estudio con metologias practicas manual de recursos hidrico

ACADEMIA INGNOVA Formacin Tcnica y Universitaria www.ingnova.es [email protected]

C/ Manuel Bentez El Cordobs, 17 (Local) 14.005 - Crdoba

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SESIN 4 EJEMPLO 6: DIQUES Y AREAS INEFECTIVAS DE FLUJO

El ejercicio consiste en la proyeccin de un cauce de un rio al cual se le ha realizado el

levantamiento topogrfico de las secciones transversales, desde la estacin 16.16 hasta la estacin 12.59. De acuerdo con la cobertura vegetal, se ha determinado que el cauce del ro tiene un coeficiente de rugosidad de 0.028 mientras que en las llanuras de inundacin tiene un coeficiente de rugosidad de 0.042 en la derecha y de 0.034 en la de la izquierda. Se desea analizar el comportamiento del cauce de un ro para un flujo permanente con caudales de 150 m/s y 800 m/s.

FASES DE TRABAJO CON HEC-RAS

1.- Crear un nuevo proyecto. (File/New Project) 2.- Introducir los datos geomtricos (Edit / Geometric Data) 3.- Introducir datos de caudales y las condiciones de contorno (Edit /Steady (Unsteady) Flow Data) 4.- Crear un Plan de Trabajo y computar los clculos (Run / Steady (Unsteady) Flow Analysis) 5.- Observar los resultados obtenidos (View /varias opciones del men)

CREAR UN NUEVO PROYECTO

Al igual que hemos realizado en los ejercicios anteriores, antes de comenzar con el tercer ejercicio hay que tener en cuenta que cada proyecto de Hec-Ras, est compuesto por varios archivos, por lo que es recomendable guardarlo en una carpeta especfica a tal efecto, de tal forma que si se traslada a otro ordenador, al copiar la carpeta se pueda llevar a todos los archivos del proyecto. Por lo tanto es recomendable crear para cada nuevo proyecto de Hec-Ras una carpeta nueva.

Todos los ejercicios a realizar en este curso, se guardarn en la carpeta en una carpeta

expresa para ello. Para crear un nuevo proyecto, ejecutar la orden: File / New Proyect, tal como se

muestra en la figura 1.

CURSO PRCTICO DE HIDROLOGA

ESTUDIOS DE INUNDABILIDAD



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Figura 1. Creacin de un nuevo proyecto. Una vez seleccionado se abrir la ventana New Project de la figura 2.

Figura 2. Ventana Nuevo Proyecto.

En esta ventana, el orden que se muestra hay que realizar los siguientes pasos: En Selected Folder indicar la carpeta donde se va a guardar el proyecto. En Title colocar el ttulo del proyecto.



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En File Name, colocar el nombre del proyecto, en este caso Ejemplo 06.prj. Cuando se introduce el ttulo del proyecto, la versin 4.1 de Hec-Ras, repite esto como nombre del archivo del proyecto (File Name). Se puede modificar siempre que se desee.

Finalmente hacer clic en el botn OK. INGRESAR LOS DATOS GEOMTRICOS

Ejecutar la orden Edit / Geometric Data

o directamente clic en el icono , con lo que se muestra la ventana Geometric Data de la figura 3.

Figura 3. Ventana Datos Geomtricos.



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CREAR EL TRAMO

En la ventana Geometric Data, en vez de introducir la geometra como en los ejercicios anteriores en el cual dibujbamos el esquema del rio o cauce de tramo a tramo, y para ello

utilizbamos el icono River Reach , y despus introducamos la geometra, esta vez vamos a importarnos la geometra de un archivo de Hec-Ras. Si no se tuviera el archivo de geometra para importar pues se realizara la introduccin de los datos como en el ejercicio 1.

Para ello en la ventana de Geometric Data pinchamos en File y buscamos la opcin

Import Geometry Data de la cual nos emerger una sub-ventana en la cual tendremos que seleccionar Hec-Ras Format tal como se muestra en la figura 4.

