proyecto de grado 2018-02 modelaciÓn numÉrica del

PROYECTO DE GRADO 2018-02

MODELACIÓN NUMÉRICA DEL COMPORTAMIENTO HIDRODINÁMICO

DEL RÍO ARAUCA, EN EL SECTOR DE “BOCA DE GAVIOTAS”, EN EL

MUNICIPIO DE ARAUQUITA, COLOMBIA.

Nicolás Felipe Ojeda Franco

Asesor: Camilo Andrés Salcedo Ballesteros

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

PREGRADO DE INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C.

2018

AGRADECIMIENTOS

Un especial agradecimiento a Camilo Ballesteros por su amabilidad y

colaboración en el desarrollo de mi proyecto. Fue un gusto para mí que haya sido

mi asesor. La elaboración de este proyecto con su asesoría fue muy

enriquecedora y agradable.

Gracias a Claudia Contreras por suministrar la información inicial de este

proyecto, sin su ayuda no hubiera sido posible. Siempre estuvo muy atenta y con

la mejor disposición para ayudarme en el proyecto.

Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA

Modelación Hidrodinámico Del Río Arauca, Sector “Boca De Gaviotas”

Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado i

Contenido 1 Introducción ........................................................................................................................... 1

1.1 Objetivos ........................................................................................................................ 3

1.1.1 Objetivo General ..................................................................................................... 3

1.1.2 Objetivos Específicos ............................................................................................... 3

2 Marco teórico ........................................................................................................................ 4

2.1 Modelación de la hidrodinámica de flujos ....................................................................... 4

2.1.1 Modelación Hidrodinámica en 1 Dimensión ............................................................ 4

2.1.2 Modelación Hidrodinámica en 2 Dimensiones ......................................................... 4

2.2 Modelación de la Morfología y el Transporte de Sedimentos .......................................... 6

2.2.1 Modelación del Transporte de Sedimentos en 1D ................................................... 6

2.2.2 Modelación del Transporte de Sedimentos en 2D ................................................... 7

2.3 Uso de la Modelación Computacional en Ingeniería de Ríos ............................................ 7

2.4 Software Seleccionado Modelación: Open TELEMAC-MASCARET .................................. 11

2.4.1 Módulo de Modelación Hidrodinámica: Telemac 2D ............................................. 12

2.4.2 Módulo de modelación de Sedimentos: SISYPHE ................................................... 15

3 Caso de Estudio: Río Arauca – Sector Boca Gaviotas ............................................................. 21

3.1 Cuenca del Río Arauca y Antecedentes ......................................................................... 22

3.1.1 Hidrología ............................................................................................................. 22

3.1.2 Geología ............................................................................................................... 23

3.1.3 Análisis Morfodinámico y Dinámica Fluvial ............................................................ 23

3.2 Sector de Modelación: Boca de las Gaviotas ................................................................. 24

3.2.1 Información Disponible del Sitio de Estudio........................................................... 26

3.2.2 Dinámica Fluvial Histórica en el Tramo de Estudio ................................................. 28

4 Metodología......................................................................................................................... 30

4.1 Procesamiento Información Inicial y Creación Topo-Batimetría: ArcGIS ........................ 30

4.1.1 Procesamiento Archivos ADCP: Software RiverSurvey ........................................... 30

4.1.2 Procesamiento Batimetría Excel a Topo-Batimetría del Sector de Modelación: ArcGIS

32



Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado ii

4.1.3 Topo Batimetría Final del Proyecto ....................................................................... 33

4.2 Creación Malla Computacional y Condiciones de Frontera: BlueKenue ......................... 38

4.2.1 Creación de la Malla Computacional Con la Topo Batimetría ................................. 39

4.2.2 Creación de la Malla Computacional con la Rugosidad por Sector ......................... 40

4.2.3 Creación de las condiciones de fronteras del modelo ............................................ 42

4.3 Creación Archivo Final De Comandos Y Asignación De Decisiones en el Modelo: FUDAA 46

4.3.1 Archivo Comandos TELEMAC ................................................................................ 47

4.3.2 Archivos Comandos SISYPHE ................................................................................. 49

4.4 Modelación y Análisis Comportamiento de la Hidráulica del Cauce: TELEMAC .............. 51

4.5 Modelación y Análisis Comportamiento del Transporte de Sedimentos en el Cauce:

SISYPHE .................................................................................................................................... 55

5 Resultados ........................................................................................................................... 58

5.1 Resultados Modelación Hidráulica ................................................................................ 58

5.2 Resultados Modelación Transporte de Sedimentos ....................................................... 62

6 Conclusiones ........................................................................................................................ 66

6.1 Modelación Hidráulica: TELEMAC ................................................................................. 66

6.1.1 Distribución de Caudales ....................................................................................... 66

6.1.2 Distribución de Velocidades .................................................................................. 68

6.2 Modelación Hidrodinámica: TELEMAC y SISYPHE .......................................................... 68

7 Recomendaciones ................................................................................................................ 71

8 Manual de Utilización Modelo .............................................................................................. 73

9 Referencias .......................................................................................................................... 78



Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado iii

ÍNDICE DE GRÁFICAS

Gráfica 1. Topo batimetría final del sector de modelación mediante la herramienta Topo to Raster de ArcGIS

.......................................................................................................................................................... 34

Gráfica 2. Comparación y validación de la topografía del modelo con respecto a la batimetría real. Sección

Brazo Reinera. .................................................................................................................................... 36


Brazo Reinera – Gaviotas. ................................................................................................................... 37


Brazo Reinera – Reinera. .................................................................................................................... 38

Gráfica 5. Condiciones de fronteras establecidas en el modelo.................................................................... 42

Gráfica 6. Topografía final del sector de análisis después de realizar la modelación hidráulica con 311 𝒎𝟑𝒔.

.......................................................................................................................................................... 52

Gráfica 7. Altura de la lámina de agua del sector de análisis después de realizar la modelación hidráulica con

311 𝒎𝟑𝒔. ........................................................................................................................................... 53

Gráfica 8. Aforos sólidos disponibles del tramo de análisis. Izquierda: Aforo sedimentos en suspensión -

Derecha: Aforo sedimentos en arrastre. Suministrados por el IDEAM. ................................................ 55

Gráfica 9. Validación del modelo mediante la distribución de caudales en cada brazo comparado con los

aforos disponibles. ............................................................................................................................. 58

Gráfica 10. Resultado final de la modelación hidráulica para un caudal de 311 𝒎𝟑𝒔. Este es el estado estable

que se usa para la modelación de sedimentos. ................................................................................... 60

Gráfica 11. Resultado final de la modelación hidráulica para un caudal de 588 𝒎𝟑𝒔. Este es el estado estable

que se usa para la modelación de sedimentos. ................................................................................... 61

Gráfica 12. Esfuerzo cortante generado en el lecho, por el cual se produce el transporte de sedimentos.

Caudal de 311 𝒎𝟑𝒔. Las unidades gráficas están en pascales. ............................................................. 62

Gráfica 13. Transporte de sedimentos generado en el tramo modelado, por el cual se produce una

involución o crecimiento del lecho. Caudal de 311 𝒎𝟑𝒔. Las unidades gráficas están en 𝒎𝟐𝒔. ........... 63

Gráfica 14. Esfuerzo cortante generado en el lecho, por el cual se produce el transporte de sedimentos.

