la modelación de hidráulica de ríos [modo de...

LA MODELACIÓN DE HIDRÁULICA DE RÍOS

FCT-UNL

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João Leal

FCT/Universidade Nova de LisboaCEHIDRO, Centro de Estudos de Hidrossistemas

4to Foro Nacional Agua, Sociedad y CienciaUCE, Quito, Ecuador, 22 de Marzo 2013

CEHIDRO

Estructura de la presentación

• Introducción a la Hidráulica de Ríos

• Desafíos para los Ingenieros Civiles

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• Modelación de ríosRío Babahoyo (Marzo 2012)

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Introducción a la Hidráulica de Ríos

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Hidráulica de Ríos

FCT-UNL Introducción a la Hidráulica de Ríos

� La Hidráulica de Ríos se puede definir como la disc iplina, o conjunto de disciplinas, que agrupan lo estudio de procesos de erosión, deposición y transporte de sedimentos con lo estudio de la mecánica de flujos en canales abiertos con front eras móviles

� En rango de problemas abordados en Hidráulica de Rí os es largo. Clásicamente, incluyen problemas como erosión de su elos, gestión

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Clásicamente, incluyen problemas como erosión de su elos, gestión de crecidas, diseño de canales estables, evolución morfológica de corsos naturales, evaluación del transporte de sedi mentos, erosiones localizadas y sedimentación en reservator ios. La mitigación de riesgos ha expandido los problemas ab ordados a problemas de avalanchas y flujos híper-concentrados como los causados por ruptura de presas

FCT-UNL Introducción a la Hidráulica de Ríos

� Los ríos son sistemas dinámicos, esto es cambian en el tiempo y en el espacio, y responden con diferentes escalas t emporales a modificaciones/alteraciones que ocurran en su domin io y en el dominio de toda la cuenca

� Como en todo lo que existe en la naturaleza, los rí os tienden a un estado de equilibrio. Ese equilibrio es dinámico, e sto es decir su

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estado de equilibrio. Ese equilibrio es dinámico, e sto es decir su forma en planta y su cauce van cambiando al largo d el tiempo pero en media se mantienen constantes

� La intervención humana en los cauces y en las cuenc as (hasta en el clima – cambios climáticos) hace que el equilibri o natural sea destruido y los ríos van a buscar otro estado de eq uilibrio, muchas veces poniendo en risco áreas y poblaciones que antes no tenían problemas

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Desafíos para los Ingenieros Civiles

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Ingenieros Civiles

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� Muchos son los desafíos que se plantean a los Ingen ieros Civiles en el área de Hidráulica de Ríos. De un modo simpli ficado se pueden enumerar los principales:


Controlo de crecidas naturales

Controlo de crecidas artificiales (ruptura de presa s)

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Controlo de erosión/deposición generalizada

Controlo de erosión/deposición localizada

Controlo de las alteraciones morfológicas en planta

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CRECIDAS NATURALESCRECIDAS NATURALES(inundaciones de las márgenes)(inundaciones de las márgenes)

Cauce menor o principal, corresponde a la sección que es ocupada por el flujo en el mayor periodo de tiempo

Cauce mayor o llanura de inundación, corresponde a la sección que es ocupada por el flujo en situación de crecida


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Perfil transversal tipo de la sección de un curso d e agua

desborde del río Chone

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CRECIDAS ARTIFICIALESCRECIDAS ARTIFICIALES(ruptura de presas)(ruptura de presas)


Ruptura de la presa de St. Francis (USA) en 1928

Altura máxima = 43 m

CRECIDA (OLA):

Cerca de la presa

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Altura máxima = 43 m

Embalse atrás

Velocidad = 8 m/s (29 km/h)

La crecida mató 470 personas, siendo considerado el peor desastre de la Ing. Civil en EUA ocurrido en el Siglo XX

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DEPOSICIÓN GENERALIZADADEPOSICIÓN GENERALIZADA

Río Guayas – promedio de 3 milímetros de sedimentaci ón interanual, lo cual afecta la navegación


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CRECIDAS MÁS FRECUENTES Y GRAVOSAS

PELIGRO PARA LA NAVIGACIÓN


Los sedimentos depositados aguas abajo disminuyen la capacidad de descarga del cauce principal