Figura 4. Importar geometra Una vez seleccionada esta opcin se nos abrir la ventana de bsqueda de archivos en

la cual seleccionaremos la geometra que vamos a utilizar en el ejercicio 6 y le damos a OK.



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A continuacin, como muestra la figura 5, nos emerge una ventana en la cual nos

pregunta el sistema de unidades a importar, y como venimos utilizando el sistema internacional, seleccionamos en la casilla Import data as la opcin SI y pulsamos a

continuacin el icono

Figura 5. Importar geometra Una vez importado la geometra se nos carga tanto el croquis, como cada una de las

secciones con todos los datos de distancias, n de mannings y dems parmetros tal como se guard en el archivo de secciones del ejemplo mencionado.



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GUARDAMOS LA INFORMACIN DE LAS SECCIONES

Una vez que se hayan importados los datos geomtricos, procedemos a guardar el archivo de secciones importado.

Para guardar la informacin de las secciones, antes de cerrar la ventana Cross

Section Data hay que realizar la accin de guardar la informacin introducida.

Para ello en la ventana Geomtric Data, ejecutar la orden File/Save Geometry Data As...

En la ventana que parece, en el campo Title, escribir el nombre con el cual se quiere nombrar las secciones realizadas, en nuestro ejemplo la nombraremos con el nombre Secciones y luego hacer clic en el botn OK.

Una vez realizado esta accin ya se tiene guardado la informacin de las secciones

transversales, cuyo archivo hemos llamado Secciones. En la ventana Geometric Data se puede observar como se ha cargado correctamente el archivo de geometra tal como se muestra en la figura 6



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Figura 6. Ventana de datos geomtricos.

INTRODUCIR LOS DATOS HIDRULICOS (EN NUESTRO CASO PARA FLUJO PERMANENTE En la pantalla principal de Hec-Ras, ejecutar la orden Edit/Steady Flow Data

O hacer clic en el botn , e inmediatamente emerge la ventana Steady Flow Data, como se muestra en la figura 7.



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Figura 7. Ventana para introducir datos hidrulicos.

Vamos a introducir dos caudales diferentes en este ejercicio. En esta ventana introduciremos los caudales que manejemos en el ejercicio, as como las condiciones de contorno de dichos caudales. Para ello esta ventana nos permite introducir el nmero de perfiles que queramos, en nuestro ejemplo como hemos comentado introduciremos 2, ya Para ello en la casilla

introduciremos 2 siendo la ventana resultante tal como se muestra en la figura 8.

Figura 8. Ventana para introducir datos hidrulicos con 2 perfiles.



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Se pueden definir el nmero de perfiles (hasta 25.000), cada uno de ellos corresponde a un caudal diferente, por lo que podremos introducir hasta 25.000 caudales diferentes para una misma seccin. Cuando ya tenemos etiquetada correctamente nuestros perfiles para el periodo de retorno determinado, introducimos el caudal correspondiente para cada perfil que en este caso son 180 y 800 m/s respectivamente. Como ocurre en las secciones, los datos introducidos para que sean efectuados en las condiciones de contorno deben ser

confirmados, para lo cual hacemos clic en el botn , tal como se muestra en la figura 9.

Figura 9. Ventana introduccin de caudales para 2 perfiles.

Una vez introducido el caudal pasamos a definir las condiciones de contorno para ese caudal dado.

Para ello hacemos clic en ,con lo cual se nos muestra la pantalla de la figura 10.



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Figura 10. Ventana para introducir condiciones de contorno.

El programa Hec-Ras necesita la informacin de las condiciones de contorno en cada tramo, para establecer el nivel de agua inicial en ambos extremos del tramo del rio: aguas arriba (Upstream) y/o aguas abajo (Downstream). En un rgimen subcrtico, las condiciones de contorno slo se necesita en el extremo de aguas abajo (Downstream), en rgimen supercrtico, slo es necesario el de aguas arriba (Upstream) y si se va a calcular en un rgimen mixto, se necesitan en ambos extremos del tramo, como es nuestro caso.

Siempre que no se conozca el tipo de rgimen, es mejor seleccionar el rgimen mixto.

