Ibarra Guzm n Diego 202210611

Simulación Hidráulica del Río Usumacinta

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INDICE

1 INTRODUCCIÓN…………………………………………………….... 4

1.1 ANTECEDENTES…………………………………………………… 4

1.2 OBJETIVO………………………………………………………….. 6

2 DESCRIPCIÓN DE LA CUENCA…………………………………… . 7

2.1 CARACTESTICAS DE LA CUENCA DEL USUMACINTA ………………. 7

2.2 UBICACIÓN DE LA CUENCA DEL RÍO USUMACINTA ………………… 8

2.2.1 Aspectos Generales …………………………………………. 8

2.2.2 La Cuenca de los Ríos Grijalva y Usumacinta ………………. 9

2.2.3 Localización ………………………………………………… 11

2.3 EL CICLO DEL AGUA ……………………………………………… 13

2.4 EL AGUA AZUL: SISTEMAS DE TRANSPORTE ENERGÉTIC O………. 14

3 ESTADO ACTUAL DEL CONOCIMIENTO……………… ………. 16

3.1 INTRODUCCIÓN…………………………………………………... 16

3.2 MODELOS UNIDIMENSIONALES …………………………………... 16

3.2.1 Modelos 1D en régimen permanente ………………………. 16

3.2.2 Modelos 1D en régimen variable …………………………… 16

3.3 MODELOS CUASI-BIDIMENSIONALES …………………………….. 19

3.4 MODELOS BIDIMENSIONALES ……………………………………. 19

3.5 ELECCIÓN DEL MODELO A UTILIZAR ……………………………... 19

3.6 FLUJO GRADUALMENTE VARIADO ……………………………….. 20

3.6.1 Fundamento teórico ………………………………………... 20

3.6.2 Ecuación dinámica del flujo gradualmente variado ……….. 21

3.6.3 Tipos de perfil de flujo ……………………………………… 23

3.6.4 Método directo por pasos ………………………………….. 23

3.6.5 Procedimiento de cálculo ………………………………….. 25

3.6.6 Formulas empíricas para calcular la velocidad …………..... 25

4 PARÁMETROS DE MODELACIÓN PARA HEC-RAS……… ….. 29


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4.1 CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DE LA CANALIZACIÓN ………… 29

4.2 MEDICION Y DATOS………………………………………………. 34

4.3 PROCEDIMIENTO DE LA SIMULACIÓN …………………………….. 35

5 PROGRAMA DE COMPUTO HEC-RAS……………………… ….. 37

5.1 ANTECEDENTES………………………………………………….. 37

5.2 OBJETIVOS………………………………………………………. 37

5.3 CONTENIDO DE ESTE DOCUMENTO………………………………. 38

5.4 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Y SUS APLICACIONES ……………. 39

5.5 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ………………………………... 39

5.6 LIMITACIONES DEL PROGRAMA HEC-RAS EN FLUJO PER MANENTE 41

6 ESTABILIDAD HIDRAULICA DEL MODELO………… …………. 42

6.1 CALIBRACIÓN ……………………………………………………. 42

6.2 PARÁMETROS DE MODELACIÓN …………………………………. 42

6.3 TOPOGRAFÍA NECESARIA ………………………………………... 43

6.4 TIPO DE FLUJO…………………………………………………… 43

6.5 IDENTIFICACIÓN DE ZONAS DE RIESGO………………………….. 44

6.6 TIPO DE MODELO………………………………………………… 46

6.7 TIPO DE RÉGIMEN………………………………………………... 47

6.8 TIPO DE FLUJO…………………………………………………… 48

6.9 OTROS ASPECTOS……………………………………………….. 49

6.10 ESTABILIDAD DEL MODELO ……………………………………… 49

6.11 LIMITACIONES DE HEC-RAS ……………………………………… 52

7 METODOLOGÍA A SEGUIR PARA REALIZAR UNA SIMUL ACIÓN

UTILIZANDO HEC-GEORAS PARA ARCVIEW……………………… . 53

7.1 INTRODUCCIÓN…………………………………………………... 53

7.1.1 Objetivos generales ………………………………………… 53

7.1.2 Objetivos particulares ……………………………………… 53

7.1.3 Software …………………………………………………….. 53

7.1.4 Resumen de los pasos a realizar …………………………... 54


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7.2 CREACIÓN DE UN ARCHIVO ARCVIEW ……………………………. 55

7.3 OBTENCIÓN DE UN MDT EN FORMATO TIN……………………….. 59

7.4 CREACIÓN DE ARCHIVO PARA IMPORTAR A HEC-RAS …………… 66

7.5 SIMULACIÓN DE AVENIDA EXTREMA CON HEC-RAS ……………… 75

7.5.1 Importar Geometría Desde ArcView ……………………….. 75

7.6 EXPORTAR RESULTADOS DE HEC-RAS A ARCVIEW ……………… 85

7.7 TRATAMIENTO DE RESULTADOS CON ARCVIEW …………………. 87

7.8 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ………………………………... 92

8 ELABORACIÓN DE MAPAS DE RIESGO……………………….. 9 4

8.1 INTRODUCCIÓN…………………………………………………... 94

8.2 METODOLOGÍA ADOPTADA ………………………………………. 94

9 CONCLUSIONES……………………………………………………. 98

9.1 CONCLUSIONES GENERALES …………………………………….. 98

9.2 CONCLUSIONES ESPECÍFICAS…………………………………… 98

10 RESUMEN DE RESULTADOS…………………………………….. 99

10.1 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ……………………………… 100

REFERENCIAS…………………………………………………………… 101

BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………... 102

ANEXO 1 (Figuras)…………………………………………………… … 103


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1 INTRODUCCIÓN

1.1 ANTECEDENTES

El Río Usumacinta es uno de los ríos mas caudalosos de México y esta dentro de las tres más importantes cuencas internacionales de la región de Meso América, la cuenca del río Lempa (El Salvador, Honduras y Guatemala), la cuenca del río San Juan (Nicaragua y Costa Rica) y la cuenca del río Usumacinta (México y Guatemala) figura 1. Este mismo tiene un complejo recorrido por las inmediaciones de Villahermosa junto con un sistema de ríos que viene del complejo hidroeléctrico Grijalva, esto causa inundaciones frecuentes en la planicie de Tabasco. Por otra parte, en la actualidad, en las inmediaciones de la ciudad, la capacidad de los cauces ha disminuido severamente por diversas causas, y se encuentran asentamientos humanos en zonas de riesgo, incrementando la vulnerabilidad. Destacan en la historia de eventos de inundación anteriores al del año 2007, los de 1975, 1990 y 1999. Precisamente, a raíz de la inundación de 1999, se elaboro el Programa Integral de Control de Inundación (PICI), integrado por un conjunto de obras de infraestructuras de protección, cuya ejecución se encontraba en proceso de construcción a la fecha de la inundación reciente en octubre y noviembre de 2007. La falta de infraestructura hidráulica de control de ríos de la sierra y Usumacinta, la carencia de un mejor sistema de pronostico y de alertamiento temprano para emitir pronósticos precisos sobre la situación esperada las condiciones hidrometeorológicas imperantes en el Golfo de México y zonas montañosas de Chiapas, a tiempo real; la falta de un plan integral de manejo de crecientes, que se manifiesta en particular en la alteración a las condiciones naturales de la cuenca, debido principalmente a la apertura de áreas forestales a la agricultura y pastizales sin incorporar medidas de control de suelos y escurrimientos (practicas conservacionistas), que en general han reducido los tiempos de transformación de la lluvia en escurrimiento. Lo anterior motivó el interés por crear un modelo simplificado del sistema real que permitiera simular el comportamiento actual del Río Usumacinta, en su tramo de transito por las llanuras de inundación y los pantanos que están en su mayoría por el Estado de Tabasco, y con ello poder predecir su comportamiento bajo situaciones extremas, es decir, ante una avenida máxima.

Para simular o reproducir el comportamiento hidrodinámico del encauzamiento del Río Usumacinta es necesario llevar a cabo el proceso de modelización. La modelización es la representación simplificada, en este caso de forma numérica, de un sistema real. Para lograrlo, es necesario por un lado; conocer la geometría de la canalización, y las variables hidrodinámicas del sistema, y por otro, elegir un código numérico que permita solucionar las ecuaciones matemáticas de flujo y comparar sus resultados con los observados en el campo. Los datos requeridos por el sistema son medidos en campo o bien, recopilados de la literatura y la selección del código numérico obedece a la disponibilidad de los mismos y a sus características particulares.


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Figura 1. Cuenca del Río Usumacinta

Chiapas2,175,718 Ha.

GUATEMALA4,241,271 Ha.

Tabasco724,547 Ha.

Campeche177,987 Ha.

TOTAL PARA MÉXICO3,078,251 Ha.


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1.2 OBJETIVO

Objetivo general

Modelizar numéricamente y simular el comportamiento hidráulico unidimensional del Río Usumacinta en el tramo encauzado después de la Estación Hidrométrica Boca del Cerro, con la avenida máxima registrada en el año 2008.

Creación de una guía para facilitar la simulación de avenidas extremas mediante HEC-RAS, ArcView y HEC-GeoRAS.

Objetivos particulares

Obtención de todos los parámetros hidráulicos que se requieran para llevar a cabo la modelación del flujo.

Asegurar la capacidad de HEC-RAS para la simulación de avenidas extremas y con régimen variable. Se pretende por tanto realizar una revisión de las capacidades del programa y aplicarlo a un caso práctico para comprobar su funcionamiento. Elaborar mapas de riesgo con el objeto de que sean realmente útiles para la elaboración de planes de emergencia por grandes crecidas de caudal de ríos, e este a su vez sea utilizado por las autoridades competentes.


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2 DESCRIPCIÓN DE LA CUENCA 2.1 CARACTESTICAS DE LA CUENCA DEL USUMACINTA La cuenca del río Usumacinta, se encuentra contenida en el corazón del territorio conocido como “la Selva Maya”, zona donde floreciera una de las civilizaciones más avanzadas de la historia de la humanidad, cuyos conocimientos astronómicos, matemáticos, agrícolas; les permitieron la construcción de una de las culturas más ricas de América y el mundo entero, cuyos vestigios nos hablan de su avanzado conocimiento de la ciencia y el entorno. La cuenca del río Usumacinta como centro de biodiversidad, constituye el hábitat de muchas especies de flora y fauna y uno de los bancos de germoplasma más importantes de América, la presencia de especies únicas y la cantidad de las mismas, merecen especial atención, porque forma parte del patrimonio de la humanidad. La presencia de innumerables cuerpos de agua la constituyen en uno de los humedales más importantes de la región en la parte baja de la cuenca, como el humedal de la Laguna del Tigre al noroeste del Peten en Guatemala y los humedales de Centla en México. La utilización de los recursos del subsuelo como los yacimientos de petróleo, se remonta a hace más de 20 años con la explotación de yacimientos en Tabasco y Campeche y en esos mismos años en el departamento del Petén, estas actividades han causado severos impactos tanto en sus procesos de exploración como de explotación, adicionalmente a los impactos directos de la actividad petrolera, que ha causado daños irreversibles en algunas zonas, dichas actividades traen consigo flujos de migración interna que han incrementado considerablemente los asentamientos humanos en áreas, que incluso bajo la declaratoria legal de parques nacionales, han sido objeto de concesiones de exploración y explotación a empresas petroleras como el caso reciente del contrato 1-92 en el parque nacional de la Laguna del Tigre al norte del Petén. Adicionalmente se debe de considerar que los beneficios económicos derivados de la explotación petrolera actual, no redundan en mejoras sensibles para los pobladores del área y la zona Maya en general. La cuenca del Usumacinta es una de las zonas con los mayores índices de crecimiento poblacional de América Latina, ya que además del crecimiento natural de la población, se dan en esta región, por los problemas derivados de la falta de tierras que prevalecen en Guatemala, los más altos índices de migración del área, siendo además una de las áreas de emigrantes ilegales al norte de América, de actividades de contrabando de madera, narcotráfico etc. En este sentido las políticas de tierras desarrollados por el gobierno de México en décadas anteriores para el sur de este país, aparte de los impactos directos


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sobre la selva mantuvieron un problema latente que desencadenara con el surgimiento del Ejercito Zapatista de Liberación Nacional EZLN, grupo que busca la reivindicación de los pueblos indígenas y las soluciones a los problemas de tierras y mejoras generales en las condiciones de vida de la población de más escasos recursos. Tan particulares características hacen de la región una zona muy importante, tanto desde la perspectiva del interés de diferentes grupos de campesinos desposeídos de tierra, como para industrias grandes de exploración y explotación de hidrocarburos, empresas madereras, hidroeléctricas, la industria del turismo y aún más al constituir la frontera sur de la zona de libre comercio más grande del mundo. Otro factor de suma importancia lo constituye que en el marco de las nuevas iniciativas para el desarrollo de la región, como el Plan Puebla Panamá (PPP) (Documento de trabajo año 2000), la cuenca del río Usumacinta constituye una de las zonas más sensibles entre México y Centroamérica, adicionando a este factor el alto interés de las comunidades que habitan en esa zona fronteriza, para que sus propuestas y perspectivas de desarrollo de la región sean escuchadas por las instituciones y funcionarios a cargo del PPP, consulta que hasta la fecha no ha sido efectiva, propiciando un estado de malestar generalizado entre las comunidades campesinas de la zona y un inicio de rechazo a la iniciativa del PPP al no ser consideradas en forma adecuada las aspiraciones de la población local para el diseño y la priorización de programas y proyectos de desarrollo en esta zona. 2.2 UBICACIÓN DE LA CUENCA DEL RÍO USUMACINTA 2.2.1 Aspectos Generales El Río Usumacinta está ubicado al sur del territorio de México, y al norte del territorio Guatemala, en la zona oeste de la península de Yucatán, es el río mas largo de Meso América y el sexto mas largo de Latinoamérica. Su cuenca la constituyen 106,000 kilómetros de territorio localizados entre los Estados de Chiapas, Tabasco y Campeche en México representando para este país el 42 % del total del territorio de la cuenca y los departamentos de Huehuetenango, Quiché, Cobán y Petén en Guatemala que en su conjunto ocupan el 58 % del territorio de la cuenca en mención. Estos territorios están localizados entre los paralelos 15º 00' y 18º 00' de latitud Norte y los meridianos 89º 30` y 92º 13` de longitud al Oeste de Greenwich. Y sus aguas corren de sur a norte, desembocando en el golfo de México una carga aproximada de 105,200 millones de metros cúbicos de agua anuales y representa el 30 % de agua dulce que posee México. Las alturas promedio varían entre los 100 y los 1,000 metros sobre el nivel del mar m.s.n.m., en las partes conocidas como cuenca baja y media y en la parte conocida como la cuenca alta las alturas van de los 900 a 2,700 m.s.n.m. La


