ingenieros analizar osimular procesos fluviales con diferentes grados decomplejidad.

Se realizó la comparación de 9 modelos de transporte desedimentos, desarrollados en las últimas décadas a nivelmundial, atendiendo a las características presentadas en latabla siguiente:

Tabla 1 Modelos de transporte de sedimentos comparados

Modelo Autores Características

CHARIMA Holly et al., 1990 Académico o privado

FLUVIAL-12

Chang, 1990 Académico o privado

HEC-6U. S. Army Corps ofEngineers, 1993

Modelo federal deldominio público

TAS-2McAnally &Thomas, 1985

Federal del dominio público

MEANDERJohannesson &Parker, 1985

Académico o privado

USGS

Nelson & Smith,

1989

Federal del dominio

público

D-O-TDarby & Thorne,1996

Académico o privado

GSTARS 2.0 Yang et al., 1998Federal del domino

público

NCCHE Zhang et al., 2002Federal del dominio

público

En la siguiente tabla, se presentan las características de lasecuaciones diferenciales empleadas, así como la discretizaciónutilizada en su solución.

Tabla 2 Discretización y formulación

Modelo CHAR

IMA Fluvial

-12 HEC-6

TABS-

2

FlujoNoPermanente

SÍ SÍ NO SÍ

Hidrograma S S S S

1D/C-2D S /NO S /S S /NO NO/NO

2D/FlujoProf Media

NO NO NO SÍ/SÍ

3D NO NO NO NO

PlantillaDef/Banco

SÍ/NO SÍ/SÍ SÍ/NO SÍ/NO

CargaSedimentoGranular

SÍ SÍ SÍ SÍ

MallaNoUnif SÍ SÍ SÍ SÍ


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Modelo CHAR

IMA Fluvial

-12 HEC-6

TABS-

2

TiempoPasoVariable

SÍ NO SÍ NO

Tabla 2 Discretización y formulación

Meander USGS D-O-T GSTARS-

2.0 NCCHE

NO S NO NO S

S S S S S

NO/NO NO S /S S /S S /S

S /S S /S NO NO/S S /S

NO NO NO NO S

S /NO S /NO S /S S / S S /S

S NO S S S

S S S S S

NO NO NO S S

Enseguida se enlistan los diferentes esquemas de soluciónnumérica, empleada por cada modelo para la solución de lasecuaciones constitutivas del flujo de agua y del transporte desedimentos en ríos, formadas por sistemas de ecuacionesdiferenciales de gobierno.

Tabla 3 Esquema de solución numérica

Modelo CHARI

MA Fluvial

-12 HEC-6 TABS-2

Métodoestándar de

pasos NO SÍ SÍ NO

Diferenciasfinitas

SÍ NO SÍ NO

Elementofinito

NO NO NO SÍ

Tabla 3 Esquema de solución numérica


2.0 NCCHE

NO NO SÍ SÍ NO

SÍ SÍ SÍ SÍ SÍ

NO NO NO NO SÍ

A continuación, se presentan de manera resumida tabular, lascapacidades para efectuar la modelación del transporte desedimentos en ríos por cada uno de los modelos analizados.

Tabla 4 Capacidades de modelación

Modelo CHAR

IMA Fluvial-

12 HEC-6

TABS-

2

Hidrograma desedimentacióny flujo a/arriba

SÍ SÍ SÍ SÍ

Estado a/abajo SÍ SÍ SÍ SÍ

Sedimentaciónen la zonainundable

NO NO NO SI

TSsuspendido/TStotal

SÍ/NO SÍ/NO NO/SÍ SÍ/NO

TS de fondo SÍ SÍ SÍ NO

SedCohesivos NO NO SÍ SÍ

Acorazamiento de Plantilla

SÍ SÍ SÍ NO

CargaHidaulicaMaterialSustr ato

SÍ SÍ SÍ NO

ErosionFluvialBancos

NO SÍ NO NO

FallaBancosGr ava

NO NO NO NO

AlcanceRecto/

AlcanceIrreNP

SÍ/NO SÍ/NO SÍ/NO SÍ/SÍ

RedDrenTrib/Bifurcaciones

SÍ/SÍ SÍ/NO SÍ/NO SÍ/SÍ

PlantillaCauce NO SÍ NO SÍ

Meandreo NO NO NO NO

Ríos SÍ SÍ SÍ SÍ

Puentes NO NO NO SÍ

Presas NO SÍ SÍ NO

Tabla 4 Capacidades de modelación


2.0 NCCHE

SÍ SÍ SÍ SÍ SÍ

SÍ NO SÍ SÍ SÍ


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2.0 NCCHE

SÍ NO NO NO SÍ

NO/NO NO/SÍ NO/SÍ NO/SÍ SÍ/SÍ

SÍ NO NO SÍ SÍ

NO S NO S S

NO NO S S S

NO NO SÍ SÍ SÍ

NO NO SÍ SÍ SÍ

NO NO S NO S

NO/NO NO/NO S /S S /S S /S

NO/NO NO/NO NO/NO NO/NO SÍ/SÍ

SÍ NO SÍ SÍ SÍ

NO SÍ NO NO SÍ

S S S S S

NO NO NO NO S

NO NO NO SÍ SÍ

Finalmente, se enlistan los elementos de apoyo al usuario queestablece cada uno de los 9 modelos de transporte desedimentos a nivel mundial, que se analizaron a detalle en este

proyecto de investigación.