Si se selecciona:

las condiciones de contorno se introducen para todos los caudales a la vez. Con ello se logra que todos los perfiles tengan las mismas condiciones.

, las condiciones se introducen para cada caudal.



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Para el ejemplo que nos atae, como se tiene un solo perfil, es indiferente seleccionar cualquiera de las dos opciones, dejamos el que est por defecto, es decir, Set boundary for all profiles.

Cuando se introduce un caudal en el extremo superior (aguas arriba), el programa

supone el mismo caudal para el resto de secciones dentro de ese tramo del ro, aunque puede cambiarse en cada seccin.

Para el ejemplo, se ha indicado el caudal para la seccin 40, que es la seccin que est situada aguas arriba, as que Hec-Ras supondr que por la seccin 2.5 (aguas abajo) pasa el mismo caudal.

Nivel de agua conocido: adecuado si se conoce un nivel de agua en alguna seccin transversal. Es importante destacar que Hec-Ras exige Nivel, por lo que hay que introducir el tirante ms la cota ms baja de la seccin.

Tirante crtico: adecuado si existe alguna seccin de control para esta opcin no se exige ningn dato adicional. El programa calcula la profundidad crtica para cada uno de los perfiIes y Ia utiliza como condicin de contorno.

Tirante normal: adecuado para situaciones donde el flujo se aproxime al uniforme. Hay que introducir la pendiente del tramo de influencia en decimales.

Curva de caudal: adecuado si existe alguna seccin de control con una relacin entre el tirante y el caudal.

Para el ejemplo que nos atae, se tomar (tirante normal), puesto que se conoce la pendiente de cada tramo que son las mismas del ejercicio 3.

Para ingresar los valores indicados, hacer lo siguiente:



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Con un clic, seleccionar como condicin de frontera Downstream.

Hacer clic en el botn

En la ventana que emerge, introducir el valor de la pendiente.

Hacer clic en el botn OK

Solo introducimos los valores agua abajo porque consideramos que el rgimen es lento.

Despus de este proceso, se obtiene la siguiente tabla como se muestra en la figura 11.

Figura 11 Ventana una vez introducido las condiciones de contorno.



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GUARDAR LOS DATOS HIDRULICOS (PARA FLUJO PERMANENTE)

Una vez introducido los datos indicados, retornar a la ventana Steady Flow Data,

para hacer esto hacer clic en el botn OK de la ventana Steady Flow Boundary Condition. Ejecutar la orden File/Save Flow Data

En la ventana que se abre introducir como ttulo el nombre del archivo que se quiera, para nuestro caso lo llamaremos Flujo y hacemos clic en el botn OK. CREAR UN PLAN Y EJECUTAR EL MODELO (PARA FLUJO PERMANENTE) Para realizar una simulacin hidrulica del cauce, es necesario crear un Plan de Trabajo. Para Hec-Ras un Plan es el conjunto de condiciones elegidas para efectuar los clculos, como son la geometra (tramos y secciones, archivos previamente creado), datos hidrulicos (caudales, archivo previamente creado) y tipo de rgimen (lo que debe estar de acuerdo con las condiciones de contorno especificadas). En la ventana principal del Hec-Ras, ejecutar la orden Run/Steady Flow Analysis(se utiliza esta opcin ya que estamos trabajando sobre un flujo permanente).

O hacer clic al icono .Al realizar esta accin se nos abre la ventana Steady Flow Analisis de la figura 12.



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Figura 12. Ventana para crear Plan y ejecutar el modelo.

Eleccin de los archivos de geometra y de caudal. Si se hubiera introducido varios archivos de geometras (tramos y secciones) y varios archivos de caudales, en esta ventana de puede elegir con cules de ellos se van a ejecutar los clculos. En nuestro caso, solo hemos introducido un archivo para cada uno de esos casos, por lo que Hec-Ras lo muestra por defecto.

Estos archivos: Secciones y Flujo 01, sern los que se utilizarn para la simulacin hidrulica.

Eleccin del tipo de rgimen.

De acuerdo con las condiciones de contorno especificadas, se est trabajando con un rgimen mixto, por lo que se selecciona este tipo de rgimen.