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orografía del área de la cuenca esta bien definida en las siguientes indicaciones, En la región de Petén, y lo correspondiente a la península de Yucatán en México se caracteriza por un relieve ligeramente ondulado, casi plana, con elevaciones que varían entre los 50 y 300 m.s.n.m. las elevaciones mayores que van de los 300 a 600 metros se encuentran en la sierra del Lacandón las Montañas de Tikal y del Norte de Chiapas. (Plan de desarrollo integrado de Petén, 1990). En la parte media, que se caracteriza por su relieve creciente se encuentran al Noreste, las montañas Mayas, con elevaciones del orden de los 600 m.s.n.m; las planicies bajas del interior del Petén y la zona del Marqués de Comillas, de relieve plano con elevaciones de entre 100 y 200 m.s.n.m; la depresión central de Chiapas con elevaciones de 300 a 900 m.s.n.m, relieve plano; la meseta central de Chiapas, que se une a la sierra de los Cuchumatanes y continúa con la sierra de Chamá, zona que se caracteriza por un relieve abrupto en el cual predominan elevaciones de 600 a 2700 m.s.n.m, y la Sierra Madre, también de relieve abrupto característico de la zona volcánica, donde las elevaciones varían de los 900 y mas 2, 700 m.s.n.m en la cual se encuentran los volcanes Tacaná y Tajumulco que tienen alturas de 4,092 y 4220 m.s.n.m, respectivamente. Es en este enclave socio geográfico en que se encuentra el gran Río Usumacinta ubicado en el norteño departamento de Petén, en Guatemala la parte oriental de los Estados de Chiapas y Tabasco en el territorio Mexicano. Sus aguas son producto de la unión de los ríos Lacantún, Pasión y Chixoy en el Vértice conocido como Altar de los Sacrificios, puerto Fluvial Maya y sitio arqueológico, justo ahí empieza a denominarse Usumacinta, que en idioma Náhuatl significa "lugar de muchos monos ". En su curso recibe diferentes afluentes o ríos secundarios, entre los más importantes se pueden mencionar los Ríos Lacantún, cuyas aguas más lejanas nacen en la zona reina de Guatemala en los departamentos de Huehuetenango y Quiché, atravesando el territorio del Marqués de Comillas, y la reserva de la biosfera de los Montes Azules en territorio Chiapaneco; y río San Pedro, que proviene de los municipios de San Andrés y la libertad Petén, en el corazón de la biosfera Maya, su extensión es de 728.85 kilómetros y desemboca en el golfo de México. Si medimos su longitud por segmentos, la parte que cubre la frontera común Guatemala-México, alcanza los 198.5 kilómetros. En este punto el Usumacinta fue conocido por los Mayas como el Gran Yochoa o padre de las Aguas y era utilizado como la ruta comercial para llegar a otras vías como la ruta del Jade y la Obsidiana, productos que fueron los bastiones del intercambio comercial Maya.. De esto son testigos los pocos conocidos puertos fluviales mayas como Piedras Negras, Yaxchilan, Bethel, El Porvenir y la Felicidad y si se remonta el río La Pasión encontramos las estratégicas ciudades comerciales de Ceibal y Cancuen, ésta última recientemente descubierta por los arqueólogos. 2.2.2 La Cuenca de los Ríos Grijalva y Usumacinta


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La región de los ríos Grijalva y Usumacinta, en el sureste de México, es una de las zonas ecológicas con más alta diversidad biológica y cultural del territorio mexicano. Aunque representa solamente el 4.7% de la masa continental del país, sus ecosistemas albergan el 64% de la biodiversidad nacional conocida.

Es, como todo el universo biogeográfico y social mexicano, un mosaico de ecosistemas y culturas. Dotada de las más amplias plataformas continentales carbonatadas de los mares mexicanos, de un rico conjunto de arrecifes coralinos, de grandes extensiones de pastos marinos, del sistema de lagunas costeras más extenso de México, de las mayores planicies costeras del litoral mexicano, de las más amplias extensiones de bosques de manglar que bordean la porción mexicana del Golfo de México, de las mayores reservas de aguas dulces del país, de masas forestales que albergan la más alta diversidad biológica conocida de Mesoamérica, la región del Grijalva-Usumacinta es una de las más ricas entre las situadas en la franja intertropical conocida como el Cinturón genético de la Tierra.

Algunos de sus más relevantes rasgos geomorfológicos y climáticos, macizos centrales, cadenas montañosas y depresiones sujetas a precipitaciones torrenciales, dieron lugar al nacimiento de dinámicos sistemas fluviales cuyas corrientes se precipitan hacia el litoral, desde alturas superiores a los 4,000 msnm, después de largos y sinuosos recorridos, acarreando ricas tierras aluviales y formando las mayores planicies costeras de la vertiente del Golfo de México. Este inmenso trabajo de la naturaleza es fundamentalmente obra de los ríos que integran la compleja cuenca del Grijalva-Usumacinta.

Los servicios de los ecosistemas de la cuenca (la regulación de los ciclos biogeoquímicos, el mantenimiento de los flujos hidrológicos y la recarga de los acuíferos, la conservación de la productividad biológica y la biodiversidad de sus ecosistemas) y sus numerosas funciones ecológicas (la regulación climática, la capacidad de recuperación frente a las perturbaciones ocasionadas por fenómenos meteorológicos extremos, el control de flujos, la oferta de aguas dulces, el control de la erosión, la retención de sedimentos y la formación de suelos, el reciclaje de nutrientes, el tratamiento y control biológico de desechos, la creación de áreas de refugio para la fauna silvestre, el establecimiento de zonas de producción de alimentos, la conservación de bancos genéticos, la generación de espacios habitables para sus poblaciones humanas) constituyen procesos críticos para el mantenimiento del sistema terrestre y para la sostenibilidad presente y futura de la sociedad mexicana.

Desde los bosques de coníferas y las selvas subhúmedas y húmedas de sus cuencas altas y bajas hasta las plataformas carbonatadas del Golfo de México, el movimiento del agua es el factor ambiental crítico que organiza la vida y vincula a los ecosistemas fluviales, costeros y marinos de esta región hidrológica. La forma y los ritmos de la circulación del agua determinan la productividad, la estabilidad y la salud general de este supersistema hidrológico. La regularidad de los factores que mantienen los equilibrios dinámicos de la circulación del agua hacen de la región un complejo mecanismo autosostenido: mantiene un sistema general de circulación de energía, transporta nutrientes y minerales desde las fuentes (bosques de


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coníferas y selvas tropicales) hasta los grandes sistemas de almacenamiento (planicies, pantanos, lagunas costeras y plataforma continental) y transforma estos nutrientes en energía disponible para los organismos en sus distintas áreas de alimentación (manglares, praderas de pastos marinos, plataformas continentales y arrecifes coralinos).

Todos estos mecanismos regulados por el ciclo hidrológico concentran en la cuenca del Grijalva-Usumacinta el 30% de los escurrimientos de los ríos de México (147 km 3 /año) y convierten a este enorme hidrosistema ecológico en el almacén de la más alta biodiversidad conocida de México: es el hábitat del 67% de las especies vivientes en el territorio nacional y ocupa el primer lugar a nivel nacional en número de plantas superiores (20,000 especies), de peces de aguas dulces (150 especies), de anfibios (180 especies) y de aves (240 especies) (Instituto de Geografía- UNAM , Semarnat 1996: cuadro 1).

Cuadro 1. Cuenca Grijalva-Usumacinta: biodiversidad , flora y fauna

Tipo

No. de especies

en méxico

% de especies

endémicas

lugar ocupado a nivel

mundial

no. de especies

en la región

% de especies

endémicas

lugar ocupado a nivel

nacional

Plantas sup.

Peces de agua dulce

Anfibios

Reptiles

Aves

30,000

504

293

707

505

12%

8%

62%

55%

32%

4º

7º

4º

1°

2º.

20,000

150

180

200

240

6.5%

4%

5%

10%

14%

1er. lugar

1er. lugar

1er. lugar

2º. lugar

1er. lugar

Fuente: Instituto de Geografía, UNAM - Semarnat 1996, citado en CNA 2002.

2.2.3 Localización La cuenca del Grijalva-Usumacinta se localiza en el sureste de la República mexicana y administrativamente comprende los estados de Tabasco y Chiapas y pequeñas porciones de Campeche (figura 2).

Su extensión territorial es de 91,345 km 2 y representa el 4.7% del territorio nacional. Su población es de 4, 919,793 habitantes que corresponden al 5% de la población de México, según los últimos datos del XII Censo General de Población y Vivienda del año 2000 ( INEGI 2000). Se concentra especialmente en estuarios, como Tonalá-Coatzacoalcos y planicies de inundación en el Bajo


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Grijalva, con densidades que duplican la media nacional. Sus latitudes extremas son al norte los 18°39' latitud norte y al sur los 16° 30' latitud norte, al extremo oriente se ubica en los 90°22' y al oeste e n los 94°38' .

Cuadro 2. Cuenca del Grijalva-Usumacinta: extensión territorial y población para el año 2000

Subcuencas Sup (km 2 ) % Población

(hab.)

% Densidad

(hab./km 2 )

Tonalá-Coatzacoalcos 6,859 7.5 610,449 12.4 89

Alto Grijalva 9,643 10.6 431,290 8.8 45

Medio Grijalva 20,146 22 1,428,948 29.0 71

Bajo Grijalva (Sierra) 9,617 10.5 576,607 11.7 60

Bajo Grijalva(Planicie) 12,163 13.3 1,198,532 24.4 99

Lacantún-Chixoy 19,858 21.8 394,676 8.0 20

Usumacinta 13,059 14.3 279,291 5.7 21

Total 91,34 100 4,919,793 100 54

Nacional 1,953,162 4.7 97,361,711 5 50

Fuente: CNA 2002

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Cuenc asRIO CANDELARIARIO COHATANRIO GRIJALVARIO HONDORIO SUCHIATERIO USUMACINTA

0 200 Kilometers

Figura 2. Cuenca Grijalva-Usumacinta.


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2.3 EL CICLO DEL AGUA La precipitación de la región es la mayor del país y una de las más altas del mundo. Su media anual es de 2,143 mm, 2.6 veces el promedio nacional. En la Sierra de Chiapas y en la Sierra de la Lacándola, las lluvias sobrepasan en algunos lugares los 4,000 mm al año y llegan hasta los 5,000 mm, mientras que en la zona costera del norte promedia 2,093 mm al año y alcanza los 2,750 mm. La temperatura media anual es de 24 °C y de 7 ° C y 41°C en los extremos, lo que establece un gradiente de climas cálidos y semicálidos húmedos con influencia marina en la zona norte y en la parte central de la región.

La invasión de masas de aire frío del norte y húmedos tropicales del Atlántico y el Pacífico provocan la mayoría de las precipitaciones anuales en la región.

Llueve prácticamente todo el año, el 83% de los 365 días, pero especialmente las lluvias se concentran en verano, otoño e invierno. Sólo la primavera es relativamente seca. En el verano las lluvias son muy intensas. Entre el otoño y el invierno soplan los nortes, con lluvias prolongadas y torrenciales. Los ríos y lagunas alcanzan sus máximos niveles entre septiembre y noviembre, lo que vuelve a la planicie un espejo de agua. Es la época de las inundaciones, que provocan desastres en la agricultura y las poblaciones asentadas en la llanura costera del norte. La conformación litológica de los márgenes de los ríos y de los suelos de aluvión, la sinuosidad de los cauces, con abundantes meandros y las grandes descargas de sedimentos y materiales de las cuencas altas hacen de la planicie un área fácilmente erosionable y sujeta a las grandes inundaciones que se dan periódicamente en la llanura costera, especialmente en el área conocida como “Olla de la Chontalpa”. Esta situación ha obligado a la construcción de estructuras especiales de defensas permeables las que, sin embargo, no han solucionado los problemas en épocas de avenidas y de fenómenos extremos como los que se presentaron en 1995 y 1999.

En estas condiciones impuestas por el ciclo hidrológico, la pérdida de suelos por erosión hídrica extrema y muy extrema afecta al 89% del territorio de Tabasco y al 83% de Chiapas y alcanza valores de pérdidas de suelos mayores a las 500 ton/ha/año. La erosión hídrica es especialmente crítica en la Sierra Madre de Chiapas, los Altos de Chiapas y en las montañas marginales del norte, donde los valores van de severos a extremos (mayores a 100 ton/ha/año); severa y alta (de 25 a 100 ton/ha/año) en la Selva Lacandona, Valles centrales y Malpaso, provocados y acelerados por los intensos procesos de deforestación que ocasiona la erosión de laderas, frecuentes derrumbes y caídas de árboles que obstruyen el flujo del agua y provocan taponamientos e inundaciones. Actualmente se presentan problemas críticos de inundaciones en 10,531 ha de la planicie costera, especialmente en la zona central de Tabasco y en las llanuras del Usumacinta, cuyas consecuencias catastróficas se ven magnificadas por el crecimiento desordenado y sin ninguna planeación de cientos de comunidades rurales y por el crecimiento explosivo de las periferias urbanas en zonas de alto riesgo: áreas bajas, planicies inundables e incluso


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dentro de los cauces y los vasos de presas, lo que ha obligado a realizar costosísimas y a veces inútiles obras de defensa. 2.4 EL AGUA AZUL: SISTEMAS DE TRANSPORTE ENERGÉTIC O La región hidrológica del Grijalva-Usumacinta está integrada por tres subregiones (Alto Grijalva, Bajo Grijalva y Usumacinta y una parte de la subregión de Coatzacoalcos) y seis cuencas (Grijalva-Tuxtla Gutiérrez, Grijalva-La Concordia, Grijalva-Villahermosa, Usumacinta, Lacantún y Chixoy) que tienen un escurrimiento natural total anual estimado en 108.6 km 3 , más un escurrimiento proveniente de Guatemala de 38 km 3 , que comparado con el escurrimiento promedio anual del país, que es de 410 km 3 , representa el 30.79% de los escurrimientos totales de México.

Por la configuración de sus cuencas de drenaje, las montañas del sistema Grijalva-Usumacinta, relativamente alejadas del litoral costero del Golfo de México, poseen una gran capacidad de formación de tierras aluviales costeras. Comparativamente, esta capacidad es seis veces mayor que la del sistema del Misisipi y más de diez veces la del río Grande.

El río Grijalva nace en Huehuetenango, en las cumbres de la sierra del Soconusco, Guatemala, para luego fluir entre las montañas chiapanecas. Por la margen derecha sus corrientes formadoras son guatemaltecas, en tanto que por su izquierda, son completamente mexicanas. Entre cañones como los de El Sumidero y La Angostura, el río cruza territorio chiapaneco y al llegar a los límites con Tabasco, cambia su nombre por el de Mezcalapa. Después de recibir el tributo del Pichucalco o Ixtacomitán, el Mezcalapa recibe inmediatamente las contri-buciones del río de la Sierra, que nace en la meseta central de Chiapas, y adopta nuevamente el nombre de Grijalva, con el que llega a Villahermosa, para seguir su curso hacia el mar. Todavía en este trayecto final recibe la aportación de los ríos Chilapa y Chilapilla, que son dos brazos del río Tepetitlán o Tulijá, el último de los grandes caudales que se incorpora al Grijalva, procedente de las montañas chiapanecas. Tras esta larga travesía confluye en Tres Brazos, 84 km después de Villahermosa, con los dos brazos del Usumacinta, 12 km más abajo pasan junto a Frontera y siete kilómetros más adelante desemboca al Golfo de México por la Barra de Frontera.