Caudal de 588 𝒎𝟑𝒔. Las unidades gráficas están en pascales. ............................................................. 64

Gráfica 15. Transporte de sedimentos generado en el tramo modelado, por el cual se produce una

involución o crecimiento del lecho. Caudal de 588 𝒎𝟑𝒔. Las unidades gráficas están en 𝒎𝟐𝒔. ........... 65

Gráfica 16. Distribución de caudales en las modelaciones realizadas por la Universidad Nacional en el mismo

sector de análisis, pero con diferentes aforos. .................................................................................... 67

Gráfica 17. Distribución de caudales en las modelaciones realizadas en este proyecto de grado para el sector

Boca de las Gaviotas, para comparación de modelos. ......................................................................... 67



Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado iv

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1. Ejemplo de documento de condiciones de frontera................................................................ 15

Ilustración 2. Mapa de Colombia. Localización general. Ubicación y zona de estudio. .................................. 21

Ilustración 3. Mapa de Arauca. Localización específica. Ubicación sector de estudio. ................................... 22

Ilustración 4. Imagen de Radar en 1972 de la zona de estudio. Se aprecia como desde Arauquita se va forma

un delta ............................................................................................................................................. 24

Ilustración 5. Esquema de la ubicación de las mediciones que se realizaron en los años 2016 y 2017 ........... 25

Ilustración 6. Zona de estudio detallada con los puntos de donde se tiene información de aforos líquidos y

sólidos ............................................................................................................................................... 25

Ilustración 7. Mediciones realizadas para aforos líquidos en campañas IDEAM ............................................ 26

Ilustración 8. Mediciones realizadas para aforos sólidos en campañas IDEAM ............................................. 27

Ilustración 9. Ejemplos de las batimetrías de los aforos con ADCP para los años 2016 y 2017. ..................... 27

Ilustración 10. Imagen satelital Río Arauca tramos desde Arauquita hasta Arauca ....................................... 28

Ilustración 11. Software para trabajo en campo: WinRiver y software para post procesamiento: River Survey

.......................................................................................................................................................... 31

Ilustración 12. Mediante software Matlab: Análisis métodos de interpolación y corrección de puntos

inconsistentes .................................................................................................................................... 31

Ilustración 13. Proceso de manejo de información inicial para la interpolación de la Topo Batimetría del

sector de modelación ......................................................................................................................... 32

Ilustración 14. Resultados de algunas interpolaciones con diferentes combinaciones de puntos y mediante

diferentes métodos de interpolación. ................................................................................................. 33

Ilustración 15. Boceto de la ubicación de las secciones transversales que se usaron para la validación del

modelo. ............................................................................................................................................. 35

Ilustración 16. Boceto de la malla computacional de la topografía en 3D y una imagen de cerca de la malla en

2D. ..................................................................................................................................................... 40

Ilustración 17. Selección de las tres secciones del río con rugosidad determinada por el usuario ................. 41

Ilustración 18. Rugosidades calculadas mediante el software Conveyance Estimation System para los tres

sectores de la modelación .................................................................................................................. 41

Ilustración 19. Esquema de la interfaz de FUDAA PRE PRO con los dos archivos iniciales importados ........... 46

Ilustración 20. Interfaz de modelación en TELEMAC. El lado izquierdo muestra una iteración del proceso, el

lado derecho muestra el inicio de la modelación. ............................................................................... 54

Ilustración 21. Inicio modelación transporte de sedimentos para los caudales aforados .............................. 56



Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado v

Ilustración 22. Contenido carpeta para la modelación ................................................................................. 73

Ilustración 23. Archivos que contiene la carpeta Archivos de Entrada .......................................................... 74

Ilustración 24. Pantalla de comandos correspondiente a TELEMAC, en la dirección donde se guardó la

carpeta suministrada.......................................................................................................................... 75

Ilustración 25. Comandos para iniciar la modelación de un caudal de 311 𝒎𝟑𝒔 con transporte de sedimentos

de lecho ............................................................................................................................................. 76

Ilustración 26. Interfaz de BlueKenue luego de importar los resultados obtenidos en la modelación ejemplo.

.......................................................................................................................................................... 77



Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado vi

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Comparación y Selección de Software Modelación......................................................................... 10

Tabla 2. Número de nodos utilizados en cada cauce para crear la malla computacional de la modelación.... 39

Tabla 3. Discretización del sector de modelación en zonas con diferente rugosidad .................................... 41

Tabla 4. Condiciones de frontera en la salida de los brazos, con base en el caudal de entrada del Brazo

Reinera .............................................................................................................................................. 44

Tabla 5. Condiciones de frontera, en TELEMAC2D, para 10 nodos correspondientes al caudal de entrada del

Brazo Reinera ..................................................................................................................................... 44

Tabla 6. Condiciones de frontera, en SISYPHE, para 10 nodos correspondientes al caudal de entrada del

Brazo Reinera ..................................................................................................................................... 45

Tabla 7. Diámetros sedimentos transportados en arrastre. Datos suministrados por los aforos sólidos del

IDEAM. .............................................................................................................................................. 56

Tabla 8. Caudales modelados, se estableció un caudal inicial y el modelo determina la distribución en cada

brazo. ................................................................................................................................................ 59

Tabla 9. Mediciones para la carga de transporte de sedimentos, realizada por aforos en los años 2016 y

2017. ................................................................................................................................................. 69

Tabla 10. Mediciones para la carga de sedimentos, resultantes del presente modelo para caudales de 311

𝒎𝟑𝒔y 588 𝒎𝟑𝒔.................................................................................................................................. 69

Tabla 11. Archivos de comandos disponibles para modelación hidráulica y su compilación con el transporte

de sedimentos ................................................................................................................................... 75



Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado vii

ÍNDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1. Ecuación de conservación de la energía o Ecuación de Bernoulli ................................................. 4

Ecuación 2. Ecuación de Manning ................................................................................................................. 4

Ecuación 3. Conservación de la Masa - Ecuación de Saint Venant .................................................................. 5

Ecuación 4. Conservación del Momentum en la dirección X - Ecuación de Saint Venant ................................. 5

Ecuación 5. Conservación del Momentum en la dirección Y - Ecuación de Saint Venant ................................. 5

Ecuación 6. Ecuación de evolución del lecho o Ecuación de Exner ................................................................. 6

Ecuación 7. Ecuaciones de Saint Venant en su forma no conservativa ......................................................... 12

Ecuación 8. Cálculo del esfuerzo cortante por TELEMAC .............................................................................. 13

Ecuación 9. Cálculo coeficiente de rugosidad en base a ley de fricción - Caso Manning ................................ 13

Ecuación 10. Modelo de creación y destrucción de energía en la turbulencia - Viscosidad turbulenta .......... 13

Ecuación 11. Ajuste del coeficiente de Boussinesq para la ecuación de Saint Venant ................................... 14

Ecuación 12. Ecuación de Exner o de evolución del lecho ............................................................................ 15