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Crear el Plan. Con los archivos de geometra y caudal, y el tipo de rgimen elegidos, se crea un Plan, para ello ejecutamos la orden File/Save Plan As...

En la ventana que aparece en Title, escribir el nombre del plan, para nuestro ejemplo, ser Plan 01

Al hacer clic sobre el botn OK, se muestra una nueva ventana para ingresar un

identificador del Plan, que para nuestro ejemplo volvemos a poner Plan01 y pulsamos OK. Para que en la ventana de resultados de las secciones nos muestre la lnea del calado crtico, antes de ejecutar la simulacin y computar, tendremos que seleccionar que nos muestre el calado crtico. Para ello nos dirigimos a Options y dentro de las opciones disponibles seleccionamos Critical Depth Output Option, tal como se muestra en la figura 13.



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Figura 13. Ventana seleccionar la visualizacin del calado crtico.

Una vez que sealamos esta opcin nos emerge una ventana en la que tendremos que seleccionar la nica opcin disponible dando lugar, como hemos mencionado anteriormente, a que se visualice la lnea del calado critico en la ventana de resultados y a continuacin presionamos el botn de OK.

Ejecutar la simulacin.

Para ejecutar la simulacin, hacer clic en el botn y cerramos la ventana emergente.

Si no se obtienen mensajes de error, ya se est en disposicin de ver los resultados. Hacer clic en el botn CLOSE para cerrar la ventana.



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OBSERVAR LOS RESULTADOS. Una vez ejecutada la simulacin correctamente, para observar los resultados se puede ejecutar las rdenes del men View, que se muestran en la figura 14.

Figura 14. Opciones del men View Tambin se pueden hacer clic a los iconos siguientes: ICONO RESULTADOS

Secciones transversales (Cross-Sections)

Perfiles de las lminas de agua (Water Surface Profiles)

Grfica de varios parmetros a los largo de todo el perfil (General Profile Plot)

Curvas caudal-elevacin de cada perfil (Rating Curves)

Dibujos en perspectiva (X-Y-Z Perspective Plots)

Hidrogramas de caudal y tirante (solo cuando se ejecutan simulaciones con flujo no permanente) (Stage and Flow Hydrographs)

Grficas de propiedades hidrulicas (Hydraulic Property Plots)

Tabla de detalle (Detailed Output Table)

Tabla de resumen (Profile Summary Table)



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Resumen de errores, avisos y notas (Summary Err, Warn, Notes)

Datos en formato DSS (DSS Data)

Observar secciones transversales

Para esto ejecutar la orden View/Cross Sections o hacer clic en el icono , con lo cual se muestra en la figura 15.

Figura 15. Seccin transversal 16.16 aguas arriba y los dos perfiles dados.

Observar perfil longitudinal

Para esto ejecutar la orden View/Water Surface Profiles o hacen clic en el icono

, con lo cual se muestra la figura 16.



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Figura 16. Perfil longitudinal.

Observar parmetros a lo largo del perfil Para esto ejecutar la orden View/General Profiles Plot o hacer clic en el icono

, tal como se muestra en la figura 17. Del men Standard Plot de esta ventana de resultado, se puede seleccionar el parmetro a observar.



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Figura 17. Variacin de la velocidad a lo largo del perfil

Observar una curva caudal-elevacin.

Para esto ejecutar la orden View/Rating Curveso hacer clic en el icono , con lo cual se muestra la figura 18.



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Figura 18. Curva caudal-elevacin

Observar en perspectiva o 3D.

Para esto ejecutar la orden View/X-Y-Z Perspectiva Plot o hacer clic en el icono

con lo cual se muestra la figura 19.



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Figura 19. Dibujo en perspectiva del tramo

Observar tabla de detalle Para realizar esta accin ejecutaremos la orden View/Detailet Output Tables o

hacer clic en el icono , con lo cual se muestra la figura 20.



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Figura 20. Tabla de detalles para periodo de retorno de 50 aos.

Observar tabla de resumen.

Para ejecutar la orden View/Profile Summary Table o hacer clic en el icono




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Figura 21. Tabla de resumen.