El Usumacinta nace de los ríos Chixoy y Lacantún. El Alto Usumacinta marca la frontera entre Guatemala y México. Recorre 200 km a partir de la unión del río Salinas y el río de la Pasión, tributarios que le dan origen en el Gran Petén guatemalteco. El Usumacinta se abre paso entre desfiladeros e imponentes acantilados de más de 300 m de altura, hasta Boca del Cerro, a 12 km de Tenosique, en el estado de Tabasco. Allí comienza el Bajo Usumacinta y recibe 60 km después de Tenosique al más caudaloso de sus afluentes: el San Pedro, procedente del Petén guatemalteco. Después de Jonuta se le desprende el río San Pablo, que sirve de límite entre los estados de Tabasco y Campeche, hasta desembocar en el Golfo de México por la Barra de San Pedro.


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Las características ambientales, climáticas y de suelos de la cuenca permiten almacenar grandes volúmenes de esta agua azul (figura 3). Existen 19 acuíferos identificados en la región. La principal zona de recarga se encuentra en la Sierra de Chiapas y en las épocas de lluvia la realimentación se lleva a cabo por infiltración vertical o por las numerosas corrientes superficiales. Se estima esta recarga en 7,008 Mm 3 al año y un ritmo de extracción de 674 Mm 3 al año, lo que da como resultado una disponibilidad estimada en 6,334 Mm 3.

Figura 3. Cuenca Grijalva-Usumacinta: usos del agua azul


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3 ESTADO ACTUAL DEL CONOCIMIENTO 3.1 INTRODUCCIÓN A continuación se realiza un breve repaso a las opciones disponibles en la actualidad a la hora de llevar a cabo una simulación mediante modelación matemática del flujo en lámina libre. Estas opciones están en continuo desarrollo y en este apartado se desarrolla una descripción que intenta ser también un pequeño repaso histórico del desarrollo de la modelación matemática que se ha producido en los últimos años y que ha sido posible gracias a la creciente capacidad de los ordenadores para procesar datos de una manera cada vez más rápida. 3.2 MODELOS UNIDIMENSIONALES 3.2.1 Modelos 1D en régimen permanente Estos modelos permiten el cálculo en régimen gradualmente variado y fondo fijo. Están hoy en día en plena vigencia ya que para estimación de cotas de lámina de agua en caso de avenida en las que el factor tiempo no es importante son perfectamente válidos. Para el análisis de la inundación que crearía una gran avenida, estos modelos no son suficientes ya que no tienen en cuenta el factor tiempo, imprescindible para poder prever afecciones de la onda ha poblaciones, etc. Se basan en esquemas numéricos relativamente simples pero eficaces, pueden considerar cambios de régimen, cauces con geometrías complejas y con llanuras de inundación, singularidades como puentes, azudes, pasos bajo vía, etc. El esquema numérico más utilizado es el denominado paso a paso. Para la gran mayoría de simulaciones fluviales que se llevan a cabo hoy en día se utilizan este tipo de modelos ya que para delimitación de zonas inundables, dimensionamiento de infraestructuras tales como puentes, etc. son perfectamente válidos. Los modelos comerciales de este tipo más utilizados son HEC-RAS (USACE) y MIKE 11 (DHI). 3.2.2 Modelos 1D en régimen variable


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Para simular el régimen variable, necesario por ejemplo para la simulación de una avenida extrema, hay que solucionar las ecuaciones de Saint-Venant. Los modelos existentes se dividen en dos tipos en función de si resuelven las ecuaciones de Saint-Venant completas o si realizan alguna simplificación. 1. Esquemas de resolución para las ecuaciones completas de Saint-Venant: I. Método de las características. Puede servir para canales prismáticos, pero su aplicación para canales no prismáticos y de geometría irregular es de una enorme complejidad y resultados poco fiables, por lo que no son adecuados, ni han sido utilizados, para cauces fluviales. II. Diferencias finitas explícitas. Dentro de este grupo encontramos los siguientes esquemas numéricos: • Difusivo o esquema de Lax • Leap-Frog • McCormack • Lamba Los esquemas explícitos presentan el inconveniente de requerir pasos de tiempo muy pequeños durante el cálculo para que resulten estables y por tanto son caros computacionalmente. III. Diferencias finitas implícitas. Esquemas destacados: • Preissmann • Beam and Warming • Vasiliev En general los esquemas implícitos son más eficientes computacionalmente que los explícitos, aunque esta ventaja deja serlo en cuanto se ha de modelizar flujo en régimen rápidamente variable ya que entonces el paso de tiempo de cálculo debe reducirse hasta valores similares a los de los esquemas explícitos para ser capaces de representar discontinuidades. La mayoría de modelos comerciales que se usan en la actualidad resuelven el esquema de Preissmann o alguna variante de éste. Algunos de estos modelos son: HEC-RAS, MIKE-11, SOBEK y DAMBRK. IV. Elementos finitos. Este método da óptimos resultados para ecuaciones elípticas o parabólicas, mientras que las ecuaciones de Saint-Venant forman un


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sistema hiperbólico, esto hace que el método de los elementos finitos requiera mucha complejidad y mucho tiempo de cálculo para llegar a unos resultados que no mejoran considerablemente los obtenidos mediante las diferencias finitas. Todos los esquemas de resolución de las ecuaciones completas de Saint- Venant presentados tienen problemas de estabilidad cuando el flujo es rápidamente variable. Este problema puede abordarse de dos maneras: métodos de aislamiento o métodos directos. • Métodos de aislamiento: Se trata de aislar la discontinuidad y tratarla como un contorno, a la práctica es inviable porque no conocemos donde estará la discontinuidad. • Métodos directos: Se dividen en dos grupos, los que añaden un término artificial en las ecuaciones para aumentar la difusión (viscosidad artificial) y por tanto suavizan la discontinuidad con la consecuente pérdida de rigor en la solución y los que no añaden ningún término artificial. Los métodos que no añaden viscosidad artificial son claramente deseables. Dentro de estos métodos se encuentra el Local Partial Inertia (LPI), que añade un término a las ecuaciones para reducir los términos de inercia cuando el número de Froude se acerca a la unidad (por tanto habrá un cambio de régimen y una posible discontinuidad). 2. Esquemas de resolución para las ecuaciones de Saint-Venant simplificadas: a) Métodos hidrológicos Desprecian completamente la ecuación del movimiento. De entre ellos destaca el método de Muskingum. Estos esquemas se usan hoy en día en modelos para el cálculo de caudales en función de precipitaciones en diferentes cuencas donde se hace necesaria la propagación de hidrogramas tales como HEC-HMS. b) Método de la onda cinemática Sólo considera el término de fricción y de pendiente de la solera en la ecuación del movimiento. c) Método de la onda difusiva Incluye además respecto al método de la onda cinemática los términos de presión. d) Método de la onda dinámica cuasi-permanente


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Tan solo desprecia la aceleración local. Estos métodos simplificados tenían sentido cuando la capacidad y velocidad de los ordenadores era limitada, pero por lo general lo han ido perdiendo a lo largo del tiempo, tan solo los métodos de Muskingum y la onda cinemática siguen utilizándose ampliamente en estudios hidrológicos. 3.3 MODELOS CUASI-BIDIMENSIONALES Para describir muchos fenómenos naturales como puede ser la inundación de una gran llanura, la confluencia de dos cauces, el cruce de dos corrientes de agua, el flujo en un cauce ancho e irregular, etc., la aproximación unidimensional deja de ser adecuada y por ello se desarrollaron primero los esquemas cuasi-bidimensionales y luego los esquemas bidimensionales propiamente dichos. En los esquemas cuasi-bidimensionales se aplican las ecuaciones de Saint- Venant unidimensionales en un cauce principal, mientras que la llanura de inundación se representa mediante un recinto de almacenamiento de agua conectado al cauce. 3.4 MODELOS BIDIMENSIONALES Se pueden dividir en esquemas clásicos y esquemas de alta resolución. Los esquemas clásicos se han utilizado con buenos resultados para flujo gradualmente variable, pero no sirven en general para rápidamente variable. Igual que en el caso unidimensional, para la resolución de las ecuaciones de Saint Venant en dos dimensiones se ha utilizado el método de las características, métodos en diferencias finitas y métodos en elementos finitos, pero en el caso bidimensional además se ha utilizado la técnica de discretización en volúmenes finitos. Se ha comprobado que la técnica de los volúmenes finitos es especialmente adecuada para estos casos. Los esquemas bidimensionales de alta resolución se encuentran todavía en pleno desarrollo y no existen modelos comerciales que puedan utilizarse de forma generalizada, reduciéndose los modelos existentes a universidades o otros centros de investigación. 3.5 ELECCIÓN DEL MODELO A UTILIZAR Con todo lo expuesto hasta ahora el escenario en la actualidad nos da a elegir a la hora de realizar una simulación hidráulica de un río entre las siguientes opciones reales, una vez descartados los modelos bidimensionales de alta resolución por no estar disponibles comercialmente:


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• Modelos unidimensionales en régimen variable • Modelos cuasi-bidimensionales • Modelos bidimensionales La selección del tipo de modelo estará en función varios factores, por ejemplo en un valle abrupto sin llanuras de inundación un modelo unidimensional será adecuado. En cambio si tenemos zonas con un comportamiento claramente bidimensional (llanuras de inundación) deberemos de recurrir a modelos cuasibidimensionales o modelos bidimensionales. El primer caso requiere habilidad y experiencia en este tipo de situaciones y el segundo requiere una topografía muy detallada para dar resultados fiables. Por otro lado estudios recientes (Soares & Alcrudo (1998), Soares & Testa (1999)) han revelado que generalmente los modelos unidimensionales sobreestiman la velocidad del frente de onda, mientras que los bidimensionales la subestiman. Por tanto en este aspecto los unidimensionales dejarían del lado de la seguridad. Como se ha expuesto no es fácil dar a priori un tipo de modelos por bueno para utilizarlo en todas las simulaciones ya que depende de la calidad de la topografía que tengamos, el tipo de régimen (si esperamos régimen rápidamente variable los 2D no darán buen resultado), etc.

3.6 FLUJO GRADUALMENTE VARIADO 3.6.1 Fundamento teórico El flujo gradualmente variado, es un flujo permanente cuya profundidad varía de manera gradual a lo largo del canal. Se tendrán en cuenta las siguientes hipótesis:

1. La pérdida de altura en una sección es igual que la de un flujo uniforme con las mismas características de velocidad y radio hidráulico.

2. La pendiente del canal es pequeña (<10%). Esto quiere decir que la profundidad del flujo puede medirse verticalmente o perpendicularmente al fondo del canal y no se requiere hacer corrección por presión ni por arrastre del aire.

3. El canal es prismático. 4. Los coeficientes de distribución de la velocidad y el de rugosidad son

constantes en el tramo considerado.


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3.6.2 Ecuación dinámica del flujo gradualmente va riado

Figura 4. Deducción de la ecuación de flujo gradual mente variado.

La figura 4 muestra el perfil de un flujo gradualmente variado en una longitud elemental dx de un canal abierto. La altura de la línea de energía en la sección aguas arriba, con respecto a la línea de referencia es

…………………………………………..(1)

Donde H, Z, d y α son según se muestran en la figura 4, α es el coeficiente de energía y v es la velocidad media del flujo a través de la sección. Se asume que d y α son constantes en el tramo del canal. Tomando el piso del canal como el eje x y derivando la ecuación (1) con respecto a x se obtiene,

………………………………………….(2)

Si Sf es la pendiente de la línea de energía , S0 la pendiente del

piso del canal y Sw la pendiente de la superficie del agua


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, sustituyendo estas expresiones en la ecuación (2) y resolviendo para Sw se tiene:

…………………………………………(3)

La ecuación (3) representa la pendiente de la superficie del agua con respecto al fondo del canal y se conoce como la ecuación dinámica del flujo gradualmente variado. Para pendientes pequeñas cos θ, Sf 1, d α y, dd/dx, Sw dy/dx y la ecuación (3) puede escribirse:

………………………………………….(4)

Si se tiene un canal rectangular ancho, se puede calcular la pendiente del piso del canal para que ocurra flujo uniforme utilizando la ecuación de Manning:

Dadas las características del canal, vale la aproximación y

expresando , donde q es el caudal por unidad de ancho y yn es la profundidad normal, se obtiene

…………………………………………(5)

La hipótesis 1 permite usar la fórmula de flujo uniforme para calcular la pendiente de energía, es decir,

…………………………………………(6)

Donde y es la profundidad del flujo gradualmente variado.

El término de la ecuación (4) puede desarrollarse así:


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Como (ancho superior) = b para canal rectangular,

……………………..(7)

La ecuación (4) puede expresarse según las ecuaciones (5), (6) y (7) como

…………………………………….(8)

3.6.3 Tipos de perfil de flujo Los perfiles de flujo se clasifican con base en dos criterios básicos:

1. Según su profundidad. 2. Según la pendiente del canal.

El primer criterio divide la profundidad del canal en varias zonas:

Zona 1: Sobre la profundidad normal (en pendiente subcrítica) ó sobre la profundidad crítica (en pendiente supercrítica).

Zona 2: Entre las profundidades crítica y normal.

Zona 3: Bajo la profundidad crítica (en pendiente subcrítica) ó bajo la profundidad normal (en pendiente supercrítica).

El segundo criterio considera cinco condiciones de la pendiente:

H: Horizontal. M: Moderada o subcrítica. C: Crítica. S: Pronunciada o supercrítica. A: Adversa. Estos dos criterios permiten hacer la clasificación como H2, H3; M1, M2, M3; C1, C2, C3; S1, S2, S3; A2 y A3, donde la letra se refiere a la pendiente y el número a la zona de profundidad. En la figura 9-2 del texto de Ven Te Chow se describen los diferentes perfiles del flujo y la figura 9-4 presenta ejemplos de esas situaciones. 3.6.4 Método directo por pasos


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Este es un método sencillo, aplicable a canales prismáticos. Divide el canal en tramos cortos y desarrolla los cálculos para cada sección comenzando por una conocida (la sección de control por ejemplo). Si el flujo es subcrítico los cálculos se inician desde aguas abajo y se desarrollan hacia aguas arriba y si es supercrítico se parte de aguas arriba continuándose hacia aguas abajo.

Tomando un tramo corto del canal, como lo ilustra la figura 5, se cumple que

……………………………….(9)

Figura 5. Tramo del canal para la deducción de los métodos de paso.

Definida la energía específica (E) como

………………………………………..(10)

Reemplazando (9) en (10) y despejando :


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………………………………………..(11)

La pendiente de la línea de energía en una sección puede calcularse según Manning,

………………………………………..(12)

y la pendiente de la línea de energía en un tramo se obtiene como

………………………………………..(13)

3.6.5 Procedimiento de cálculo 1. Conocidos Q, b, y Y en la sección de control, se calcula la velocidad v, la

cabeza de velocidad y la energía específica

2. Se calcula la pendiente de la línea de energía (Sf) según la ecuación (12).

3. Se asume una profundidad según el perfil de flujo que se presenta; se obtienen los valores de E y Sf para la sección con esta profundidad.

4. Se calcula 1, entre estas dos secciones y con la ecuación (13); con estos resultados se halla según la ecuación (11). Así se conoce la localización de la sección a lo largo del canal.

5. Se vuelve al paso 3. 3.6.6 Formulas empíricas para calcular la velocid ad La velocidad del agua que se desliza en una corriente o en un canal abierto está determinada por varios factores.