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EROSIÓN GENERALIZADAEROSIÓN GENERALIZADA

PELIGRO PARA LAS FUNDACIONES DE INFRAESTRUCTURAS

El cauce principal se va erosionando al longo del tiempo


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Fuente: Martín Vide (2003)

Ejemplo de erosión generalizada a delante de un presa

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EROSIÓN LOCALIZADAEROSIÓN LOCALIZADA(deslizamiento de taludes)(deslizamiento de taludes)

Subida del nivel debido a la obstrucción


La elevada velocidad junto a las márgenes puede llevar a la inestabilidad de los taludes laterales

PELIGRO DE OBSTRUCCIÓN

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Perfil transversal tipo de la sección de un curso de agua

endicamiento del río Coaque (Marzo 2012)PELIGRO DE OBSTRUCCIÓN DE LA SECCIÓN DEL RÍO

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EROSIÓN LOCALIZADAEROSIÓN LOCALIZADA(pilares de puentes)(pilares de puentes)


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PELIGRO PARA INFRA-ESTRUCTURAS FLUVIALES


La erosión del cauce durante crecidas puede atingir la fundación de infra-estructuras fluviales (ex: pilares de puentes)

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Crecidas

32.6%

Sequías

3.5%

Sismos

18.6%

Epidemias

15.1%

Desliza. de

tierras

humedas

14.0%

Vulcanos

12.8%

Otras

3.5%

Nº de desastres naturales

Entre 1900-2012

Total: 86 desastres naturales


14Crecidas en Ecuador

Emergency Events Database EM-DAT

3.5%

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Crecidas en el mondo� Evolución del impacto de las crecidas (EM -DAT):

(representa 9% de los

años en la base de datos)


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� Aumento significativo del nº de eventos� Diminución drástica del nº de muertos� Aumento del nº de personas afectadas� Aumento significativo de las pérdidas

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� Cuencas urbanas están siendo impermeabilizadas pela acción humana, originando niveles de crecidas superiores y aumento de la vulnerabilidad

Ribª de Odivelas (Duarte et al. 2010)


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Uso del suelo (1969) Uso del suelo (2000)Áreas urbanizadasÁreas con ocupación agrícolaÁreas sien ocupación

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� Los incendios forestales provocan mayor erosión de las laderas y escorrentías mayores, pudendo conducir a caudales d e crecida mayores y a sedimentación que se traducen en nivele s de agua superiores

� Los cambios climáticos poden traducir-se:• En lo cambio de las características de las series hidroló gicas ,

dificultando el uso de la estadística para previsio nes futuras (los


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dificultando el uso de la estadística para previsio nes futuras (los períodos de retorno tienen que ser redefinidos) y t ornando insuficiente la capacidad de descarga de las infraestructuras existentes

• Aumento de lo número y magnitud de eventos de preci pitación intensa , traduciendo-se en crecidas rápidas más gravosas

• Aumento de la duración de los períodos de sequía , que podrá levar a una falsa sensación de seguridad en relación a ci ertas zonas susceptibles de ser inundadas

• Aumento del nivel medio del mar , qué influenciará los niveles de crecida en zonas de estuario donde la influencia del nivel de marea se hace sentir

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Modelación de Ríos

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Ríos

FCT-UNL Modelación de Ríos

� Al Ingeniero se pide que sea capaz de, no solo, car acterizar la situación actual de un río, pero, más importante, q ue consiga prever su comportamiento futuro (50, 100 o más años )

� Así la modelación de ríos surge como herramienta fu ndamental para garantizar el correcto manejo y gestión de tod o el espacio fluvial

Modelos 1D

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� Resolución de los modelos

Modelos 1D(fáciles de usar pero resultados poco fiables en la mayoría de las situaciones)

Modelos 2D(exigen más datos – DTM – actualmente constituyen la mejor alternativa precisión/costo)

Modelos 3D(los más precisos, pero la modelación de la turbulencia tiene un costo computacional muy elevado)


� Hipótesis físicas

Modelos hidrodinámicos – cauce no erosionable(numéricamente muy estables, exigen apenas dados de agua limpia, pero no responden a la mayoría de los problemas – erosión/deposición o alteraciones morfológicas)

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� Hipótesis físicas de los modelos