Ecuación 13. Ajuste en la dirección del transporte de sedimentos debido a la pendiente del terreno .......... 16

Ecuación 14. Ajuste en la magnitud del transporte de sedimentos debido a la pendiente del terreno .......... 16

Ecuación 15. Ajuste por la presencia de corrientes secundarias dado por una aceleración centrípeta .......... 17

Ecuación 16. Ecuación de advección y difusión en 2 dimensiones ................................................................ 17

Ecuación 17. Perfil de concentración de sedimento en suspensión. Ecuación de Rouse ............................... 18

Ecuación 18. Fórmula de transporte de sedimentos por arrastre de Van Rijn............................................... 18

Ecuación 19. Factor de carga adimensional que utiliza SISYPHE para unificar resultados de fórmulas........... 18

Ecuación 20. Cálculo del diámetro adimensional ......................................................................................... 19

Ecuación 21. Cálculo del esfuerzo crítico o Parámetro de Shields ................................................................ 19

Ecuación 22. Condiciones para el cálculo de la velocidad de asentamiento mediante SISYPHE ..................... 19



Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado 1

1 INTRODUCCIÓN

La modelación hidrodinámica de ríos está siendo muy utilizada por ingenieros para predecir la

evolución del lecho y sección del río. La mayoría de los softwares ofrecen una modelación en 1D, 2D

y 3D. La selección del número de dimensiones de la modelación depende de varios factores como

el tamaño del dominio y las condiciones de frontera. De igual forma, estos programas suelen tener

similitudes en cuanto al cálculo de la hidrodinámica, mediante las ecuaciones de Saint-Venant, y el

posterior cálculo del transporte de sedimentos por el término de la advección de la velocidad.

El avance en métodos numéricos y computacionales ha permitido que se creen sistemas complejos

para la modelación numérica, a gran escala, con un tiempo de computación reducido. Los modelos

morfodinámicos están siendo usados en muchas de las aplicaciones de ingeniería para predecir la

evolución del lecho. En el mercado se encuentra varios softwares para modelar ríos como lo son:

River 2D, Open Telemac-Mascaret, RiverFlow 2D, COHE2D, HEC-RAS, entre otros. En este trabajo se

utilizó Open TELEMAC-MASCARET debido a las grandes capacidades técnicas, tiene código abierto,

libre distribución y es gratuito. Además, se determinó que la dimensión de trabajo es 2D, debido al

tamaño del dominio y el detalle que se busca lograr con este modelo. Open TELEMAC-MASCARET

se compone por varios módulos, la hidrodinámica en dos dimensiones se calcula en Telemac2D y el

transporte de sedimentos en SISYPHE, estos dos módulos se compilan internamente. Los

sedimentos pueden ser transportados como carga de lecho o en suspensión, en cuanto a la primera

se puede calcular por una ecuación clásica del transporte de arena como Hansen-Williams, y para la

segunda, la carga en suspensión, se resuelve una ecuación adicional de transporte en 2D.

El río Arauca delimita la frontera entre Colombia y Venezuela y, actualmente, presenta un cambio

en su cauce original en el sector “Boca de Gaviotas”. Este tramo del río, Boca Gaviotas, está

compuesto por los brazos Gaviota y Arauca y su condición inicial se caracterizaba por que la mayoría

del caudal era dirigido al brazo Arauca (el cual limita la frontera con Venezuela), mientras un

porcentaje pequeño fluía por el brazo Gaviota. Por lo anterior, en agosto del año 2017, el Ing.

Eduardo Bravo y su equipo de trabajo, realizaron una modelación hidrodinámica del Río Arauca, en

el sector donde se presenta la anomalía. El modelo se creó a causa de un comportamiento inusual




del río, debido a que la mayoría de su caudal fluye hacia el brazo Gaviota, por lo cual, la modelación

busca proponer una estructura hidráulica, con el fin de que el río vuelva a su cauce original (Bravo,

2018). Según el modelo numérico elaborado por el grupo de investigación de la Universidad

Nacional, liderado por Eduardo Bravo, el río puede volver a su cauce original con la ayuda de una

estructura hidráulica, este control hidráulico se ubica a la entrada del brazo Gaviota, y busca

modificar la sección mediante una estructura permeable, adicional a esto, se piensa construir un

dique en el costado sur del río Arauca, antes de la bifurcación, para evitar posibles inundaciones.

En el modelo elaborado por el profesor Bravo, se presenta gran incertidumbre en lo que respecta al

transporte de sedimentos en suspensión, ya que el río Arauca presenta alta variabilidad en el

tamaño de sus sedimentos y eso genera dificultad, a falta de datos, a la hora de calibrar el modelo.

Con base en lo anterior, se puede presentar una desviación de lo que se modeló y lo que puede

ocurrir en realidad, por consiguiente, es preciso realizar una calibración del modelo con nuevos

datos de batimetrías. De igual forma, es relevante la modelación del sector aguas abajo del brazo

Gaviotas posterior a construcción de la estructura hidráulica o modelación conceptual de lo que

puede ocurrir en el río por la modificación del cauce actual. Esto, debido a que los ríos son entes

complejos que pueden tener reacciones en lugares diferentes a donde se realiza la intervención

hidráulica. Además, los ríos tienen muchas variables que puedan modificar el modelo y que son

difíciles de obtener en el sector, como una buena información hidrometereológica.




1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo General

Realizar una modelación hidrodinámica del río Arauca, en los sectores aledaños a Boca Gaviotas,

donde se piensa realizar una intervención hidráulica. El objetivo es crear un modelo conceptual del

comportamiento de este sector. Sin embargo, es preciso mencionar que el modelo, aunque busca

predecir el comportamiento hidrodinámico del río, hay muchas variables que no pueden tener en

cuenta debido a las limitaciones en información en el sector y el poco tiempo para su realización, ya

que la investigación se realizó durante 1 semestre académico.

1.1.2 Objetivos Específicos

Elaborar la modelación hidráulica del modelo bajo diferentes condiciones. Se debe crear un modelo

que describa el comportamiento del tramo del Río Arauca con caudales de entrada de 50 𝑚3

𝑠 hasta

los 1200 𝑚3

𝑠. Se debe validar mediante los dos aforos disponibles y por medio de una comparación

al comportamiento que tiene el modelo computacional de la Universidad Nacional de este mismo

sector del río.

Establecer la cantidad de sedimentos que se transportan en suspensión y arrastre mediante el

modelo. Esto, se realiza con diferentes aproximaciones según las características de los sedimentos.

Se debe validar mediante los dos foros disponibles. Es aquí donde se espera encontrar la mayor

incertidumbre debido a la poca información en TOPOBatimetría y en las características del suelo.




2 MARCO TEÓRICO

2.1 Modelación de la hidrodinámica de flujos

La modelación hidráulica de un canal a flujo libre se resuelve dependiendo el número de

dimensiones a utilizar.