- El gradiente o la pendiente. Si todos los demás factores son iguales, la velocidad de la corriente aumenta cuando la pendiente es más pronunciada. - La rugosidad. El contacto entre el agua y los márgenes de la corriente causa una resistencia (fricción) que depende de la suavidad o rugosidad del canal. En las corrientes naturales la cantidad de vegetación influye en la rugosidad al igual que cualquier irregularidad que cause turbulencias.


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- Forma. Los canales pueden tener idénticas áreas de sección transversal, pendientes y rugosidad, pero puede haber diferencias de velocidad de la corriente en función de su forma. La razón es que el agua que está cerca de los lados y del fondo de una corriente se desliza más lentamente a causa de la fricción; un canal con una menor superficie de contacto con el agua tendrá menor resistencia fricción y, por lo tanto, una mayor velocidad. El parámetro utilizado para medir el efecto de la forma del canal se denomina radio hidráulico del canal. Se define como la superficie de la sección transversal dividida por el perímetro mojado, o sea la longitud del lecho y los lados del canal que están en contacto con el agua. El radio hidráulico tiene, por consiguiente, una cierta longitud y se puede representar por las letras M o R. A veces se denomina también radio medio hidráulico o profundidad media hidráulica. Los canales pueden tener la misma superficie de sección transversal pero un radio hidráulico diferente. Si todos los demás factores son constantes, cuanto menor es el valor de R menor será la velocidad.

Todas estas variables que influyen en la velocidad de la corriente se han reunido en una ecuación empírica conocida como la fórmula de Manning, tal como sigue:

donde:

V es la velocidad media de la corriente en metros por segundo.

R es el radio hidráulico en metros (la letra M se utiliza también para designar al radio hidráulico, con el significado de profundidad hidráulica media).

S es la pendiente media del canal en metros por metro (también se utiliza la letra i para designar a la pendiente).

n es un coeficiente, conocido como n de Manning o coeficiente de rugosidad de Manning. En el Cuadro 3 figuran algunos valores correspondientes al flujo de canales.

En sentido estricto, el gradiente de la superficie del agua debería utilizarse en la fórmula de Manning; es posible que no sea el mismo gradiente del lecho de la corriente cuando el agua está subiendo o bajando. Sin embargo, no es fácil medir el nivel de la superficie con precisión por lo que se suele calcular una media del gradiente del canal a partir de la diferencia de elevación entre varios conjuntos de puntos situados a 100 metros de distancia entre ellos. Se dispone de nomogramas para facilitar la solución de la fórmula de Manning, como indica el ejemplo de la Figura 6.

Otra fórmula empírica sencilla para calcular la velocidad de la corriente es la fórmula de zanjas colectoras de Elliot, que es la siguiente:

donde


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V es la velocidad media de la corriente en metros por segundo. m es el radio hidráulico en metros. h es la pendiente del canal en metros por kilómetro.

Esta fórmula parte del supuesto de un valor de n de Manning de 0,02 y, por consiguiente, sólo es adecuada para caudales naturales de corriente libre con escasa rugosidad.

Cuadro 3. Valores del coeficiente n de rugosidad de Manning.

a) Canales sin vegetación

Sección transversal uniforme, alineación regular sin guijarros ni vegetación, en suelos sedimentarios finos

0,016

Sección transversal uniforme, alineación regular, sin guijarros ni vegetación, con suelos de arcilla duros u horizontes endurecidos

0,018

Sección transversal uniforme, alineación regular, con pocos guijarros, escasa vegetación, en tierra franca arcillosa

0,020

Pequeñas variaciones en la sección transversal, alineación bastante regular, pocas piedras, hierba fina en las orillas, en suelos arenosos y arcillosos, y también en canales recién limpiados y rastrillados

0,0225

Alineación irregular, con ondulaciones en el fondo, en suelo de grava o esquistos arcillosos, con orillas irregulares o vegetación

0,025

Sección transversal y alineación irregulares, rocas dispersas y grava suelta en el fondo, o con considerable vegetación en los márgenes inclinados, o en un material de grava de hasta 150 mm de diámetro

0,030

Canales irregulares erosionados, o canales abiertos en la roca 0,030

(b) Canales con vegetación

Gramíneas cortas (50-150 mm) 0,030-0,060

Gramíneas medias (150-250 mm) 0,030-0,085

Gramíneas largas (250-600 mm) 0,040-0,150


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(c) Canales de corriente natural

Limpios y rectos 0,025-0,030

Sinuosos, con embalses y bajos 0,033-0,040

Con muchas hierbas altas, sinuosos 0,075-0,150

FIGURA 6 - Nomograma para resolver la fórmula de Ma nning. Si se conocen tres variables, es posible encontrar la cua rta.


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4 PARÁMETROS DE MODELACIÓN PARA HEC-RAS

4.1 CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DE LA CANALIZACIÓ N. El flujo en canales abiertos puede clasificarse en muchos tipos y describirse de varias maneras, la siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio en la profundidad de flujo con respecto al tiempo y al espacio.

Flujo permanente y flujo no permanente: tiempo como criterio. Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad de flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración.

En la mayor parte de los problemas de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo sólo bajo condiciones permanentes.

Para cualquier flujo, el caudal Q es una sección del canal se expresa por:

......1

donde:

V= velocidad media m/s

A= área de la sección transversal m2.

En la mayor parte de los problemas de flujo permanente el caudal es constante a través del tramo del canal en consideración; en otras palabras, el flujo es continuo. Entonces, a partir de la ecuación 1

2

Donde los subíndices designan diferentes secciones del canal. Esta es la ecuación 2 de continuidad para flujo permanente.

Para mayor claridad la clasificación del flujo en canales abiertos se resume de la siguiente manera:

Flujo permanente

Flujo uniforme Flujo variado

a) Flujo gradualmente variado b) Flujo rápidamente variado

Las características del flujo del Río Usumacinta son las siguientes:

• La profundidad del tirante de agua varía de manera gradual a lo largo del tramo.

• Las características hidráulicas del flujo permanecen constante en tiempo y espacio


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• Las líneas de corriente son paralelas (flujo laminar); es decir, prevalece la distribución hidrostática de presiones sobre la sección del canal.

Dicho lo anterior el flujo del Usumacinta puede ser considerado como gradualmente variado (flujo permanente).

Existe otro tipo de flujo, el no permanente y ocurre si la profundidad cambia con el tiempo. En este trabajo no se analiza este tipo de flujo, Ven-te Chow (1994) hace una amplia explicación sobre el tema.

El régimen de flujo de una corriente se clasifica en función al número de Froude, el cual es la relación adimensional entre las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales, esta dada por la ecuación 3.

...... 3

DONDE:

(F) es el número de Froude

(V) es la velocidad media del flujo en pies/seg

(g) es la aceleración de la gravedad en pies/s2

(L) es la longitud característica en pies (igual a la profundidad D en canales rectangulares).

Cuando F es igual a la unidad F=1 la ecuación se convierte en se dice

que el flujo esta en estado crítico. Si F es menor que la unidad o , el flujo es subcrítico. En este caso el papel jugado por las fuerzas gravitacionales es más pronunciado; por lo tanto, el flujo tiene una velocidad

baja. Si F es mayor que la unidad ó , el flujo es supercrítico. En este estado las fuerzas inerciales se vuelven dominantes; el flujo tiene una alta velocidad y se describe como muy rápido. (Ven-te Chow, 1994)

DONDE:

F es el número de Froude

celeridad

"Debido a que el flujo en la mayor parte de los canales esta controlado por efectos gravitacionales, un modelo utilizado para simular un canal prototipo con propósitos de prueba debe de ser diseñado teniendo en cuenta este efecto; es decir el número de Froude del flujo en el canal modelo debe de ser igual al número de Froude del flujo en el canal prototipo" (Ven Te Chow, 1994).

Coeficiente de rugosidad. Es valor que representa la resistencia al flujo por fricción, llamado "n" de Manning. (Ven TE Chow, 1994) menciona una guía


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para la determinación correcta del coeficiente de rugosidad de Manning que consiste de cuatro enfoques generales; estos son:

1. Entender los factores que afectan el valor de "n" con el fin de adquirir el conocimiento básico del problema y disminuir el rango de incertidumbre.

• Rugosidad superficial • Vegetación • Irregularidad del canal • Alineamiento del canal • Sedimentación y socavación • Obstrucción • Tamaño y forma del canal • Nivel y caudal • Cambio estacional • Material en suspensión y carga del lecho

2. Consultar una tabla de valores comunes para "n" para canales de diferente tipo.

3. Examinar y familiarizarse con la apariencia de algunos canales comunes cuyo coeficiente de rugosidad se conocen.

4. Determinar el valor de "n" mediante un procedimiento analítico basado en las distribución de velocidades teóricas en la sección transversal de un canal y en los datos de medición de velocidad o de rugosidad

Para calcular el coeficiente de rugosidad se puede utilizar el método de medición de velocidades mediante la ecuación 4 donde:

... 4

La viscosidad es una propiedad de los líquidos íntimamente vinculada con la resistencia al flujo. Se define como la fuerza requerida para mover en forma continua una superficie plana sobre otra, bajo condiciones específicas constantes, cuando el espacio entre ambas esta ocupado por un líquido.

La viscosidad se puede expresar en términos de viscosidad absoluta, η, que se define como la fuerza por unidad de área necesaria para mantener una unidad de gradiente de velocidad. Las unidades básicas son el poise y centipoise (siendo 1 poise = 100 centipoise).

La viscosidad del agua representa un factor muy importante en el estudio de los cauces naturales. Esta viscosidad depende principalmente de la concentración de la carga de sedimentos en suspensión, y en menor escala de la temperatura.

tirante del agua en metros

x velocidad promedio m/s


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En cauces limpios, o sea en aquellos en los que la concentración de sedimentos es menor del 10% en volumen, el agua puede considerarse como de baja viscosidad. A la temperatura de 20% la viscosidad absoluta es del orden de 1 centipoise (unidad de medición de la viscosidad).

En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo, donde la proporción volumétrica entre el sedimento y el líquido sobrepasa el 80%, la viscosidad aumenta (RIOS Y CORRIENTES NATURALES. GUSTAVO A SILVA MEDINA.)

Energía específica. La energía específica en una sección de canal se con la ecuación 5 y se define como la energía de agua en cualquier sección de un canal medida con respecto al fondo de este.

... 5

o, para un canal de pendiente pequeña y =1, la ecuación 5 se convierte en

... 6

La cual indica que la energía específica es igual a la suma de la profundidad del agua más la altura de velocidad. Para propósitos de simplicidad, el siguiente análisis se basará en la ecuación 6 para un canal de pendiente pequeña. Como V=Q/A, la ecuación 6 puede escribirse como E=y+Q2/2gA2.

Puede verse que, para una sección de canal y caudal Q determinados, la energía específica en una sección de canal sólo es función de la profundidad de flujo. Ven Te Chow (1994)

Cuando la profundidad de flujo se gráfica contra la energía para una sección de canal y un caudal determinados, se obtiene una curva de energía específica, ver figura 7. Esta curva tiene dos ramas, AC y BC. La rama AC se aproxima asintóticamente al eje horizontal hacia la derecha. La rama BC se aproxima a la línea OD a medida que se extiende hacia arriba y hacia la derecha. La línea OD es una línea que pasa a través del origen y tiene un ángulo de inclinación.

Para un canal de pendiente alta, el ángulo de inclinación de la línea OD será diferente de 45°. En cualquier punto P de esta curva, la ordenada representa la profundidad y la abscisa representa la energía específica, que es igual a la suma de la altura de presión "y" y la altura de velocidad V2/2g. Ven Te Chow (1994).


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Figura 7. Curva de energía especifica

La curva muestra que, para una energía específica determinada, existen dos posibles profundidades, la profundidad baja y1 y la profundidad alta y2. La profundidad baja es al profundidad alterna de la profundidad alta, y viceversa.

En el punto C, la energía específica es mínima. Por consiguiente, en el estado crítico es claro que las dos profundidades alternas se convierten en una, la cual es conocida como profundidad crítica yc. Cuando la profundidad de flujo es mayor que la profundidad crítica, la velocidad de flujo es menor que la velocidad crítica para un caudal determinado y, por consiguiente, el flujo es subcrítico. Cuando la profundidad de flujo es menor que la profundidad crítica, el flujo es subcrítico. Por tanto, y1 es la profundidad de un flujo supercrítico y y2 es la profundidad de un flujo supercrítico. Ven Te Chow (1994)

En hidráulica se sabe que la energía total del agua en metros-kilogramos por kilogramos de cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canal puede expresarse como la altura total en pies de agua, que es igual a la suma de la elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad.


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Figura 8. Energía de un flujo gradualmente variado en canales abiertos

..... 7

De acuerdo con el principio de conservación de energía, la altura de energía total en la sección 1 localizada aguas arriba debe de ser igual a la altura de energía total en la sección 2 localizada aguas abajo más la pérdida de energía hf entre las dos secciones, ver figura 8.

...... 8

Esta ecuación es aplicable a flujos paralelos o gradualmente variados. Para un canal de pendiente pequeña, esta se convierte en:

...... 9

4.2 MEDICION Y DATOS Para llevar a cabo la simulación de un modelo, es necesario contar con información confiable puede ser de origen de campo o de algún trabajo relacionado. Por tal razón se tomaron datos de trabajos realizados por Comisión Federal de Electricidad (CFE).

Para calcular la velocidad promedio. Se utilizó la Ecs. 10 el procedimiento se llama "Medición de velocidades", donde las velocidades se tomaron con un aparato marca: Marsh-McBirney Inc. a tres diferentes profundidades; la primera a una profundidad de 20%, la segunda a 40% y finalmente la tercera de 80%


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con respecto al tirante. Para cada una de las profundidades se tomaron varias mediciones dependiendo del resultado, es decir, de la similitud del dato por la ecuación 10.

........ 10

Velocidad media

Velocidad a una profundidad de 20% el tirante



Para poder calcular el tirante del nivel del agua de acuerdo a la Ecs. 11 se necesita tomar dos profundidades; la primera es a partir de la rasante hasta la rejilla, la segunda es del espejo de agua a la rejilla y por diferencia tenemos el tirante de agua, para esto tuvimos mucho cuidado de mantener siempre perpendicular el "estadal diseñado". No obstante en algunas ocasiones la fuerza del flujo inclinaba el estadal, sobreestimando la profundidad del tirante de agua.

........ 11

Tirante del nivel de agua

Profundidad medida a partir de la rasante hasta la rejilla

Profundidad medida a partir del espejo de agua hasta la rejilla

4.3 PROCEDIMIENTO DE LA SIMULACIÓN La información necesaria para la elaboración del modelo numérico en el tramo encauzado, se realiza en tres pasos: datos geométricos, datos del tipo de flujo y análisis de flujo. A continuación se hace una descripción de cada una de ellas.

Primer paso:

Los datos geométricos son:

● Eje del cauce.

● Sección transversal del Usumacinta.

● Distancia de separación entre secciones

● Puntos de control del encauzamiento.


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● Coeficiente de manning.

● Coeficientes de contracción/expansión

Segundo paso :

Los datos del flujo. Para nuestro modelo utilizaremos la modalidad de flujo permanente donde es necesario contar con la siguiente información:

● Caudales.