Observar listado de Error, Warnings y Notes.

Para ejecutar la orden View/Summary Err, Warn, Notes) o hacer clic en el icono




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Figura 22. Listado resumen Errors, Warning y Notes.

Interpolar secciones.

Como se puede comprobar en la visualizacin de este ltimo listado, uno de los Warning ms frecuentes es el que nos recomienda la introduccin de ms secciones transversales.

As pues, como nos recomienda el programa vamos a interpolar secciones

transversales en todo el tramo del ro a una distancia de 50 m.

Para ello tendremos que dirigirnos a la ventana de Geometra ejecutando la orden Edit / Geometric Data



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o directamente clic en el icono . Una vez en ella, en la barra de herramientas del programa seleccionamos Tools / XS Interpolation / Whithin a Reach tal como se muestra en la figura 23.

Figura 23. Interpolar secciones.

Una vez realizada esta accin, emerge una ventana en la cual tendremos que introducir la distancia a la que queremos que se introduzcan las secciones interpoladas que en este caso es de 50 m. que introduciremos este valor en

y presionamos tal como se muestra en la figura 24.



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Figura 24. Interpolar secciones. Una vez que interpolemos las secciones cada 50 m, obtendremos el siguiente

resultado en la ventana de Geometra.



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Ahora una vez que tenemos una nueva ventana de geometra, podemos guardarla

independientemente de la anterior y mantener tanto la original como la que tenemos con secciones interpoladas.

Para distinguir las secciones interpoladas de las secciones reales el programa asigna

a cada una de la primeras un *

Introduccin de Diques y reas inefectivas.

Si observamos detenidamente las secciones veremos que existen reas con elevaciones ms bajas que los bancos de los rio, que no contribuyen efectivamente a transportar el agua, es decir, zonas de la seccin donde el agua se estanca, esto ocurre donde la elevacin del banco es mayor que el nivel del cauce adyacente o por donde el programa circula agua sin que aparentemente el agua se haya salido de su cauce.

Como hemos mencionado deberemos distinguir dos casos distintos, pero que representativamente por el programa se visualiza del mismo modo. Al primer caso se le considera que es un rea inefectiva de flujo en el que el agua se encuentra estancada en esa seccin concreta donde se encuentra agua pero estancada sin



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ningn transporte de la misma. Esto puede deberse a una bifurcacin del rio en el que dicho desdoble el agua no encuentre salida y se queda estancada tal como se muestra en la figura 25.

Figura 25. Seccin con rea infectiva de flujo.

Para indicarle al programa que el agua que aparece en el margen derecho del ro es un rea infectiva realizamos la siguiente accin.

Dentro de la ventana de secciones seleccionamos Option / Ineffective Flow

Areas tal como se muestra en la figura 26.



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Figura 26. rea inefectiva de flujo.

Una vez pinchado en esa opcin nos emerge una ventana en la cual nos pide que introduzcamos las coordenadas de la zona infectiva de flujo, las del margen derecho e izquierdo que queramos considerar zona inefectiva de flujo.



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En este caso solo tenemos rea infectiva de flujo en el margen derecho de la seccin (recordar que la seccin siempre se visualiza desde aguas arriba a aguas abajo), por lo que la zona de rea infectiva de flujo se encuentra en el lado derecho del margen.

Para ello seleccionamos con el ratn el punto de la seccin ms alto del cauce del rio

al lado derecho del mismo para visualizar las coordenadas del mismo e introducirlo en la venta anterior. Con este gesto le indicamos al programa que rea de caudal en el margen derecho es un rea infectiva de flujo e introducimos dichos valoren tanto en la Station y Elevation del lado derecho del ro en la ventana anterior tal como se muestra en la figura 27.

Figura 27. rea inefectiva de flujo.

Una vez introducidas las coordenadas pinchamos en OK y y se puede observar como el rea de masa de agua del margen derecho se sombrea mediante lneas oblicuas indicando que el paso se ha realizado correctamente tal como se muestra en la figura 28.



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Figura 28. rea inefectiva de flujo ejecutada.