2.1.1 Modelación Hidrodinámica en 1 Dimensión

Los modelos en 1 dimensión simulan el flujo longitudinalmente, por lo que promedian la velocidad

y la profundidad a lo largo de toda la sección transversal. Estos modelos suelen ser usados para

simulaciones a gran escala donde el ancho de la sección es irrelevante comparado con el largo del

cauce en la zona de estudio. Además, el principal uso es determinar estados de inundación. Un

software muy utilizado para un análisis es 1 dimensión es HEC-RAS, el cual es un modelo de flujo

libre en un canal desarrollado por US ACE. Este modelo resuelve la ecuación de Bernoulli y encuentra

el perfil de la superficie:

Ecuación 1. Ecuación de conservación de la energía o Ecuación de Bernoulli

𝑧2 + 𝑌2 +𝑉2

2

2𝑔= 𝑧1 + 𝑌1 +

𝑉12

2𝑔+ ℎ𝑓

HEC-RAS usa la ecuación de Manning para calcular las pérdidas relacionando el flujo con las

características físicas del canal:

Ecuación 2. Ecuación de Manning

𝑉 =1

𝑛∗ 𝑌

23 ∗ 𝑆

12

Donde 𝑍1y 𝑍2 representan la cabeza topográfica, 𝑌1y𝑌2 la altura de la lámina, 𝑉1 y 𝑉2la velocidad del

flujo, g la gravedad, ℎ𝑓 la pérdida de energía, 𝑛 es el factor de rugosidad y 𝑆 la pendiente del terreno.

Este tipo de modelación resulta ser muy superficial y no cumpliría el objetivo de este proyecto.

2.1.2 Modelación Hidrodinámica en 2 Dimensiones

La modelación en 2 dimensiones es usada en condiciones donde se requiere un detalle superior, en

donde el ancho de la sección transversal es un tema relevante y el cambio de velocidades es

determinante. Se usa, normalmente, cuando se quiere modelar la evolución de un cauce en dominio




de estudio mediano (10-30 kilómetros). Es la modelación más utilizada y está basada en la solución

de la conservación de la masa y el momento. Las ecuaciones diferenciales resultantes, de la mallan

computacional, pueden ser resueltas por elementos finitos o volúmenes finitos.

Para el caso de estudio se utilizó esta modelación. Se utilizó el software Open TELEMAC-MASCARET

y la hidrodinámica es resuelta por el módulo TELEMAC2D. Este módulo resuelve las ecuaciones de

Saint-Venant bidimensionales o ecuaciones bidimensionales en lámina libre, las cuales se deducen

de la conservación de masa y el momento como se muestra a continuación:

Ecuación 3. Conservación de la Masa - Ecuación de Saint Venant

𝜕ℎ

𝜕𝑡+

𝜕𝑞𝑥

𝜕𝑥+

𝜕𝑞𝑦

𝜕𝑦= 0

Ecuación 4. Conservación del Momentum en la dirección X - Ecuación de Saint Venant

𝜕𝑞𝑦

𝜕𝑡+

𝜕

𝜕𝑥(𝑢𝑞𝑥) +

𝜕

𝜕𝑦(𝑣𝑞𝑥) +

𝑔𝜕ℎ2

2𝜕𝑥= 𝑔ℎ(𝑆𝑜𝑥 − 𝑆𝑠𝑥) +

1

𝜌[(

𝜕

𝜕𝑥(ℎ𝜏𝑥𝑥)) + (

𝜕

𝜕𝑦(ℎ𝜏𝑥𝑦))]

Ecuación 5. Conservación del Momentum en la dirección Y - Ecuación de Saint Venant

𝜕𝑞𝑦

𝜕𝑡+

𝜕

𝜕𝑥(𝑢𝑞𝑥) +

𝜕

𝜕𝑦(𝑣𝑞𝑥) +

𝑔𝜕ℎ2

2𝜕𝑥= 𝑔ℎ(𝑆𝑜𝑥 − 𝑆𝑠𝑥) +

1

𝜌[(

𝜕

𝜕𝑥(ℎ𝜏𝑥𝑥)) + (

𝜕

𝜕𝑦(ℎ𝜏𝑥𝑦))]

Donde 𝑡 es el tiempo, 𝑢 y 𝑣 son las velocidades promedio en las direcciones 𝑥 y 𝑦, 𝑞𝑥 = 𝑢ℎ y 𝑞𝑦 =

𝑣ℎ es la descarga promedio en altura, 𝑔 es la gravedad, ℎ es la altura de la lámina de agua, 𝜌 es la

densidad del agua, 𝑆𝑜𝑥 y 𝑆𝑜𝑦 son las pendientes del terreno en las direcciones correspondientes, 𝑆𝑓𝑥

y 𝑆𝑓𝑦 son las pendientes de fricción para los esfuerzos 𝜏𝑥𝑥 y 𝜏𝑥𝑦 y, finalmente, 𝜏𝑦𝑦 es el factor de

fricción.

TELEMAC-MASCARET es un poderoso software de modelación, el cual ha sido utilizado alrededor

del mundo en el campo del flujo a superficie libre. Es compuesto de varios módulos, los cuales tienen

algoritmos basados en el método de elementos finitos. El dominio es discretizado por medio de una

malla no estructurada triangular. Uno de sus módulos es TELEMAC2D, el cual resuelve la

hidrodinámica del campo de estudio. Una descripción completa de TELEMAC2D se encuentra en la

sección 4 de este capítulo. TELEMAC-MASCARET ha sido utilizado en diferentes aplicaciones, por

ejemplo, fue utilizado por el profesor Bravo de la Universidad Nacional para modelar el río Arauca.

Bravo logró representar exitosamente el tramo de río, validado con trazadores y aforos, a pesar de

la poca información disponible y la complejidad del caso.




Otros programas computacionales, de modelación en 2 dimensiones, han tenido resultados exitosos

y son usados internacionalmente por su confiabilidad en la modelación de ríos. Estos softwares

incluyen el modelo RMA2, desarrollado por King en 1990, CCHE2D desarrollado por el Centro

Nacional de Computación e Hidro ciencia e Ingeniería de la Universidad de Mississippi, HEC-RAS,

RIVER2D, RIVERFLOW2D, entre otros.

2.2 Modelación de la Morfología y el Transporte de Sedimentos

El transporte de sedimentos es uno de los parámetros más difíciles de calcular en la ingeniería de

ríos y áreas afines. Lo anterior, se debe a la gran cantidad de variables que modifican este

transporte, como lo es el flujo turbulento, la irregularidad de canal, en tamaño de los sedimentos,

entre otros; que, además, suelen cambiar en el tiempo, lo cual vuelve aún más compleja la

estimación de la carga de sedimentos, ya sea de lecho o en suspensión.

La mayoría de los modelos de sedimentos se resuelven en base a la hidrodinámica basada en las

ecuaciones de Saint-Venant. En donde la evolución del lecho de calcula con la ecuación de

conservación de la masa en sedimentos o ecuación de Exner:

Ecuación 6. Ecuación de evolución del lecho o Ecuación de Exner

(1 − 𝜆) 𝜕𝑧

𝜕𝑡+

𝜕𝑞𝑥

𝜕𝑥+

𝜕𝑞𝑦

𝜕𝑦= 0

En donde 𝑧 es la elevación del lecho, 𝜆 es la porosidad del material de lecho, 𝑞𝑥 y 𝑞𝑦 son los

componentes en las direcciones 𝑥 y 𝑦 de la carga por unidad de ancho de la carga total 𝑞𝑧. Estas

cargas se calculan como 𝑞𝑥 = cos 𝛼 𝑞𝑡 y 𝑞𝑦 = 𝑠𝑒𝑛 𝛼 𝑞𝑡 , en donde 𝛼 es el ángulo de la dirección

del transporte de la carga de lecho. En TELEMAC-MASCARET se pueden usar 9 diferentes ecuaciones

para el transporte de sedimentos, sin embargo, 5 de ellas son para uso específico de bancas o cauces

a los que les afecten las mareas.