● Condición de frontera

La información necesaria de caudales, consiste en determinarlos en varios lugares del tramo encauzado, a partir de la medición de velocidades del flujo y tirantes en dichos puntos.

Es necesario establecer la condición de frontera aguas arriba y aguas abajo, en la canalización, para esto el Hec-Ras permite utilizar cuatro posibles tipos de condiciones de frontera que son: elevación del agua conocida, tirante crítico, pendiente promedio de la superficie del agua y "rating Curve".

Tercer paso :

Régimen del flujo. En el Río Usumacinta el régimen del flujo, según análisis del número de Froude realizado, es subcrítico, pero puede ocurrir cambio de régimen en algún punto. Razón para la cual se realizó la simulación como una mezcla de regímenes que son subcrítico, supercrítico y mixto, es una opción que ofrece el Hec-Ras, para tomar esta opción el programa requiere ciertas condiciones de contorno mencionadas anteriormente.


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5 PROGRAMA DE COMPUTO HEC-RAS

5.1 ANTECEDENTES HEC-RAS es un programa totalmente gratuito que puede obtenerse en la página web del United States Army Corps of Engineers (cuerpo de ingenieros del ejército de estados unidos). Este software, fue desarrollado por el Centro de Ingeniería Hidrológica (Hydrologic Engineering Center) del cuerpo de ingenieros de la armada de los EE.UU. (US Army Corps of Engineers), y surge como evolución del conocido y ampliamente utilizado HEC-2, con varias mejoras con respecto al primero, entre las que destaca, la interfase gráfica de usuario que facilita las labores de preproceso y postproceso. El modelo numérico incluido en este programa permite realizar análisis del flujo permanente unidimensional gradualmente variado en lámina libre (figura 9). Otro aspecto importante a tener en cuenta es la interacción de los modelos capaces de simular avenidas extremas con modelos digitales del terreno. La posibilidad de combinar los resultados de una simulación hidráulica con la información disponible en un modelo digital del terreno mediante herramientas GIS abre un campo de posibilidades que todavía se encuentra en fase embrionaria en nuestro país. Para trabajar con HEC-RAS existe una aplicación, HEC-GeoRAS, que trabaja en entorno GIS (ArcInfo, ArcView o ArcGIS). A partir de un modelo digital del terreno puede crearse un archivo para importar a HEC-RAS la información geométrica necesaria para llevar a cabo una simulación (cauce, secciones, etc.). De la misma forma después de haber realizado una simulación con HECRAS se pueden pasar los resultados al entorno GIS para realizar mapas de inundación y riesgo. Las simulaciones que se llevan a cabo para evaluar los efectos de una gran avenida son una pieza importante, pero ni mucho menos la única, de cara a poder planificar cómo actuar en caso de una avenida extrema. Existen numerosas actuaciones paralelas: coordinación de equipos de emergencia - policía, bomberos-, identificación de servicios básicos para la población que pudieran verse afectados por la inundación, creación de protocolos de evacuación y un largo etcétera. Todo esto es materia de la Protección Civil y queda regulado en la “Directriz Básica de Planificación de Protección Civil ante el riego de inundaciones”, la cual hay que consultar para elaborar simulaciones que contengan la información necesaria y en el formato adecuado para poder evaluar riesgos y establecer las medidas a adoptar en caso de una gran avenida. 5.2 OBJETIVOS El trabajo que a continuación se presenta persigue los siguientes objetivos:


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La documentación a nivel de manuales de usuario de ArcView, HEC-RAS y HEC-GeoRAS es escasa o en su defecto se encuentra solo redactada en inglés, la cual cosa dificulta la inclusión de estas herramientas en el trabajo diario de los ingenieros autores de simulaciones de avenidas extremas. Por ese motivo se ha considerado muy interesante plasmar el trabajo de investigación que se ha realizado en este trabajo en una guía para facilitar el uso de estos programas. Se ha optado para lograr este objetivo por la descripción de todos los pasos seguidos durante la simulación que se ha llevado a cabo en el caso práctico que se incluye en este trabajo.

5.3 CONTENIDO DE ESTE DOCUMENTO Para conseguir los objetivos propuestos en el presente trabajo se han desarrollado distintos aspectos que dan contenido a los diferentes capítulos de este documento. En el capítulo 3 se hace una descripción general del estado actual del conocimiento en la materia de las simulaciones mediante modelación matemática del flujo en lámina libre, que incluye un repaso a los modelos existentes y una comparación de las capacidades de HEC-RAS. La materialización de todos los conceptos teóricos en caso práctico se incluye en el capítulo 7, donde se ha realizado la simulación de la avenida extrema del Usumacinta y se ha detallado todo el proceso paso a paso para que sirva de ayuda a todo aquel que quiera realizar una simulación con las mismas herramientas (ArcView, HEC-RAS y HEC-GeoRAS) pero que hasta ahora ha tenido dificultades para encontrar material didáctico al respecto.

Figura 9. Pantalla principal del programa de cómput o Hec-Ras.


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5.4 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Y SUS APLICACIONES

A) Características técnicas: - Cálculo hidráulico de estructuras (puentes, aliviaderos, alcantarillas, etc.)

- Visualización gráfica de datos y resultados.

- Edición gráfica de secciones:

● Ejecutable en entorno Microsoft Windows.

B) Aplicaciones:

- Modelación hidráulica en régimen permanente de cauces abiertos, ríos y canales artificiales. 5.5 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Salida Tabular: Hec-Ras presenta esta salida, en la que están presentes varias características de los resultados hidráulicos, ver tabla 1.

Tabla 1. Salida Tabular de un modelo hidráulico

Esta salida tabular es importante por cuanto permite transformar a un archivo de Excel, poder graficar los resultados a partir de una base de datos de Excel.


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El Hec-Ras cuenta con tres salidas gráficas: una salida en presentar el nivel del agua en cada una de las secciones transversales introducidas (figura 10), conjuntamente con el nivel de la línea de energía y el nivel critico, en otra salida muestra el perfil longitudinal del río, (figura 11) con una línea de energía y la tercera salida es una perspectiva de las secciones con niveles de agua, (figura 12)

Figura 10. Salida grafica: nivel de inundación en s ecciones transversales individuales

Figura 11. Salida grafica: perfil longitudinal del lecho del río, superficie de agua y línea de energía


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Figura 12. Salida gráfica: una perspectiva de las s ecciones con niveles de agua

5.6 LIMITACIONES DEL PROGRAMA HEC-RAS EN FLUJO PE RMANENTE

● El flujo debe de ser permanente. ● El flujo es gradualmente variado y en lugares donde sea flujo rápidamente variado se usa la ecuación de momentum u otras ecuaciones empíricas. ● El flujo se considera unidimensional. ● El cauce del Río Usumacinta debe de tener una pendiente pequeña menos de 1:10.


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6 ESTABILIDAD HIDRAULICA DEL MODELO 6.1 CALIBRACIÓN

Este apartado es el más complejo de la simulación del modelo y es el proceso por medio del que se busca que todos los parámetros o coeficientes sean ajustados. La calibración persigue la simplificación matemática del modelo con el objeto de ajustar los datos.

6.2 PARÁMETROS DE MODELACIÓN

Se analizan en los siguientes apartados el conjunto de factores que dependen; bien de las ecuaciones del modelo, de los algoritmos de cálculo, de los parámetros de modelación o de la información de que se dispone y sirve de entrada al modelo. En concreto se tratan:

Modo de Cálculo. El modelo empleado da opción a elegir entre tres modos de cálculo: subcrítico, supercrítico y mixto. Para el primer modo (modo correspondiente a la hipótesis de flujo en régimen lento, también denominado subcrítico) se realizan cálculos partiendo de la condición de contorno en la sección más aguas abajo, avanzando hacia aguas arriba, contrariamente a lo que se hace en el modo supercrítico (régimen rápido), en este caso se parte de la condición de contorno en el extremo aguas arriba avanzando hacia aguas abajo. Además, este modelo proporciona el modo de cálculo denominado mixto, en el cual el algoritmo de cálculo realiza varias pasadas en ambos sentidos buscando los cambios de régimen, situando y calculando los resaltos hidráulicos.

Rugosidad. Cuando el régimen del flujo en el tramo de estudio sea próximo al crítico, apenas se apreciarán cambios en los resultados de cálculo al variar la rugosidad. En un caso en el que el régimen de circulación del agua sea muy distinto al crítico, el efecto de la rugosidad puede ser importante.

Distribución Transversal de Caudales. En algunas ocasiones se puede dar la circunstancia de que se desee estimar la lámina de agua a que daría lugar un determinado caudal y que para esta lámina la cartografía de que se dispone resulte insuficiente. Si se conoce la zona, gracias a la obligada visita al lugar, quizás sean admisibles extrapolaciones de esta cartografía si el análisis de la influencia que el error que en esta operación se produzca, tenga poca repercusión en los resultados de cálculo

Condición de Frontera. La condición de contorno del problema de modelación hidráulico de un tramo de río puede ser otra de las incógnitas o, al menos, puede tener asociada una incertidumbre alta. Ante esta situación, que debe evaluarse siempre, hay que evaluar la repercusión que el error en la estimación de condición de contorno pueda tener en los resultados finales a los que se pretende llegar; la estimación de la relación de calados con caudales, en este caso.


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Modificación de Geometría. La geometría del cauce puede sufrir modificaciones por efecto de una avenida, por lo que la definición de ésta, aparte de otros posibles errores, puede ser otra de las incertidumbres con que hay que contar en al menos aquellos casos en los que esto sea previsible. Para el modelo del Río Usumacinta la geometría es modificada por el continuo arrastre de sedimentos.

La calibración termina hasta que se alcanza el ajuste entre los datos y los resultados del modelo. Es decir, minimizar la diferencia entre la realidad y los resultados del modelo matemático.

6.3 TOPOGRAFÍA NECESARIA En general, la geometría del valle agua abajo del Río Usumacinta se obtendrá de la topografía existente, realizándose únicamente reconocimientos topográficos en los casos en que sea estrictamente necesario, obteniéndose secciones transversales en los sitios más relevantes para el estudio de la propagación de la onda y para la evaluación de los daños potenciales. Las características geométricas del cauce se establecerán a partir de su topografía, viniendo ésta caracterizada por su escala y equidistancia entre curvas de nivel. Desde el punto de vista hidráulico, de avance de la onda, se considerará que la morfología general del cauce es sensiblemente constante en el tiempo, por lo que a este respecto serán válidas las topografías existentes independientemente de su fecha de realización. No ocurre obviamente lo mismo desde los puntos de vista de la evaluación de daños y de características de elementos singulares (puentes y azudes, por ejemplo). La topografía, existente u obtenida expresamente para la clasificación, estará realizada por restitución con apoyo de campo a partir de fotografía aérea. En ningún caso se considerarán válidas las restituciones expeditas (sin apoyo de campo). 6.4 TIPO DE FLUJO En general, serán preferibles los modelos unidimensionales o los bidimensionales, ya que aquellos proporcionan precisión suficiente mientras que éstos, aparte de introducir una gran complejidad adicional, no sólo modelística sino también de disponibilidad de datos básicos (topografía, rugosidades direccionales, etc.), suelen obligar a simplificaciones adicionales para tener en cuenta la segunda dimensión. En muchas ocasiones aparece en el análisis unidimensional la necesidad de tomar en consideración, aun cuando sea de manera aproximada, efectos bidimensionales. Los programas actuales suelen abordar este problema


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mediante dos técnicas diferentes: la consideración específica de llanuras de inundación y las denominadas aproximaciones quasibidimensionales. La consideración de llanuras o zonas de inundación, que en la mayor parte de los casos puede ser una aproximación suficiente, implica la asunción de la existencia de determinadas áreas que únicamente son capaces de almacenar agua sin participar en el movimiento y que se relacionan únicamente con un tramo del cauce. Por su parte, las aproximaciones quasibidimensionales, que en general representan una mayor exactitud en el análisis, implican el establecimiento de distintas conexiones unidimensionales simplificadas que reducen el fenómeno bidimensional a otro unidimensional pero con estructura mallada y con distintas simplificaciones para evaluar el flujo circulante a través de las conexiones de la malla distintas de las asociadas al cauce. La selección de la aproximación a adoptar es completamente dependiente del caso a analizar, si bien, en términos generales, puede considerarse suficiente la consideración de llanuras de inundación, señalándose que la consideración de aproximaciones quasibidimensionales obliga a realizar un esfuerzo adicional en la definición topográfica del territorio. 6.5 IDENTIFICACIÓN DE ZONAS DE RIESGO La realización de un estudio de inundabilidad por una avenida extrema lleva consigo la necesidad de evaluar la afección que dicha avenida provoca a las diferentes zonas singulares (poblaciones, servicios, etc) existentes en el cauce o en las llanuras de inundación; para ello hay que identificar primero estas zonas atendiendo a la clasificación que a continuación se detalla, sin que la relación sea limitativa. De manera paralela hay que identificar también puntos que puedan suponer una afección importante para el avance de la avenida: estrechamientos, puentes, presas, etc. • Afecciones graves a núcleos urbanos: Núcleo urbano: Conjunto de al menos diez edificaciones, que estén formando calles, plazas y otras vías urbanas. Por excepción, el número de edificaciones podrá ser inferior a 10, siempre que la población de derecho que habita las mismas supere los 50 habitantes. Afección grave a un núcleo urbano: afectar a más de 5 viviendas habitadas y que represente riesgo para las vidas de los habitantes, en función del calado y la velocidad de la onda. Se han de identificar municipios cuyo ámbito territorial pueda verse afectado en un intervalo de tiempo de dos horas o inferior, contando desde el momento


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hipotético de la avenida, ya que éstos deberán de tener un plan de actuación en caso de avenida extrema. • Número reducido de viviendas: Se considera número reducido de viviendas el comprendido entre uno (1) y cinco (5) viviendas habitadas. • Pérdida incidental de vidas humanas: Presencia ocasional y no previsible, en el tiempo, de la persona en la llanura de inundación. • Servicios esenciales: Aquellos que son indispensables para el desarrollo de las actividades humanas y económicas normales del conjunto de la población. Se considerará servicio esencial aquel del que dependan, al menos, del orden de 10.000 habitantes. En cuanto a la tipología de los servicios esenciales, estos incluyen, al menos, las siguientes: • Abastecimiento y saneamiento • Suministro de energía • Sistema sanitario • Sistema de comunicaciones • Sistema de transporte • Daños Materiales: Los daños materiales se evaluarán en función de las siguientes categorías: • Daños a industrias y polígonos industriales • Daños a las propiedades rústicas • Daños a cultivos • Daños a las infraestructuras La evaluación de los daños materiales potenciales a efectos de clasificación estará en la práctica, en la mayor parte de las ocasiones, asociada a los restantes aspectos. Solamente en casos muy concretos y dudosos puede tener cierta relevancia para la clasificación. • Daños medioambientales: Se considerarán como elementos susceptibles de sufrir daño medioambiental únicamente aquellos elementos o territorios que gocen de alguna figura legal de protección a nivel estatal o autonómico (bien de interés cultural, parque nacional, parque natural, etc.).