Modelos morfo-dinámicos – cauce erosionable(problemas de estabilidad numérica, exigen datos de transporte sólido, incertidumbre en las ecuaciones de transporte sólido, pero son fundamentales para evaluar el comportamiento de los ríos)


� Modelo conceptual

Ejemplo de un modelo 2D – modelo STAV2D

Capa de agua limpia/sedimentos en suspensión

Capa de transporte

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Capa de transporte

Fondo

fondo Zb

hc

transporte

hhw

agua limpia

uc

uw

ub= 0

Cw= 0

Cc

Cb= 1 -η

gρρρρwhw

gρρρρwhw + gρρρρchc

ρρρρcφφφφc

ρρρρbφφφφb

flujos verticales de masa

velocidades concentraciones de sedimentos

presiones


� Modelo conceptual (leyes de conservación + leyes de cierre)


( ) ( ) ( )( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

2 2 2 2

2

1 1

2 2

t w w c c b b x w w w c c c y w w w c c c

w w x b w w y b

t x w w w c c c w w w w c c c y w w w w c c c c

h h Z u h u h v h v h

u h Z v h Z

uh u h u h g h g h h g h u v h u v h

u h Z u v h Z T h T h g h g h

∂ ρ + ρ + ρ + ∂ ρ + ρ + ∂ ρ + ρ =

= ρ ∂ + + ρ ∂ +

∂ ρ + ∂ ρ + ρ + ρ + ρ + ρ + ∂ ρ + ρ =

= ρ ∂ + + ρ ∂ + + ∂ + ∂ − ρ + ρ ∂ Z +

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( ) ( ) ( ) ( ) ( )211 21w w b w w w b x y w w c c xx y

u h Z u v h Z T h T h g h g h= ρ ∂ + + ρ ∂ + + ∂ + ∂ − ρ + ρ ∂

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )( )

( )

,11 ,21 ,31

2 2 2 2

212 22 ,12

,22 ,32

1 1

2 2

b

b x b b y b b

t x w w w w c c c c y w w w c c c w w w w c c c

w w w x b w w y b x y b x b

w w c c y b b y b b

t c c x c c

Z

Z Z

vh u v h u v h v h v h g h g h h g h

v u h Z v h Z T h T h Z

g h g h Z Z

h u

+

+τ ∂ + τ ∂ − τ

∂ ρ + ∂ ρ + ρ + ∂ ρ + ρ + ρ + ρ + ρ =

= ρ ∂ + + ρ ∂ + + ∂ + ∂ + τ ∂ −

− ρ + ρ ∂ + τ ∂ − τ

∂ ρ + ∂ ρ( ) ( ) ( ) ( )

( )

c y c c c c c x c b c c y c b c c b b

t b b b b

h v h u h Z v h Z

Z

+ ∂ ρ = ρ ∂ + + ρ ∂ + −ρ φ + ρ φ

∂ ρ = −ρ φ


� Modelo numéricoMétodo de los volúmenes finitos (FVM) que permite d escribir el dominio físico en volúmenes (finitos) donde las ley es de conservación son aplicadas


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DTM Polígono

Malla 2D Fuente: Conde (2012)


Ejemplo de modelación 2D (tsunami)

Fuente: Conde (2012)

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DTM (Lisboa estuario del río Tagus)

Fuente: Conde (2012)

Condición de borde aguas arriba(hidrograma “warm up”)

Condición de borde aguas abajo(nivel del tsunami)



t = 7 min

t = 14 min t = 17 min

t < 1 min

25Fuente: Conde (2012)

t = 20 min t = 27 min



Centro de Lisboa ( t = 17 min)




Alteraciones morfológicas


t = 37 minutos

(Closeup) t = 57 minutos(Closeup) t = 37 minutos


Ejemplo de modelación 1D (ruptura de pila de depósi tos de minería)

≈≈≈≈ 80 m

≈≈≈≈ 30º

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Fuente: Canelas (2011)


Ejemplo de modelación 2D (ruptura de pila de depósi tos de minería)

t = 5 s

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t = 15 s t = 70 s

Fuente: Canelas (2011)


Ejemplo de modelación 2D (crecida en un río)

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FCT-UNL

Gracias por vuestra atención!!!

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atención!!!

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