2.2.1 Modelación del Transporte de Sedimentos en 1D

La modelación de sedimentos en 1 dimensión calcula el transporte en la dirección longitudinal y no

calcula la hidráulica en toda la sección transversal. Estos modelos se consideran limitados en sus

capacidades y son más aplicables en la evaluación de la escala de alcance, los procesos a largo plazo

en canales que tienen una complejidad hidráulica limitada y una variación mínima en la geometría

del canal (Waddle, 2000; Formann, 2007). Los modelos en 1D proveen predicciones razonables en

la altura de la lámina de agua, pero tienen la tendencia a desfasarse en las velocidades de la sección

de un 10% a un 20% (Johnson, 2008). Es preciso mencionar que el esfuerzo cortante depende de la

velocidad, y el transporte de sedimentos depende de el esfuerzo cortante. Por esto, los modelos en




1D suelen tener desfases aún mayores en la estimación del transporte de sedimentos. Por otro lado,

los modelos en 1 dimensión tienen bajos requerimientos computacionales y, usualmente, hacen

muchas suposiciones en sus cálculos, por lo cual requieren poca información inicial. Además de esto,

son más sencillos de utilizar que los modelos 2D y 3D. Por esto, la modelación en 1D sigue siendo

utilizada cuando no se necesita tener en precisión en los resultados.

2.2.2 Modelación del Transporte de Sedimentos en 2D

Los modelos de 2 dimensiones para el transporte de sedimentos usan las ecuaciones continuidad y

las ecuaciones de Navier Stokes. Estas ecuaciones se usan junto con el balance de masa para

sedimentos y un método determinado, para su resolución, de diferencias finitas, elementos finitos

o volúmenes finitos. Debido a las estructuras de cuadrícula de los modelos 2D, como R2DM, CCHE2D

y MIKE 21, estos modelos pueden representar alcances más complejos que los modelos 1D

(Papanicolaou, 2008).

Para este proyecto, al estar usando TELEMAC-MASCARET, el módulo que calcula el transporte de

sedimentos se llama SISYPHE. Este módulo, es un recurso abierto para el cálculo del transporte de

sedimentos y la evolución del lecho. Este módulo puede ser usado para modelar complejos procesos

morfodinámicos en diferentes entornos como costas, ríos, lagos, entre otros. Además, SISYPHE

permite calcular la carga mediante diferentes clases de sedimentos, diferenciar entre sedimentos

cohesivos y no cohesivos, carga gradada o con un único tamaño, entre muchas otras. En la sección

4 de este capítulo se encuentra una descripción más detallada de este módulo. Realizar una

modelación en 3 dimensiones representa una alta demanda de datos de entrada y de mucho tiempo

computacional, por esto las simulaciones en 2 dimensiones son preferidas ya que representan la

velocidad lateral y longitudinal, las cuales son las principales componentes para evaluar el

transporte de sedimentos (Johnson, 2008).

Suelen presentarse diferencias entre la hidrodinámica y el transporte de sedimentos que se

modelan, mediante el software, y las mediciones en campo hechas por aforos. Lo anterior, se debe

a muchas razones. La principal de estas causas es la sobre simplificación del problema, en donde se

usa un modelo inapropiado, por ejemplo, al usar un modelo de 1D cuando se necesita el detalle de

un 2D. Otras causas son la falta de información, datos incorrectos, las limitaciones de las ecuaciones

de transporte de sedimentos. No hay un modelo de transporte de sedimentos que pueda describir

confiablemente el fenómeno de dos fases del transporte de sedimentos y el flujo (Papanicolaou,

2008).

2.3 Uso de la Modelación Computacional en Ingeniería de Ríos

Con el avance de la tecnología y en especial de los computadores, se han construido súper

procesadores que tienen la capacidad de desarrollar miles de operaciones en poco tiempo. Por lo

anterior, el uso de modelos numéricos en diversos campos, como ingeniería y ciencias, se ha




incrementado en gran medida. Por otro lado, los procesos morfológicos y sedimentológicos son uno

de los procesos más complejos y menos entendidos en la naturaleza. Lo anterior, teniendo en

cuenta que los ríos afectan nuestras condiciones de vida y nuestro entorno. Por estos motivos, los

científicos e ingenieros han buscado mejorar las herramientas de análisis y estudio de estos ríos.

Anteriormente, las metodologías de investigación eran principalmente mediante modelaciones

físicas u observaciones, pero en los recientes años los modelos computacionales son los más

utilizados.

Los primeros usos de los modelos computacionales, en los años 50, fue el uso conjunto en pruebas

de laboratorio, en las cuales se medían las cambios sedimentológicos y morfológicos y se

comparaban con los resultados del modelo computacional. Sin embargo, no es sino hasta los años

80 y 90 en donde la investigación, en este campo, aumentó en gran medida. Por ejemplo, los

modelos de Thomas de 1980, Rahuel en 1989, Wu y Viera en el 2002, por dar algunos expositores,

fueron utilizados en estudios de sedimentación en ríos como modelos en 1D. Más recientemente,

en la última década, los modelos 2D y 3D se han posicionado como los modelos de más utilización,

en especial los modelos de 2 dimensiones. Estos modelos simulan el transporte de sedimentos y los

cambios morfológicos en un lecho fijo o uno movible, con condiciones artificiales o naturales.

Como todas las ciencias, los problemas en la modelación han ido de los más sencillos, hasta llegar a

problemas con una gran complejidad. En las etapas iniciales de la modelación, los modelos solo

podían considerar o carga de lecho o carga en suspensión con un solo tamaño de grano

representativo. Es preciso mencionar que en la realidad los sedimentos tienen diferentes tamaños

de grano, además, presentan características físicas diferentes, como la densidad y la forma; no solo

con esto, las características del transporte de sedimentos varían en base a las condiciones del flujo.

Por consiguiente, la modelación de ríos tiene una complejidad especial y las suposiciones, como: el

único tamaño de grano, el único modo de transporte, no considerar el cambio de partículas entre

carga de lecho y en suspensión, las cuales se realizan en muchos casos, se han encontrado muy

inadecuadas (Wang y Wu, 2004). Tradicionalmente, el transporte de sedimentos, especialmente la

carga del lecho se simulaba basándose en el supuesto de equilibrio local o instantáneo (saturación)

(Thomas, 1982; Spasojevic y Holly, 1993). Todo esto se ha modificado con el avance de la tecnología

y la creación de diferentes softwares de modelación en 2D y 3D con gran capacidad como: RMA2,

CCHE2D, HEC-RAS, RIVER2D, RIVERFLOW2D y Open TELEMAC-MASCARET, por dar algunos

ejemplos.