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• Obstrucciones en el cauce y fenómenos locales: A partir del análisis de la geometría del valle y de la visita del terreno se localizarán las obras singulares que por su importancia pudieran producir obstrucciones significativas en el cauce o dar lugar a fenómenos hidráulicos de naturaleza local que pudieran incidir de manera muy importante en la propagación de la onda. Tal es el caso de terraplenes de infraestructuras viarias y de puentes. En cada caso se analizarán estas circunstancias y en general se considerará que estas estructuras rompen cuando el nivel de las aguas alcance la cota superior del tablero o la cota de coronación del terraplén, esto es, cuando se empiece a producir vertido sobre ellos. Únicamente se considerará significativa la incidencia de la obstrucción en la onda cuando simultáneamente se presenten las dos circunstancias siguientes: • Representa una obstrucción importante, que, expresada como relación de superficies obstruidas y total del cauce atravesado, es superior al 20%. • Su obstrucción crea un embalse temporal de magnitud relativa importante, que, respecto al volumen de la onda de la avenida, representa más del 5%. Caso de no producirse alguna de estas circunstancias, podrá establecerse, en general, el régimen hidráulico sin considerar su existencia. 6.6 TIPO DE MODELO “El modelo debe ser completo, considerando las características reales del movimiento en régimen variable de la onda, así como los posibles efectos de las secciones hidráulicas agua abajo en la propagación agua arriba del movimiento” El modelo será dinámico, es decir, teniendo en cuenta como variable el tiempo y en contraposición al análisis en régimen permanente o variado, ya que incluso en aquellos posibles casos en que la previsión de niveles máximos pudiera abordarse mediante análisis más simples es preciso un análisis temporal, derivado de la necesidad de evaluar el tiempo de llegada de la onda. El modelo ha de ser completo en contraposición a simplificado, resolviendo directamente las ecuaciones dinámicas del movimiento, ya que, en general, la aproximación que representan estos modelos simplificados no puede considerarse suficiente para elaborar la zonificación territorial Como consecuencia de lo expuesto, en general únicamente pueden considerarse como válidos aquellos modelos que resuelven las ecuaciones de Saint Venant de movimiento gradualmente variable mediante métodos numéricos suficientemente contrastados y validados”


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HEC-RAS permite el cálculo en régimen variable y resuelve las ecuaciones de Saint Venant completas mediante el método de diferencias finitas implícitas utilizando el esquema de Preissmann, por lo tanto cumple estos requisitos. 6.7 TIPO DE RÉGIMEN “En general, en el análisis hidráulico de la onda coexisten simultáneamente tramos en los que los regímenes son subcrítico y supercrítico alternativamente, no manteniéndose constante en el tiempo la posición espacial de la transición. Como consecuencia, el modelo permitirá el análisis simultáneo de los regímenes subcrítico y supercrítico con transición no fija, salvo en casos muy especiales en que pueda establecerse a priori que no existe cambio de régimen o que éste se asocia a una sección determinada, constante en el tiempo”. HEC-RAS permite la alternancia de régimen crítico y subcrítico en la misma simulación. Para ello utiliza el método LPI (Local Partial Inertia), que añade un término a las ecuaciones para reducir los términos de inercia cuando el número de Froude se acerca a la unidad y por tanto habrá un cambio de régimen y una posible discontinuidad. Este método hace posible que el modelo no se vuelva inestable ante una discontinuidad del flujo a costa de una pérdida de precisión de resultados donde ésta se produzca.

Figura 6.1 Opciones de régimen variable i régimen m ixto


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Opciones para régimen variable Opción para régimen mixto 6.8 TIPO DE FLUJO “En general, serán preferibles los modelos unidimensionales o los bidimensionales, ya que aquellos proporcionan precisión suficiente mientras que éstos, aparte de introducir una gran complejidad adicional, no sólo modelística sino también de disponibilidad de datos básicos (topografía, rugosidades direccionales, etc.), suelen obligar a simplificaciones adicionales para tener en cuenta la segunda dimensión. En muchas ocasiones aparece en el análisis unidimensional la necesidad de tomar en consideración, aun cuando sea de manera aproximada, efectos bidimensionales. Los programas actuales suelen abordar este problema mediante dos técnicas diferentes: la consideración específica de llanuras de inundación y las denominadas aproximaciones quasibidimensionales” HEC-RAS tiene la capacidad tanto de considerar llanuras de inundación mediante la creación de zonas “ineffective flow” (zonas donde el agua es almacenada pero no fluye) como de considerar aproximaciones quasibimensionales mediante estructuras laterales (“lateral structure”), áreas de almacenamiento de agua (“storage áreas”) y conexiones entre éstas áreas(“storage área connection”).

Figura 6.2 Opciones para aproximaciones quasibidime nsionales


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Figura 4.3 Opciones para simular llanuras de inunda ción

6.9 OTROS ASPECTOS “Aun cuando aparentemente no tengan incidencia en la calidad de los resultados, existen otros factores a tener en cuenta, relativos a la facilidad del manejo del programa, que, en la práctica, inciden de una manera apreciable. Desde este punto de vista, se tendrán en cuenta, a la hora de seleccionar el programa, criterios tales como lo amigabilidad, el tipo y forma de introducción de datos, la potencia de los posibles preprocesadores, las posibilidades de comprobación de datos y de seguimiento del proceso de cálculo, la potencia de los posibles postprocesadores y la forma de presentación de los resultados” Desde este punto de vista HEC-RAS es una herramienta especialmente potente ya que su funcionamiento en entorno Windows lo hace muy amigable y facilita mucho todas las operaciones de introducción de datos. Si se combina la potencia de HEC-RAS con la de programas GIS mediante la aplicación HEC-GeoRAS el tratamiento de datos, tanto de entrada como de salida del programa, resulta muy amigable e intuitivo consiguiendo resultados con una alta calidad de presentación. 6.10 ESTABILIDAD DEL MODELO En un caso como el que estamos tratando –avenida extrema- donde el tipo de flujo será con toda seguridad rápidamente variable, es muy útil conocer qué


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factores son los que podemos modificar en el modelo HEC-RAS, normalmente con pérdida de precisión o bien con aumento del coste computacional, para intentar que nuestro modelo se estabilice. En el Manual del Usuario de HEC-RAS pueden consultarse en detalle todos los factores que intervienen en la estabilidad del modelo. A continuación se relacionan algunos de ellos y se resalta la importancia de aquellos que durante la elaboración del presente trabajo se han revelado como especialmente importantes: 1. Distancia entre secciones transversales: a menos distancia entre secciones mayor estabilidad del modelo a costa de más tiempo de cálculo. 2. Intervalo de cálculo: a menor tiempo mayor estabilidad y mayor tiempo de cálculo, en el caso que se ha tratado en esta tesina ha sido necesario reducir el intervalo hasta 1 segundo. 3. Periodo de “Warm up” (Run→Unsteady Flow Analysis→Options→ Calculation Options and Tolerances): consiste en una aproximación a la solución final mediante una simulación previa en régimen permanente. Se ha podido comprobar que esta es una herramienta muy útil para conseguir un modelo estable. 4. Local Partial Inertia (LPI): HEC-RAS incorpora el tratamiento para resolver inestabilidades provocadas por la onda de choque en su formulación mediante el Local Partial Inertia (LPI); este método incluye en su formulación el factor “Exponent for Froude number reduction factor” (factor m), un valor de m=1 nos dará resultados lo más estables posible, para modificarlo hemos de seguir la siguiente ruta: Run→Unsteady Flow Analysis→Options→ Mixed Flow Options. Este factor es muy importante para conseguir un modelo estable. 5. “Theta weighting factor”→ Es un factor de ponderación que se aplica a las ecuaciones en diferencia finitas usadas para el cálculo en régimen variable para conseguir un modelo más estable. Podemos fijar el valor de este factor entre 0,6 y 1. Un valor de 1 nos dará unos resultados lo más estables posible y un valor de 0,6 nos dará unos resultados lo más precisos posible. Podemos realizar nuestra simulación con factor de 1 y luego ir bajando; si el resultado no varía es mejor dejar el valor de 1 para que nuestro modelo sea lo más robusto posible. 6. “Weir and Spillway stability factors”→ Los vertederos y aliviaderos pueden ser una fuente de inestabilidades. Esto se puede solucionar disminuyendo el tiempo de cálculo o usar los Weir and Spillway stability factors, que pueden suavizar las inestabilidades reduciendo los caudales de cálculo en estos puntos. El uso de estos factores puede reducir la precisión de los resultados. Si fijamos el valor de estos factores a 1 no estaremos reduciendo el caudal y la solución será la más precisa. Si aumentamos el valor de este factor hasta un valor máximo de 3 estaremos aumentando la


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estabilidad del modelo a base de una reducción de caudal y disminuyendo por tanto la precisión. 7. “Weir and Spillway submergence factors”→ Cuando un vertedero o aliviadero esta sumergido puede dar problemas de estabilidad, especialmente si estamos trabajando con grandes caudales. Si fijamos el valor de estos factores a 1 la solución será la más precisa. Si aumentamos el valor de este factor hasta un valor máximo de 3 estaremos aumentando la estabilidad del modelo y disminuyendo la precisión. 8. En el menú que nos aparece si entramos en Run→Unsteady Flow Analysis→Options→ Calculation Options and Tolerances se encuentran el resto de parámetros que podemos modificar para intentar estabilizar el modelo, de entre ellas se ha comprobado la gran influencia de la precisión en el perfil de lámina de agua que queramos obtener. En los casos más extremos de avenidas muy rápidas con gran cantidad de agua esta precisión llega a ser de tan solo 1 metro, si bien cabe destacar que los calados que adquiere la lámina de agua son del orden de 15,5 metros. En general para las diferentes avenidas que se han simulado la tolerancia en la cota de lámina de agua se ha situado entre el 5% y el 10% del calado del frente de onda obtenido en la simulación. A continuación se adjunta una imagen del citado menú con todos los parámetros fijados a un valor para permitir la máxima estabilidad:


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Figura 6.4 Parámetros y tolerancias de cálculo 6.11 LIMITACIONES DE HEC-RAS Las limitaciones de HEC-RAS para el estudio de inundaciones debidas a una avenida histórica, tal como se ha expuesto en el trabajo, son básicamente las siguientes: ● HEC-RAS es un modelo unidimensional, por lo tanto, todo y que incorpora entre sus capacidades la posibilidad de realizar modelizaciones quasibidimensionales bien sea con zonas donde se considera que no hay flujo o con zonas de almacenamiento de agua, los resultados que se obtengan en zonas donde el flujo sea marcadamente bidimensional (grandes llanuras de inundación) no serán todo lo rigurosos que sería deseable. ● Como todos los métodos que utilizan esquema de diferencias finitas implícitas (en este caso el de Preissmann) éstos tienen problemas de estabilidad donde el flujo sea rápidamente variable. HEC-RAS resuelve este problema mediante el método LPI pero hay que tener en cuenta que esto resta precisión a la solución que obtengamos.


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7 METODOLOGÍA A SEGUIR PARA REALIZAR UNA SIMULACIÓN UTILIZANDO HEC-GEORAS PARA ARCVIEW 7.1 INTRODUCCIÓN

Para el presente trabajo se ha elegido el Río Usumacinta, situada en el sur de México y parte de Guatemala, para aplicar el módulo de avenida extrema del modelo HEC-RAS y probar su capacidad para interactuar con ArcView a través de la aplicación HEC-GeoRAS. Como se ha introducido anteriormente se irán detallando todos los pasos seguidos para realizar la simulación con el objetivo de que este documento sirva de guía a cualquiera que esté interesado en realizar simulaciones con estas herramientas. El caso que aquí se presenta es sencillo en comparación con lo que podría llegar a modelarse: varios cauces, rotura encadenada de presas y un largo etcétera, pero debido a la vocación de introducción que tiene este trabajo se ha considerado oportuno no complicar en exceso la simulación. Existe más información para abundar en las posibilidades de los distintos programas en la bibliografía que se adjunta al final del trabajo. 7.1.1 OBJETIVOS GENERALES

Modelar el comportamiento hidráulico de manera numérica, unidimensional del Río Usumacinta en el tramo encauzado en la parte baja de la cuenca para conocer el calado de inundación que se presentaría bajo condiciones de la avenida máxima del año 2008.

7.1.2 OBJETIVOS PARTICULARES

Utilizar los siguientes programas, HEC-RAS, ArcView y HEC-GeoRas para la modelación en el tramo encausado en la parte baja del Usumacinta.

Diseñar un procedimiento para el proceso de modelación del río Usumacinta

Elaborar mapas de riesgo, en los cuales demos a conocer las zonas de inundación 7.1.3 SOFTWARE Para este trabajo se ha utilizado el siguiente software: ● HEC-RAS 3.1.1 ● ArcView GIS 3.2


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● HEC-GeoRAS 3.1.1 HEC-GeoRAS es una extensión para usar con ArcView específicamente diseñada para procesar datos georeferenciados para usar posteriormente con HEC-RAS. HEC-GeoRAS crea un archivo para importar a HEC-RAS datos de geometría del terreno incluyendo cauce del río, secciones transversales, etc. Información sobre estructuras hidráulicas –puentes, etc- no puede importarse desde ArcView mediante HEC-GeoRAS y debe añadirse a la simulación desde HECRAS. Posteriormente los resultados obtenidos de calados y velocidades se exportan desde HEC-RAS a ArcView y pueden ser procesados para obtener mapas de inundación y riesgo. HEC-GeoRAS 3.1 está diseñado para utilizarse con la versión 3.2 de ArcView GIS o superior, el cual debe incorporar la extensión 3D Analyst 1.0. Aunque no es estrictamente necesaria, la extensión Spatial Analyst hace más rápidas las operaciones de post-proceso de datos.

HEC-GeoRAS solo funciona con Windows 95/98/NT/2000/XP. Para poder aprovechar todas las funciones de HEC-GeoRAS 3.1 se requiere su uso con HEC-RAS 3.1. 7.1.4 RESUMEN DE LOS PASOS A REALIZAR Se detallan a continuación a modo de resumen los pasos a seguir para realizar una simulación hidráulica de un río con las herramientas descritas en el apartado anterior. A lo largo del presente capítulo se desarrollan todos los puntos que aparecen en el siguiente listado: PREPROCESO: 1. Crear archivo ArcView. 2. Añadir un Modelo Digital del Terreno en formato TIN (Triangulated Irregular Network). 3. Dibujo del cauce. 4. Dibujo de “banks”: delimitación del cauce principal. 5. Dibujo de “flowpaths”: zonas por donde prevemos que le circulará preferentemente tanto por el cauce principal como por las llanuras de inundación. 6. Creación de secciones transversales. 7. Creación de cauce 3D a partir del cauce que hemos creado en planta con la TIN. 8. Creación de secciones transversales 3D (de forma análoga). 9. Crear archivo para exportar a HEC-RAS.


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CÁLCULO CON HEC-RAS: 10. Importar geometría desde HEC-RAS. 11. Simular avenida extrema. 13. Editar los datos necesarios para el cálculo en régimen variable (condiciones de contorno, caudal de entrada, duración de la simulación, etc.). 14. Realizar simulación con HEC-RAS. 15. Exportar resultados de HEC-RAS a ArcView. POST-PROCESO: 16. Abrir el fichero de resultados desde ArcView. 17. Crear mapas de inundación y de velocidades. 18. Combinar datos de calado y velocidad para obtener mapas de riesgo.