Tabla 5 Apoyo para el usuario

Modelo CHARI

MA Fluvial-

12 HEC-6 TABS-2

Documenta.del modelo

SÍ SÍ SÍ SÍ

Manual delusuario

NO SÍ SÍ SÍ

Apoyo enlínea

NO NO SÍ NO


2.0

NCCHE

S S S S S

NO S NO S S

NO NO NO NO SÍ

Selección del modelo de transporte desedimentos

Es necesario reconocer que los modelos computacionales detransporte de sedimentos presentan un cierto grado desimplificación, para que puedan ser computacionalmentefactibles en su desarrollo. Mientras que los modelos muysimplificados, corren el riesgo de no representar

adecuadamente el fenómeno analizado, los modelos altamentesofisticados, presentan el riesgo de la complicación en laformulación del problema, así como en la necesidad de unaalta cantidad de datos de entrada y un costo muy elevado en la

preparación, calibración y verificación del modelo. Estarelación entre complejidad y costo de los modeloscomputacionales para transporte de sedimentos fue analizada

por Overton y Meadows (1976) y Simons y Simons (1996),con los resultados presentados en la figura siguiente.

Ilustración 3. Relación entre complejidad del modelo y el costo y

riesgo del modelo (Overton y Meadows 1976)

Adicionalmente, en la figura mostrada enseguida se presentanuna guía para la selección de los procesos de simulación dediferentes escalas espaciales y temporales (Church 2006).Como se muestra en la figura, existe una correspondenciadirecta entre la escala de tiempo y la escala de longitud. Loscambios a escala morfológica en la escala de la cuenca del rio(escala de longitud mayor a 104 m) ocurre típicamente en unlapso de 1 año o mayor. Como consecuencia, un modelo 1D o2D puede ser suficiente para modelar ese tipo de cambios. Los

procesos a escala dinámica, sin embargo, ocurren a una escala

de longitud más pequeña, tales como la escala de un canalnatural y de una partícula de sedimento. Una referencia deescala de tiempos para este tipo de procesos es de algunossegundos hasta 1 hora. La figura siguiente implica que, para lasimulación del flujo alrededor de un obstáculo o a este tipo deescalas, es importante el efecto de la turbulencia. Comoresultado, los modelos 3D deben ser usados para la simulaciónde los flujos en escalas pequeñas, donde se requiere el mapeodetallado de la microestructura turbulenta. Por .lo tanto, el usode los modelos 3D para simular los procesos a escalas de


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cuencas, pueden presentar resultados no realistas, además deque en la actualidad generan un alto costo.

Ilustración 4. Relación entre las escalas de longitud y tiempo en

procesos de simulación (Church 2006)

Conclusiones

Las discrepancias entre los resultados del transporte desedimentos en ríos obtenidos con los modeloscomputacionales y las mediciones de campo se pueden atribuira diferentes causas. Algunas de ellas son: la simplificación del

problema, seleccionando un modelo inadecuado (1D sobre 2Do 2D sobre 3D), el uso de los datos de entrada del modeloinapropiados, la deficiencia de datos adecuados para lacalibración del modelo, la falta de familiaridad con laslimitaciones de las ecuaciones hidrodinámicas del transportede sedimentos utilizadas para el desarrollo del modelo asícomo los errores computacionales en los códigos fuente,debidos a las aproximaciones en los esquemas numéricosutilizados en la solución de las ecuaciones gobernantes.

A pesar de estas variaciones entre los resultados obtenidos alaplicar modelos computacionales y mediciones de campo, seconsidera de gran utilidad la aplicación de los primeros,debido a su rapidez y extensión de resultados, por lo que eneste trabajo se analizaron 35 modelos computacionales en 1D,2D y 3D en primera instancia, para finalmente identificar 9modelos previamente seleccionados y presentar lascaracterísticas de funcionamiento y operación que los

identifican y los hacen distintos unos de los otros, con lafinalidad de que puedan ser de utilidad en el momento de laselección de algún modelo computacional para ladeterminación del transporte de sedimentos en ríos.

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COMPARACIÓN DE MODELOS COMPUTACIONALES PARA LA DETERMINACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN RÍOS

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