Open TELEMAC MASCARET, el software que se utiliza en este proyecto, ha sido utilizado

internacionalmente logrando obtener resultados razonables en diferentes campos como ríos,

costas, lagos, canales artificiales, pruebas de laboratorios, entre otros. Por ejemplo, Villaret y

Hervouet, en el año 2013, realizaron diferentes modelaciones en diferentes tipos de canales, las

cuales validaron mediante mediciones en laboratorio. TELEMAC-MASCARET fue utilizado

igualmente en Argentina, en el 2018, en el Río Madre de Dios, donde Cusipuma y Kuroiwa, validaron




el comportamiento de un río meándrico con una corriente secundaria, el modelo se realizó con

lecho móvil en un tramo curvo. Esta validación se realizó por medio de un modelo físico y la posterior

simulación en TELEMAC. En un trabajo en conjunto de la Universidad de Oxford, la Universidad de

Pittsburgh y El Laboratorio Nacional de Hidráulica de Francia; se avaluó la capacidad del modelo,

TELEMAC compilado con SISYPHE, de simular la morfodinámica de un cauce meándrico, lo cual se

realizó en base a las condiciones que hacen que la curva de un meandro crezca o se contraída.

Notamos que los modelos TELEMAC2D y SISYPHE muestran satisfactoriamente la simulación en una

macro escala y una meso escala de la dinámica del lecho. (Langendoen, Wang, Mendoza, otros,

2016).

Una cosa en común de estos proyectos es que se realizaron asumiendo un lecho movible, lo cual se

debe a que se realizaron muy recientemente, sin embargo, esto no siempre fue así. Open TELEMAC

MASCARET, es un software de código abierto y sin costo alguno, lo cual lo hace una opción muy

buena para modelar el tramo del río. El hecho de que existan diferentes programas computacionales

para modelar un río, los cuales tienen mucha trayectoria internacional, como los que ya se han

mencionado, dificulta la selección del software. Por lo anterior, en este trabajo se seleccionó el

software por diferentes factores, los cuales puede ver en le Tabla 1, sin embargo, el principal motivo

de la selección fue la selección del mismo software que utilizó el profesor Bravo de la Universidad

Nacional, en el mismo tramo de río.

A continuación, se presenta la comparación y selección de software a utilizar, se le dio un peso

cuantitativo únicamente al soporte técnico, teniendo en cuenta que los softwares eran

desconocidos y aprender a usarlos es fundamental, además, que el modelo sea gratuito es

significativo. Estas fueron las comparaciones:




Tabla 1. Comparación y Selección de Software Modelación

SoftWareCarga

suspendida

Carga de

lecho

Modificació

n Lecho

Método de

resolución Otro Costo

Código

abierto

Soporte

Técnico

(Foro)

River2D

Meyer

Peter

Muller,

Engelund-

Hansen,

Van Rijn-

Wilcock and

Crowe

Exner

Up-winding

(Galerkin

Finite

Element

Method+Co

efficient)

Efecto

helocoidal-

Inercia y

curvatura-

Pendinte

transversal-

Modelamie

nto Habitat-

Modificació

n Humana

Gratis NO 3

Telemac

Celik and

Rodi,

Zyserman

and

Fredsoe,

Bijker,

Rouse

Meyer-

Peter,

Einstein-

Brown,

Engelund-

Hansen,

Chollet and

Cunge, Van

Rijn, Bijker

Exner BIEF

Sedimentos

cohesivos y

no

cohesivos-

Pendiente

fondo-

Bancas

Rígidas-

Corrientes

secundarias

Gratis SI 5

RiverFlow

2DFlexible Flexible Flexible DF Flexible

1500

DOLARESNO 5

CCHE2D

Celik and

Rodi-Wu

and Wang

Wu and

WangWU

Strongly

Implicit

Procedure

(SIP).

Upwind

interpolatio

n

Distancia de

no

equilibrio-

Sedimentos

cohesivos y

no

cohesivos-

Pendientes

Esparcapad

as-Efecto

Helocoidal-

Paralelo

Version

gratis y

paga

NO 2




2.4 Software Seleccionado Modelación: Open TELEMAC-MASCARET

El software TELEMAC-MASCARET es una poderosa herramienta de modelación que es usada en el

campo del flujo en superficie libre. Ha sido utilizada en cientos de trabajo alrededor del mundo, y

se ha vuelto un estándar en lo que respecta a modelos con una alta capacidad y aprobación

internacional.

TELEMAC es compuesto de varios módulos que cuentan con algoritmos, los cuales son resueltos con

diferencias finitas. El dominio del terreno se divide en nodos dados por una malla triangular no

estructurada, lo cual permite definir un mayor interés en áreas específicas.

Para la resolución numérica se usa una única librería (BIEF). Todos los módulos, como TELEMAC2D

y SISYPHE, resuelven sus procesos internos y se comunican con esta librería para que resuelva los

algoritmos, concernientes al método numérico de resolución.

Este software también cuenta con una interfaz gráfica para su pre y post procesamiento, lo cual

hace que proceso de la modelación sea más amigable y gráfica. Esta interfaz, está dada por

herramientas como BlueKenue y FUDAA, los cuales tienen grandes capacidades técnicas. En estas

herramientas se puede crear la malla computacional, en donde se asignan los nodos al terreno dado,

o programar los archivos de comandos para la modelación.

Como se mencionó, todos los módulos de TELEMAC se basan en una malla no estructurada y

algoritmos de elementos finitos. El software y manuales pueden ser descargados en el siguiente

sitio web: http://www.telemacsystem.Com. Una característica importante del software es su

capacidad de paralelismo de operaciones, lo cual permite realizar las modelaciones en varios

computadores o en una estación. El programa está escrito en Fortran 90, por lo cual se debe

compilar, y solo está disponible para los sistemas operativos Windows, Linux y Unix.

TELEMAC se compone de 12 módulos disponibles en el momento, estos se dividen en

hidrodinámica, sedimentos y, pre y post procesamiento. ARTEMIS es el módulo que resuelve la

agitación de ondas en puertos. MASCARET resuelve la hidráulica en flujo unidimensional.

TELEMAC2D y TELEMAC3D son los módulos que resuelven los flujos en dos y tres dimensiones,

respectivamente, en 2D resuelve las ecuaciones de Saint-Venant y en 3D las de Navier-Stokes.

TOMAWAC resuelve la propagación de ondas en una zona costera. SISYPHE calcula el transporte de

sedimentos en 2 y 3 dimensiones. SEDI3D calcula únicamente los sedimentos en suspensión para

una modelación en 3 dimensiones. Hay otros 5 módulos para el procesamiento, sin embargo, aún

están en desarrollo. Para este proyecto solo se utilizarán los módulos TELEMAC2D y SISYPHE, es

decir, se va a resolver la hidrodinámica y el transporte de sedimento en 2 dimensiones. Estos se van

a explicar a continuación

http://www.telemacsystem.com/




2.4.1 Módulo de Modelación Hidrodinámica: Telemac 2D

TELEMAC2D simula flujos a superficie libre en 2 dimensiones. En cada nodo de la malla se calcula

altura de la lámina de agua y la velocidad en las dos direcciones. Telemac resuelve las ecuaciones

de Saint-Venant, por medio de elementos o volúmenes finitos en una malla triangular no

estructurada. Además, puede tener en cuenta diferentes factores físicos como:

Propagación de ondas largas, teniendo en cuenta efectos no lineales

Fricción de la cama

Influencia de la fuerza de Coriolis

Influencia de los factores meteorológicos: presión atmosférica y viento.