7.2 CREACIÓN DE UN ARCHIVO ARCVIEW Al abrir ArcView nos aparece la ventana siguiente, donde podemos elegir entre abrir un archivo existente, abrir un archivo en blanco o abrir un nuevo archivo directamente con una nueva vista:

Figura 7.1 Creación archivo ArcView (1/2)


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Si abrimos el programa con la opción “as a blank project” (como un proyecto en blanco) nos aparecerá la siguiente pantalla:

Figura 7.2 Creación de archivo ArcView

Lo primero para empezar a trabajar con ArcView es asegurarnos que las extensiones que necesitamos están activadas:


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Figura 7.3 Activación de extensiones

Vista de las diferentes extensiones:


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Figura 7.4 Activación de extensiones

Una vez comprobado que todas las extensiones están activas creamos una nueva vista. Del menú de iconos de la izquierda seleccionamos “Views” y luego “New”. Ahora tenemos una nueva vista creada y abierta, que por defecto se llama “View1”:

Figura 7.5 Creación nueva vista ArcView Para editar las propiedades de la nueva vista hemos de entrar en la opción: View→Properties

Figura 7.6 Edición vista de ArcView Aquí podemos renombrar nuestra vista (en el ejemplo que se adjunta la vista se ha llamado “Demo”) y asignar las unidades en las que vamos a trabajar con nuestros archivos de terreno, etc. (normalmente metros).


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Figura 7.7 Edición vista de ArcView

7.3 OBTENCIÓN DE UN MDT EN FORMATO TIN HEC-GeoRAS requiere un modelo digital del terreno (MDT) en forma de TIN (Triangulated irregular network). En este trabajo se ha obtenido una TIN a partir de un archivo de CAD, con lo cual queda recogido un caso muy habitual en los casos cotidianos en los que no se dispondrá de un modelo digital del terreno directamente. El archivo de CAD que se utilice es imprescindible que esté en 3D, es decir que sus curvas de nivel tengan asociada la propiedad de cota. En caso de disponer directamente de una TIN pueden obviarse los pasos previos para su obtención que aquí se recogen. 1. Convertir el archivo de CAD (normalmente AutoCAd o MicroStation) a formato dxf. En este paso hay que ser especialmente cuidadosos y perder un tiempo si es necesario en dejar el dibujo lo más “limpio” posible: lo ideal es dejar el dibujo solo con curvas de nivel, sin números ni textos, ya que estos elementos dificultan la creación de una buena TIN. 2. Importar desde ArcView el archivo dxf. Para realizar esta operación es imprescindible disponer de la extensión CAD Reader para ArcView. Debemos importar solo las líneas del dibujo dxf. Para añadir “capas” a nuestro proyecto hemos de usar la orden Add Theme (añadir tema):


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Figura 7.8 Añadir información a la vista de ArcView

Una vez clicamos en Add Theme hemos de buscar nuestro archivo dxf e importar solo las curvas de nivel. Esto se hace seleccionando dentro del menú desplegable que nos aparece si ciclamos encima del icono con fondo amarillo que aparece al lado del nombre del archivo dxf (en nuestro caso “terreno”):

Figura 7.9 Añadir archivo dxf a la vista de ArcView

Ahora ya hemos importado el archivo dxf y lo tenemos en nuestro proyecto ArcView. Para poder convertirlo en una TIN primero debemos convertirlo en una “shape” (“capa” de ArcView):


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Figura 7.10 Convertir archivo dxf a archivo shapefi le

ArcView nos pedirá donde lo queremos guardar y con qué nombre:

Figura 7.11 Convertir archivo dxf a archivo shapefi le

Los colores en que aparecen las shapes pueden cambiarse fácilmente haciendo doble clic encima del icono de la columna de la izquierda. Nos aparecerá una nueva ventana. Nuevamente hacemos doble clic en la ventana “Symbol” y nos aparece una nueva ventana donde podemos cambiar el tipo y el color de las líneas.


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Figura 7.12 Edición de archivo shapefile

El siguiente paso es convertir el shape que hemos creado con el terreno en una TIN. Para ello hemos de utilizar la opción Surface→Create TIN from Features.


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Figura 7.13 Creación de TIN a partir de shapefile

Nos aparecerá una ventana en la que hemos de seleccionar “Elevation” dentro del menú “Height source”:


Nos aparecerá una ventana en la que hemos de seleccionar “Elevation” dentro del menú “Height source”:


ArcView nos preguntará por el nombre que queremos dar a la TIN y dónde queremos guardarla:


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Una vez creada la TIN tendrá un aspecto similar a éste:

Figura 7.16 Vista de TIN Para que el dibujo sea más claro es recomendable desactivar las curvas de nivel (las que aparecen en azul). Esto lo conseguiremos haciendo doble clic en el icono de la TIN del menú de la izquierda y desactivando la casilla “Lines” de la ventana que nos aparecerá.


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Figura 7.17 Edición de TIN

Una vez realizados todos los pasos la TIN tendrá este aspecto:

Figura 7.18 Vista de TIN editada

Tener activa la TIN es poco recomendable ya que lleva mucho tiempo cargar


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su imagen. De cara a trabajar es mucho más recomendable tener como fondo de imagen el “shape” que hemos creado con el terreno. 7.4 Creación de archivo de intercambio para importa r a HEC-RAS Para crear el archivo de intercambio para importar datos a HEC-RAS básicamente hemos de seguir el menú “preRas” en el orden de arriba hacia abajo.

El primer paso es la creación del cauce de nuestro río:

Figura 7.19 Dibujo del cauce Se nos pedirá el nombre que queremos dar al archivo y dónde queremos guardarlo:


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Figura 7.20 Dibujo del cauce

Lo siguiente es la creación del cauce mediante el dibujo de una poli línea.

Figura 7.21 Dibujo del cauce El siguiente paso es la creación de los “banks”, que delimitará el cauce principal frente a las llanuras de inundación. Hemos de ser cuidadosos en este punto ya que la posición donde pongamos los “banks” tendrá una repercusión en el cálculo de la rugosidad, ya que HEC-RAS trata de diferente forma al cauce principal que a las llanuras de inundación. Se da el caso que una misma sección con los mismos coeficientes de rugosidad obtendría una rugosidad media diferente colocando los “banks” en distintas posiciones.


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Figura 7.22 Dibujo de “banks”

Detalle de cauce (azul) y banks (rojo):

Figura 7.23 Vista de “banks” Lo siguiente es la creación de los “Flowpaths”, que indican las zonas por donde prevemos que el agua circulará preferentemente por el cauce principal y las dos llanuras de inundación. Los “Flowpaths” serán utilizados por HEC-GeoRAS para determinar las distancias entre secciones tanto en el cauce principal como en las llanuras de inundaciones.


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Figura 7.24 Dibujo de “flowpaths”

Detalle de “Flowpaths”:

Figura 7.25 Vista de “flowpaths” El próximo paso es la creación de las secciones transversales. La elección de los puntos donde ubicaremos las mismas debe tener en cuenta los siguientes aspectos: ● Debemos recoger información de puntos singulares como por ejemplo estrechamientos. ● La separación de las secciones estará en función de la uniformidad de la geometría: a más uniformidad más distancia entre secciones. ● En los sitios donde preveamos una inestabilidad en el flujo (p.e cambio brusco en el fondo del lecho) nos interesará obtener secciones con poca separación entre ellas ya que eso influirá positivamente en la estabilidad del modelo. Si no hacemos esto podemos posteriormente añadir secciones interpoladas pero la información no ajustará tanto a la realidad.


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Figura 7.26 Creación de secciones transversales

Detalle de secciones transversales (“XS Cut Lines”):

Figura 7.27 Vista de secciones transversales


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Hasta ahora hemos dibujado el cauce, los banks, los Flowpaths y las secciones transversales, pero todos ellos son dibujos en 2D. Para pasar la información a HEC-RAS necesitamos tener información en 3D. Hec-GeoRAS genera un cauce y unas secciones transversales en 3D siguiendo los pasos que se detallan en las figuras que aparecen a continuación.

Figura 7.28 Creación de cauce 3D



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Figura 7.31 Creación de secciones transversales 3D


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Figura 7.32 Creación de secciones transversales 3D Para configurar todos los datos necesarios para la creación del archivo para importar a HEC-RAS hemos de seleccionar preRas→Theme Setup:

Figura 7.33 Configuración archivo para importar geo metría a HEC-RAS


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Nos aparecerá la siguiente ventana, donde hemos de especificar el TIN que usaremos, el nombre del archivo que crearemos y hemos de asegurarnos que los archivos de cauce, secciones transversales, banks... sean correctos.

Figura 7.34 Configuración archivo para importar geo metría a HEC-RAS Una vez comprobado todo hemos de seleccionar preRas→Generate RAS GIS Import File.

Figura 7.35 Configuración archivo para importar geo metría a HEC-RAS


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Ya tenemos nuestro archivo listo para ser importado desde HEC-RAS.

7.5 SIMULACIÓN DE AVENIDA EXTREMA CON HEC-RAS 7.5.1 Importar Geometría Desde ArcView Desde HEC-RAS hemos de entrar en Edit→Geometric Data y posteriormente en File→Import Geometric Data→GIS Format.

Figura 7.36 Importar geometría desde HEC-RAS Nos aparecerá la siguiente pantalla, donde hemos de elegir entre SI (sistema de unidades internacional) y US (unidades estados unidos).


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Figura 7.37 Importar geometría desde HEC-RAS

En el siguiente paso hemos de elegir el río y tramo que queremos importar.

Figura 7.38 Importar geometría desde HEC-RAS La última ventana que nos aparece antes de importar la geometría nos permite configurar algunos parámetros como el número de decimales que queremos en las secciones, etc. Podemos dejarlo todo como está por defecto y el programa funcionará correctamente.


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Figura 7.39 Importar geometría desde HEC-RAS

Una vez importada, la geometría tendrá un aspecto similar a este:

Figura 7.40 Vista de geometría importada desde HEC- RAS En este caso se ha optado por interpolar secciones con una distancia máxima de 30 metros, obteniendo la siguiente geometría:


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Figura 7.41 Geometría con secciones interpoladas

El siguiente paso es configurar los datos para la simulación en régimen variable: Edit→Unsteady Flow Data.

Figura 7.46 Configuración simulación en régimen var iable

Nos aparecerá la pantalla siguiente, donde hemos de fijar las condiciones de contorno y las condiciones iniciales. En este caso se ha fijado como condición de contorno aguas arriba una entrada de caudal constante de 1 m3/s y una pendiente de un 2% aguas abajo para el cálculo del calado en ese punto con la fórmula de Manning. Como condición inicial se ha fijado un caudal de 1 m3/s. Toda la información sobre todas las condiciones de contorno posibles aparece en el manual del usuario de HEC-RAS.


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Figura 7.47 Condiciones de contorno. Hidrograma de entrada

Detalle de la pantalla donde hemos de introducir el hidrograma de entrada:

Figura 7.48 Condiciones de contorno. Hidrograma de entrada


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Detalle de la pantalla donde hemos de introducir las condiciones iniciales:

Figura 7.49 Condiciones de contorno

Detalle de la pantalla donde hemos de introducir la pendiente para la condición de contorno aguas abajo:


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Figura 7.50 Condición de contorno aguas abajo. Pend iente del cauce Una vez fijadas las condiciones de contorno hemos de configurar los parámetros necesarios para una simulación en régimen variable: Run→Unsteady Flow Analysis.

Figura 7.51 Configuración de parámetros de cálculo

Los parámetros que hemos de introducir son los siguientes: • Fecha y hora de inicio de la simulación (con el formato que aparece en la imagen: ejemplo,28 de junio de 2005 a las 08:00 h) • Fecha y hora de final de la simulación. • Tiempo de paso para los cálculos. • Intervalo de tiempo entre el cual queremos que calcule un hidrograma. • Intervalo de tiempo entre el cual queremos que nos de resultados de salida de un hidrograma (normalmente coincidirá con el anterior).


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Figura 7.52 Configuración de parámetros de cálculo

De cara a simulación de inundaciones nos será interesante obtener valores de velocidad para poder evaluar el riesgo de una inundación como combinación de calado y velocidad. Por defecto HEC-RAS solo nos dará tres valores de velocidad (cauce central y las dos llanuras de inundación), para cambiar esta configuración y que nos proporcione más valores hemos de seleccionar la opción Run→Unsteady Flow Analysis→Flow Distribution. En este caso se ha configurado para obtener quince valores: cinco en el cauce principal y cinco en cada llanura de inundación.


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Figura 7.53 Opciones para obtención de velocidades

Un valor que podemos modificar, especialmente si tenemos problemas de estabilidad del modelo, es el exponente m del método Local Partial Inertia (LPI) para reducir los términos de inercia de la ecuación de Saint Venant en los sitios donde se produce cambio de régimen hidráulico. Para hacerlo entramos en Run→Unsteady Flow Analysis→Mixed flow Options. Un valor de m=1 nos proporcionará resultados lo más estables posible:


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Figura 7.54 Configuración factor “m” del método LPI Podemos configurar varios parámetros para cada simulación en concreto, que será necesario modificar especialmente si el modelo tiene problemas de estabilidad. En la siguiente figura aparece la pantalla que nos aparecerá en Run→Unsteady Flow Analysis→Calculation Options and Tolerances.

Figura 7.55 Configuración de parámetros y toleranci as de cálculo

La siguiente pantalla es la que nos aparecerá cuando hayamos iniciado una simulación:

Figura 7.56 Vista de la pantalla de HEC-RAS durante el cálculo


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7.6 EXPORTAR RESULTADOS DE HEC-RAS A ARCVIEW Para crear el archivo de intercambio de datos entre HEC-RAS y ArcView hemos de seleccionar File→Export GIS Data:

Figura 7.58 Exportar datos de HEC-RAS a ArcView En el paso siguiente hemos de dar nombre al archivo de salida y especificar donde se va a guardar el fichero. También hemos de seleccionar qué archivos de salida queremos importar a ArcView de todos los que hayamos creado durante la simulación y especificar si queremos importar también los datos de velocidad (por defecto los datos de velocidad no se exportan):

Figura 7.59 Exportar datos de HEC-RAS a ArcView


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Una vez creado el fichero de intercambio HEC-RAS→ArcView abrimos este último y clicamos en postRas→Theme Setup:

Figura 7.60 Importar datos desde ArcView

Nos aparecerá la ventana siguiente, donde hemos de especificar: • Nombre del archivo de intercambio de HEC-RAS del que queremos obtener la información. • TIN que vamos a usar (normalmente la misma que hemos usado durante la creación del archivo para importar a HEC-RAS). • Directorio donde vamos a guardar los datos de salida: es importante poner solo el nombre del directorio, no la ruta entera (p.e. en el caso que queramos guardar los datos en C:\Demo\Post solo hemos de poner Post). Es importante que todas las carpetas de la ruta no contengan más de ocho caracteres y no contengan espacios ya que esto puede dar lugar a problemas con ArcView. • Por último debemos dar una medida (en las unidades del proyecto, normalmente metros) con la que queremos la precisión de salida de datos (mapas de calados y velocidades). Es importante no excederse con la precisión si no es imprescindible ya que si no todos los cálculos para mapas de calados y velocidades tardarán mucho tiempo en crearse.


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Figura 7.61 Importar datos desde ArcView

Una vez todo configurado clicamos en postRAS→Read RAS GIS Export File.