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El segundo caso que podemos tener viendo la visualizacin de los resultados tomando la misma seccin anterior, es que no exista ninguna bifurcacin en la seccin. El programa por defecto comienza a elevar la cota de altura del agua desde la cota ms baja hacia la cota ms alta hasta alcanzar la altura mxima de la cota de agua rellenando todas las depresiones que encuentra a su paso.

Para indicarle al programa que ste es nuestro caso y que por esa zona no circula agua debemos colocar un Leeve (Dique) de cota 0. Al realizar esta accin le indicamos al programa que solo nos rellene con agua la depresin cuando el agua sobrepasa un punto dado que en este caso, por lgica, es el mismo punto que en el caso anterior. Asi pues el agua solo llegar a la llanura de inundacin del margen derecho cuando el agua supere el punto ms alto del cauce.

Para colocar el leeve dentro de la ventana de secciones seleccionamos Option /

Levee tal como se muestra en la figura 29.

Figura 29. Colocacin de un Leeve de cota 0.



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Una vez pinchado en esa opcin nos emerge una ventana en la cual nos pide que introduzcamos las coordenadas en la que queremos colocar el levee, las del margen derecho e izquierdo que queramos considerar zona inefectiva de flujo.

En este caso solo tenemos que colocar el levee en el margen derecho de la seccin

(recordar que la seccin siempre se visualiza desde aguas arriba a aguas abajo), por lo que el leeve a colocar tiene que ser en el lado derecho del margen.

Para ello seleccionamos con el ratn el punto de la seccin ms alto del cauce del rio

al lado derecho del mismo para visualizar las coordenadas del mismo e introducirlo en la venta anterior tal como se muestra en la figura 30.

Figura 29. Colocacin de un Leeve de cota 0.



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Una vez introducidas las coordenadas pinchamos en OK y y se puede observar como el rea de masa de agua del margen derecho desaparece entendiendo ahora el programa que el agua slo llegara al margen derecho de la seccin cuando sobrepase el levee indicado tal como se muestra en la figura 30.

Figura 30. Colocacin de un Levee de cota 0. Con la opcin de levee tambin tenemos la posibilidad de colocar un dique de altura

diferente a 0. Esta opcin se puede utilizar para cuando el agua se sale del cauce de un ro y es necesaria la contencin de la misma dentro de los mrgenes del rio.

Para ello la nica diferencia con la opcin anterior es que en la casilla de Elevation

tendremos que sumar a la altura del punto elegido los metros que queramos elevar el Levee.



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Para colocar el leeve de una altura mayor a 0 dentro de la ventana de secciones seleccionamos Option / Levee tal como se muestra en la figura 31.

Figura 31. Colocacin de un Leeve. Una vez pinchado en esa opcin nos emerge una ventana en la cual nos pide que

introduzcamos las coordenadas en la que queremos colocar el levee, las del margen derecho e izquierdo que queramos considerar zona inefectiva de flujo.



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En este caso solo tenemos que colocar el levee en el margen derecho de la seccin

(recordar que la seccin siempre se visualiza desde aguas arriba a aguas abajo), por lo que el leeve a colocar tiene que ser en el lado derecho del margen.

Para ello seleccionamos con el ratn el punto de la seccin donde queramos colocar

el dique y a la coordenada a introducir en la casilla de elevacin hay que sumarle los metros los cuales se elevar sobre dicho punto el levee a colocar tal como se muestra en la figura 32.

Figura 32. Colocacin de un Leeve.

Una vez introducidas las coordenadas pinchamos en OK y y se puede observar como el rea de masa de agua del margen derecho desaparece



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entendiendo ahora el programa que el agua slo llegara al margen derecho de la seccin cuando sobrepase el levee indicado tal como se muestra en la figura 33.

Figura 33. Colocacin de un Leeve A continuacin procedemos nuevamente a computar para comprobar los resultados

pero esta vez seleccionando en la ventana de computacin la seccin interpolada. Si observamos el listado de Warning, se ha reducido considerablemente el nmero de advertencias tal como se muestra en la figura 34.



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Figura 34. Ventana de Avisos corregida.

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