Turbulencia

Torrente y caudales

2.4.1.1 Ecuaciones de Saint-Venant

Las ecuaciones que resuelve TELEMAC2D son las ecuaciones del flujo a lámina libre en su forma no

conservativa:

Ecuación 7. Ecuaciones de Saint Venant en su forma no conservativa

𝜕𝜑ℎ

𝜕𝑡+ �⃗⃗� ∙ ∇(𝜑ℎ) + 𝜑ℎ∇ ∙ �⃗⃗� = 𝑆ℎ

𝜕𝑢

𝜕𝑡+ �⃗⃗� ∙ ∇𝑢 = −𝑔

𝜕𝐻

𝜕𝑥+ 𝑆𝑥 +

1

𝜑ℎ∇ ∙ (𝜑ℎ휀𝑠∇𝑢)

𝜕𝑣

𝜕𝑡+ �⃗⃗� ∙ ∇𝑣 = −𝑔

𝜕𝐻

𝜕𝑦+ 𝑆𝑦 +

1

𝜑ℎ∇ ∙ (𝜑ℎ휀𝑠∇𝑣)

Donde ℎ es la profundidad del flujo, 𝜑 es la porosidad local, ∇ es la divergencia actuando en un

campo vectorial o el gradiente actuando sobre un escalar, �⃗⃗� = (𝑢, 𝑣) es el vector de la velocidad

promedio en altura para las direcciones 𝑢 y 𝑣, en las direcciones 𝑥 y 𝑦 respectivamente, 𝑡 es el

tiempo, 𝑔 es la gravedad, 𝐻 es la altura de la lámina de agua, 휀 es la viscosidad de dada por el flujo

turbulento, finalmente, 𝑆ℎ , 𝑆𝑥 y 𝑆𝑦 son las pérdidas en el sistema para cumplir la conservación del

momento y la masa; estas pérdidas se dan por las fuerzas de fricción o escapes; sin embargo, 𝑆𝑥 y

𝑆𝑦 también comprende los esfuerzos por el viento, el efecto Coriolis y un escape del sistema




2.4.1.2 Esfuerzo Cortante

El esfuerzo cortante generado por el lecho es con el cual se determina las pérdidas 𝑆𝑥 y 𝑆𝑦. Este

esfuerzo se calcula en cada iteración, de la velocidad promedio en profundidad. Este calcula con la

siguiente ecuación:

Ecuación 8. Cálculo del esfuerzo cortante por TELEMAC

𝜏𝑜 =1

2𝜌𝐶𝑑𝑈2

Donde 𝜌 es la densidad del fluido, 𝑈 es la velocidad promedio en profundidad y 𝐶𝑑es un coeficiente

de fricción.

𝐶𝑑 depende de la ley de fricción que se elija, en este caso se utilizará el coeficiente de Manning, por

lo cual este coeficiente tiene la siguiente forma:

Ecuación 9. Cálculo coeficiente de rugosidad en base a ley de fricción - Caso Manning

𝐶𝑑 =2𝑔

ℎ13

𝑛2

En donde 𝑔 es la gravedad, ℎ la altura del flujo y 𝑛 es el coeficiente de Manning que se ingresa como

parámetro o TELEMAC puede suponerlo.

2.4.1.3 Viscosidad Turbulenta

Por otro lado, para calcular el efecto dado por el esfuerzo turbulento de Reynolds, o viscosidad de

turbulencia, se usó el siguiente modelo, el cual se basa en un intercambio de energía cinética y

turbulencia de disipación, para lo cual las ecuaciones serían estas:

Ecuación 10. Modelo de creación y destrucción de energía en la turbulencia - Viscosidad turbulenta

𝜕𝑘

𝜕𝑡+ �⃗⃗� ∙ ∇(𝑘) =

1

ℎ𝑑𝑖𝑣 (ℎ

𝑉𝑡

𝜎𝑘∇⃗⃗ 𝑘) + 𝑃 − 휀 + 𝑃𝑘𝑣

𝜕휀

𝜕𝑡+ �⃗⃗� ∙ ∇(휀) =

1

ℎ𝑑𝑖𝑣 (ℎ

𝑉𝑡

𝜎𝜀∇⃗⃗ 휀) +

휀

𝑘(𝑐1𝜀𝑃 − 𝑐2𝜀휀) + 𝑃𝜀𝑣




Donde 𝑘 representa la energía dada por turbulencia y 휀 es la disipación turbulenta. Los términos de

la derecha representan la producción y pérdida de energía.

2.4.1.4 Ajuste de Boussinesq

Las ecuaciones de Saint-Venant están calculadas en el caso de que exista precesiones hidrostáticas.

Por lo anterior, ante la eventualidad de que esta suposición sea importante, se puede aplicar

diferentes métodos para corregirlo. Uno de estos métodos es el coeficiente de Boussinesq o Serre.

En este caso se utilizará el método el Boussinesq, por esto, se debe agregar los siguientes términos

al lado derecho de las ecuaciones de Saint-Venant:

Ecuación 11. Ajuste del coeficiente de Boussinesq para la ecuación de Saint Venant

−𝐻𝑜

2

6𝑔𝑟𝑎𝑑⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ [𝑑𝑖𝑣 (

𝜕�⃗�

𝜕𝑡)] +

𝐻𝑜

2𝑔𝑟𝑎𝑑⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ [𝑑𝑖𝑣 (𝐻𝑜

𝜕�⃗�

𝜕𝑡)]

Una descripción completa de la teoría, correspondiente a la corrección de Boussinesq y su

modificación en las ecuaciones de Saint-Venant, es dada en el libro “Hydrodynamics of free Surface

flows” de Jean-Michael Hervouet (Wiley, 2007).

2.4.1.5 Requerimientos de TELEMAC

A este módulo se le deben dar mínimo tres archivos de texto con la información que requiere. El

primero de estos es el de comando que da las instrucciones o decisiones que el modelo debe tomar,

el segundo archivo representa la geometría o topografía del sitio de análisis, finalmente, el tercer

archivo describe las condiciones de frontera del modelo. A pesar de que estos son los tres archivos

básicos, existen otros 15 tipos de archivos que se pueden incluir, como lo son el archivo de la fricción

del lecho, archivos para los límites líquidos por hidrogramas o curvas de altura caudal, archivos

Fortran en caso de querer programar alguna característica especial en el modelo, archivo de

secciones de control, archivo para una computación previo o un inicio rápido, entre otros tipos de

archivos de texto. Estos documentos se usan según la especificidad y detalle que se quiera tener en

la modelación.

El modelo debe tener condiciones iniciales bien establecidas, éstas se ponen en el documento de

comandos, por medio de números o mediante una computación previa.