Figura 7.62 Importar datos desde ArcView Los datos ya han sido pasados de HEC-RAS a ArcView. 7.7 TRATAMIENTO DE RESULTADOS CON ARCVIEW Para crear mapas de inundación el primer paso es crear una TIN con la lámina de agua clicando en postRAS→WS TIN Generation.

Figura 7.63 Creación de TIN con cotas de lámina de agua


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El programa nos pedirá que escojamos de qué archivo de salida queremos crear la TIN:

Figura 7.64 Creación de TIN con cotas de lámina de agua Una vez creada la TIN podemos modificarla para que su presentación en pantalla sea mejor estéticamente con las herramientas que se muestran a continuación:

Figura 7.65 Edición de TIN


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Una vez tenemos la TIN con las cotas de superficie de lámina de agua hemos de activar la función postRAS→Floodplain Delination.

Figura 7.66 Creación de mapa de calados y mancha de inundación

Esto nos creará una “capa” con calados (la TIN que teníamos tenía cotas absolutas) y otra “capa” con lo que podríamos denominar mancha de inundación.

Imagen de la capa de calados:

Figura 7.67 Vista de mapa de calados


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Imagen de la mancha de inundación:

Figura 7.68 Vista de mancha de inundación Para obtener gráficamente los datos de velocidad lo primero que tenemos que hacer es seleccionar postRAS→Velocity TIN Generation.

Figura 7.69 Creación de TIN de velocidades


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Debemos escoger el archivo de salida del que queremos obtener los datos de velocidad:

Figura 7.70 Creación de TIN de velocidades

La TIN que obtendremos tendrá un aspecto como este:

Figura 7.71 Vista de TIN de velocidades


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El siguiente paso es postRAS→Velocity Grid Generation. Obtendremos la capa con velocidades que nos interesa:

Figura 7.72 Vista de mapa de velocidades 7.8 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS La opción de ArcView para configurar la impresión de resultados es View→Layout.

Figura 7.76 Creación de Layout. Archivo de impresió n


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Cada “Layout” es una configuración de impresión que podemos guardar. ArcView nos da la opción de cambiar textos de leyenda, escala del plano, etc.

Figura 7.77 Creación de Layout. Archivo de impresió n (2/2)

Vista de la edición de un “Layout”.

Figura 7.78 Edición de Layout


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8 ELABORACIÓN DE MAPAS DE RIESGO 8.1 INTRODUCCIÓN Hasta ahora se han expuesto los pasos necesarios para obtener los datos de calados y velocidades de la onda de avenida creada por la avenida extrema. Estos datos por sí solos no son suficientes para el objetivo que se persigue de conocer las consecuencias que tendría la avenida sobre las zonas de riesgo (poblaciones, servicios esenciales, etc). Un estudio hidráulico de este tipo debe concluir qué zonas son realmente peligrosas: por ejemplo un pueblo puede quedar totalmente inundado con un calado de 20 cm y una velocidad mínima o puede quedar solo parcialmente inundado pero con calados mayores de 1 metro y velocidades altas. En el primer caso estaríamos en el caso de una inundación sin riesgo grave y en el segundo con riesgo grave. Para alguien que no tenga unos mínimos conocimientos hidráulicos podría parecer viendo el plano de inundación que el primer caso es más peligroso. Estos motivos nos llevan a elaborar mapas de riesgo con el objetivo de que sean realmente útiles para la elaboración por ejemplo de planes de emergencia que a su vez serán utilizados por las autoridades de Protección Civil. Para evaluar el riesgo que supone una inundación disponemos de la siguiente información: • Calado • Velocidad del agua • Importancia del elemento en riesgo (en el aspecto de vidas humanas, aspecto económico, etc). Con estos tres parámetros se puede llegar a varias soluciones para el análisis del riesgo, según la importancia que quiera darse a cada uno de ellos. Diversas administraciones de diversos países llegan a diferentes conclusiones sobre el análisis del riesgo creado por una inundación, aunque en el fondo todas se basan en los tres parámetros antes mencionados dando más o menos importancia a cada uno de ellos. 8.2 METODOLOGÍA ADOPTADA DE RIESGO El criterio de riesgo utilizado en el presente trabajo ha sido el que se puede resumir en los dos cuadros siguientes:


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Para poder crear mapas de riesgo necesitaremos operar con nuestros datos de calados y velocidades. La opción de ArcView para poder operar es: Analysis→Map Calculator.

Figura 7.73 Operaciones con calados y velocidades ( 1/2)

Primero se ha creado una capa con los calados mayores que 1 metro. Esto se hace clicando dos veces en la capa de calados que nos interese, añadiendo la operación que queramos (en este caso “>1”) y seleccionando Evaluate. Si seguimos estos pasos tendremos una nueva capa con los calados mayores a un metro.


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Figura 7.74 Operaciones con calados y velocidades

Análogamente hacemos lo mismo con velocidad>1 y calado x velocidad>0,5 (para este último paso previamente deberemos crear una nueva capa que sea el producto de calado x velocidad). Para conseguir un mapa de riesgo bastará con dejar activadas estas tres capas y la envolvente de las tres en pantalla nos dará el plano de riesgo deseado:

Figura 7.75 Vista de mapa de riesgo

Para conseguir la zona de riesgo moderado basta con repetir la operación pero con los nuevos valores de calado (0,4 m), velocidad (0,4 m/s) y producto de ambos (0,08).


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Para dar prioridad a una capa u otra en pantalla en ArcView basta con poner la que queremos como prioritaria por encima en el menú que nos aparece a la izquierda de la pantalla (ver figura 7.75). Utilizando esta sencilla herramienta podemos crear mapas de riesgo dejando en el fondo la zona de riesgo moderado y en las capas de arriba las capas de riesgo grave. Hay que tener en cuenta que Hec-GeoRAS solo puede importar 10 archivos con datos de calados y velocidades a un mismo proyecto de ArcView. Para elaborar mapas de riesgo necesitaremos datos de calados y velocidades por lo que dispondremos de 5 instantes de la simulación en los que podremos efectuar un análisis del riesgo. Esta limitación no es un problema para elaborar mapas de riesgo siguiendo los criterios establecidos: dos mapas para la primera hora y uno para cada una de las horas siguientes, ya que podemos evaluar simulaciones de hasta 4 horas de duración. De todas formas en caso de necesidad podemos importar más datos a un nuevo archivo de ArcView y superar esta limitación. Para tener un mapa de riesgo que se acerque a lo que sería la envolvente de los mapas de riesgo en cada instante una buena opción es importar el archivo de calados máximos desde HEC-RAS y evaluar en qué zonas los calados son mayores de 0,4 m (zona de riesgo moderado) y de 1 m (zona de riesgo alto). Evaluando las zonas de calado peligroso tenemos un mapa de riesgo que aunque no está completo porque le faltan los datos de velocidad nos acerca mucho al riego real. Utilizando este mapa podemos establecer qué zonas están claramente fuera de riesgo y en aquellos puntos en que la inundación exista pero siguiendo estrictamente los criterios de calado no sea peligrosa podremos evaluar la velocidad puntualmente para ver si la zona esta en riesgo o no según los criterios expuestos anteriormente. En resumen con este mapa podremos saber: 1. Qué zonas quedan inundadas en algún momento. 2. Qué zonas quedan inundadas con calado >0,4 metros, por lo tanto estarán seguro en zonas de riesgo moderado. 3. Qué zonas quedan inundadas con calado >1 metro, por tanto en zona de riesgo alto. En las zonas que quedan inundadas sin riesgo podemos analizar los datos de velocidad para evaluar si ésta es mayor de 0,4 m/s (zona de riesgo moderado) o de 1 m/s (zona de riesgo alto). Esta operación la llevaremos a cabo especialmente en poblaciones en riesgo, afectación a servicios esenciales, etc.


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9 CONCLUSIONES 9.1 CONCLUSIONES GENERALES HEC-RAS posee todas las capacidades necesarias para llevar a cabo una simulación de avenida extrema en las condiciones previstas. En cuanto a facilidad de uso HEC-RAS está a un muy buen nivel gracias a su entorno Windows. A nivel de cálculo HEC-RAS está a la altura de DAMBRK, que ha sido el referente hasta ahora para este tipo de estudios, ya que básicamente usan el mismo esquema de cálculo (Preissmann). Gracias a la aplicación HEC-GeoRAS se pueden combinar los datos de los sistemas de información geográfica (GIS) con HEC-RAS. Esta combinación facilita enormemente el trabajo y lo dota de una mejor calidad de presentación de resultados con un esfuerzo mínimo en comparación con otros métodos tradicionales. Podemos alimentar a HEC-RAS con datos geométricos extraídos de un modelo digital del terreno y posteriormente utilizar los resultados hidráulicos para dibujar mapas de inundación en entorno GIS de forma automática.

9.2 CONCLUSIONES ESPECÍFICAS

Durante la realización del presente trabajo ha podido comprobarse la limitación del modelo a la hora de resolver las ecuaciones del movimiento en condiciones de flujo en régimen rápidamente variable, presentado inestabilidades en el momento de la avenida máxima. Para conseguir un modelo estable ha sido necesario bajar el paso de tiempo de cálculo hasta 1 segundo y reducir la precisión en el cálculo de la lámina de agua. En el caso concreto de este trabajo se ha tenido que usar una tolerancia para el cálculo de la lámina de agua de 1 metro en el caso de onda rápida, si bien teniendo en cuenta que el calado obtenido es del orden de 15 metros y que el objetivo de la simulación no es obtener un mapa de inundación muy preciso sino la identificación de zonas de riesgo esta tolerancia es aceptable. En cualquier caso todos los modelos comerciales disponibles 1D en régimen variable presentarían problemas similares. Se ha conseguido elaborar una metodología para la realización de mapas de riesgo que representan una aproximación a la envolvente de todos los mapas de riesgo que se crearían en cada instante de avance de la onda.


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11 RESUMEN DE RESULTADOS A continuación se presentan solo algunos de los resultados obtenidos, ya que incluir todos los planos y cálculos que deberían adjuntarse en un estudio hidráulico que tenga por objeto la clasificación de la gran avenida en función de su riesgo potencial -o la redacción de un plan de emergencia- supondría un número de planos y listados que dada su poca aportación para el objeto del presente trabajo no se ha considerado oportuno incluir. A destacar que durante la simulación se han llegado a obtener caudales de 29.000 m3/s y velocidades de 25 m/s.

11.1 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS • Zonificación territorial. Delimitación de las áreas de inundación potencial Los planos de zonificación territorial y de delimitación de la zona inundable se elaborarán sobre cartografía oficial entendiendo como tal la editada por el INEGI, CNA y CFE. Como criterio general, se establece que la presentación de resultados se realice en los planos oficiales a escala 1:25.000, y en el caso de que no existan, a escalas superiores comprendidas entre 1:10.000 y 1:25.000, si bien en algún caso muy concreto puede justificarse la utilización de escalas distintas. Sin embargo, hay que tener en cuenta que esta cartografía de base utilizada para la presentación de resultados puede nos ser la utilizada en el estudio y modelización de la propagación de la onda, que en general será realizado con mayor detalle. Como resumen del análisis de la zonificación territorial y de la delimitación de la zonas potencialmente inundables se presentarán en el Capítulo 8 correspondiente de los Planes de emergencia de crecidas, de forma simple y resumida. 1. Mapa con indicación de la envolvente de la zona inundable y de los tiempos de llegada de la onda. En este plano se representará la máxima extensión de la zona potencial de inundación a lo largo del tiempo, y sobre esta zona se reflejará, mediante una línea transversal al cauce la posición del frente de onda en intervalos horarios computados desde el momento del inicio de la avenida, y con la salvedad de que la primera hora se dividirá en dos semi-intervalos de 30 minutos. En estos mapas y en las secciones o zonas significativas de singular importancia, tales como poblaciones, zonas industriales, servicios esenciales, vías de comunicación y en aquellos puntos que han motivado la clasificación del río se indicarán y enmarcarán las cotas de referencia, el calado y cotas máximas, el caudal máximo, la velocidad máxima y los tiempos iniciales y punta de llegada de la onda.


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2. Mapas de inundación progresiva correspondientes a la áreas potencialmente inundables a los 30 minutos, 1 hora y horas siguientes. En estos mapas y en las secciones o zonas significativas o de singular importancia, talos como poblaciones, zonas industriales, servicios esenciales, vías de comunicación y en aquellos puntos que han motivado la clasificación del río se indicarán y enmarcarán las cotas de referencia, los calados y cotas, los caudales y velocidades correspondientes a los máximos relativos asociados a una hora determinada, así como a los tiempos de llegada de la onda y el tiempo punta correspondiente a los máximos relativos temporales. Además de definir las zonas de inundación, en los planos aparecerán reflejados los puntos o zonas significativas o de singular importancia sobre los que se realizará la estimación de Daños o Análisis de Riesgos. Éstos se identificarán claramente con una nomenclatura específica para su referenciación y localización.


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REFERENCIAS United States Soil Conservation Service (USSCS), Nacional Engineering Handbook. 1972. US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center, HEC-RAS River Analysis System Manual del usuario, 2002. Proyecto Conflicto Cooperación Ambiental en Cuencas Internacionales Centroamericanas, Diagnostico Sociambiental de la Cuenca del Río Usumacinta; Investigadotes, Jorge Cabrera, Pedro Cuc. INEGI Información referenciada geoespacialmente integrada en un sistema (IRIS). http://www.imegi.gob.mx Imágenes georeferenciadas http://glcfapp.umiacs.umd.edu:8080/esdi/index.jsp http://gis.ogp.gobierno.pr/ArcTrain_1/Lecturas/TutorialArcGISLecturas.pdf CFE, Subdirección de Construcción Coordinación de Proyectos Hidroeléctricos Gerencia Técnica de Proyectos Hidroeléctricos Subgerencia de Anteproyectos, Centro de Anteproyectos del Golfo Sur.


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BIBLIOGRAFIA US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center, HEC-GeoRAS for support of HEC-RAS using ArcView Manual del usuario, 2002.

Ven Te Chow, 1959, Hidráulica De Canales Abiertos. Ed. Mc Graw Hill.

Gustavo A. Silva Medina, ríos y Corrientes Naturales.

The U.S Army Corps of Enginners, November 2002, River Analysis System, Hidraulic reference Manual, Version 3.1., www.usace.army.mil

Calibración del modelo. http://rai.ucuenca.edu.ec/proyectos/margenes/informe5/calibra_y_ajuste.html

Victor Miguel Ponce, 1989, Engineering Hidrology, Principles and Practices, MacGraw-Hill.

Gilberto Sotelo Avila, hidráulica General, Vol. 1, Limusa, México.


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ANEXO 1 (Figuras)

Nacimiento del Río Usumacinta (Guatemala)


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Zona de Estudio, Boca del Cerro hasta Desembocadura .


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Aportes que Recibe la Cuenca del Río Usumacinta.


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Modelo Digital con Elevación del Río Usumacinta.


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PROYECTO


ASESOR LEONARDO TRAVERSONI DOMINGUEZ

ALUMNO DIEGO IBARRA GUZMAN

14 de Abril de 2009

Ibarra Guzm n Diego 202210611

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Transcript of Ibarra Guzm n Diego 202210611