En cuanto a las condiciones de frontera se asignan a los nodos extremos del dominio. Estas se

asignan en su documento correspondiente y consiste en una serie columnas con números, los cuales

representan tipos diferentes de frontera, como Neumann Nula o Dirichlet No Nula. (Ver Ilustración

1)




Ilustración 1. Ejemplo de documento de condiciones de frontera

En el documento de comandos se debe especificar la duración de la simulación, los criterios para

que se detenga la simulación si se llega a tener ciertos valores, también se pueden crear sección de

control para calcular el caudal que pasa por ellas. En el documento de comandos se especifica que

factores se quieren tener en cuenta, como la pendiente, o corrientes secundarias, el efecto Coriolis,

la ley de fricción, entre otros parámetros que se deben especificar, si no se especifica el software

utiliza el que tiene por default.

2.4.2 Módulo de modelación de Sedimentos: SISYPHE

2.4.2.1 Evolución Lecho

El módulo SISYPHE calcula el transporte de sedimentos y la evolución en la morfología del cauce.

Calcula los cambios temporales en el lecho usando la ecuación de Exner e incorpora las fórmulas

más comunes para el transporte de sedimentos. Con estas fórmulas calcula la carga por unidad

volumétrica del transporte de sedimentos 𝑄𝑏. La evolución del lecho está dada por la ecuación de

Exner, la cual es representada de la siguiente forma:

Ecuación 12. Ecuación de Exner o de evolución del lecho

𝜕𝑍𝑏

𝜕𝑡= −

1

1 − 𝜆∇ ∙ �⃗� 𝑏




Donde 𝜆 es la porosidad del material de lecho, 𝑍𝑏 es la evolución del lecho, �⃗� 𝑏 = (𝑄𝑏𝑥 , 𝑄𝑏𝑦) es el

vector de la carga de sediemntos en la dirección 𝑥 y 𝑦 respectivamente.

2.4.2.2 Efecto de la Pendiente

Usualmente la carga de sedimentos tiene la misma dirección que flujo, sin embargo, en ríos

meándricos o ramificados esto varía, lo cual modifica no solo la dirección, sino la magnitud de la

carga transportada (Langendoen y Wang, 2016). SYSIPHE usa la formulación de Koch y Floktra para

corregir la magnitud, de la carga de sedimento, por el efecto de la pendiente. Esta fórmula de

corrección es la siguiente:

Ecuación 13. Ajuste en la dirección del transporte de sedimentos debido a la pendiente del terreno

𝑄𝑏

𝑄𝑏𝑜− (1 − 𝛽

𝜕𝑍𝑏

𝜕𝑠)

Donde 𝑄𝑏 es la carga correcta carga de sedimentos, 𝑄𝑏𝑜 es la carga incorrecta de sedimentos, 𝑍𝑏 es

la evolución del lecho, 𝑠 es la dirección del flujo y 𝛽 es un factor empírico.

La pendiente no solo modifica la magnitud, también la orientación. Para el ajuste en la dirección de

la carga de sedimentos, TELEMAC utiliza la siguiente fórmula:

Ecuación 14. Ajuste en la magnitud del transporte de sedimentos debido a la pendiente del terreno

tan ∝ − tan 𝛿 −2

3𝜃∙𝜕𝑍𝑏

𝜕𝜂

Donde 𝛼 es la dirección del transporte de sedimentos, la cual es relativa a la dirección del flujo

promedio en profundidad, 𝛿 es la dirección del esfuerzo cortante, el cual es relativo al flujo principal,

finalmente, 𝜂 es la dirección normal del flujo y 𝑍𝑏 es la evolución del lecho.

2.4.2.3 Corrientes Secundarias

Por otro lado, cuando en el cauce existe la presencia de corrientes secundarias, como en este caso,

se genera una variación en la dirección del esfuerzo cortante en el lecho. Por lo anterior, se debe

establecer una formulación que solucione esto. Para resolver esto, se utilizó la formulación dada

por Engelund, la cual es la siguiente:




Ecuación 15. Ajuste por la presencia de corrientes secundarias dado por una aceleración centrípeta

tan 𝛿 − 7ℎ

𝑅𝑐

Donde 𝛿 es la dirección del esfuerzo cortante, 𝑅𝑐 es el radio de curvatura, el cual genera que haya

un flujo secundario y ℎ es la profundidad del flujo.

2.4.2.4 Rugosidad de Formas

En cuanto a la rugosidad, TELEMAC tiene una distinción en cuanto rugosidad de grano y de forma,

en caso de la presencia de formas en el lecho la rugosidad se modifica y, por ende, el esfuerzo

cortante, como se muestra a continuación:

𝜏𝑜 = 𝜏′ + 𝜏′′

Donde 𝜏𝑜 representa el esfuerzo total, 𝜏′ es el esfuerzo dado por rugosidad de grano y, finalmente,

𝜏′′ es esfuerzo por rugosidad de forma. Es preciso decir que para determinar la carga de lecho y la

concentración de equilibrio se utiliza únicamente la rugosidad de grano y, por otro lado, la rugosidad

total determina la velocidad de advección o viscosidad de turbulencia y, además, con la rugosidad

total se determina los perfiles de velocidad y el perfil de concentración.

2.4.2.5 Transporte de Sedimentos

El transporte de sedimentos se puede dar de dos formas, en suspensión o por arrastre, por esto

TELEMAC divide la carga en estos dos modos de transporte. La carga total de sedimentos está dada

por la suma de la de suspensión y la de lecho.

Carga en Suspensión: Es la sumatoria del flujo de sedimentos, a lo largo de la profundidad, desde

la capa superior de la capa de carga de lecho hasta la superficie de la lámina de agua.

Para resolver esta carga se resuelve la ecuación de 2 dimensiones de advección y difusión. Para

encontrar la teoría a fondo de estas ecuaciones puede consultar “Manual of Practice 54,

Sedimentation Engineering” (García M., 2006). A continuación, se presenta la forma no conservativa

de esta ecuación:

Ecuación 16. Ecuación de advección y difusión en 2 dimensiones

𝜕ℎ𝐶

𝜕𝑡+

𝜕ℎ𝑈𝐶

𝜕𝑥+

𝜕ℎ𝑉𝐶

𝜕𝑦=

𝜕

𝜕𝑥(ℎ휀𝑠

𝜕𝐶

𝜕𝑥) +

𝜕

𝜕𝑦(ℎ휀𝑠

𝜕𝐶

𝜕𝑦) + 𝐸 − 𝐷




Donde 𝐶 = 𝐶(𝑥, 𝑦, 𝑡) es la concentración de sedimentos en suspensión, la cual se expresa en

porcentaje, 𝑈 𝑦 𝑉 son las velocidades promedio en profundidad, en las direcciones 𝑥 y 𝑦

respectivamente, 휀𝑠 es la difusividad turbulenta del sedimento, muy similar a la viscosidad de

turbulencia y ℎ es la profundidad del flujo.

La rata de no cohesión es igual a 𝐸 = 𝑤𝑠𝐶𝑒𝑞, en donde 𝐶𝑒𝑞 es la concentración de equilibrio. El perfil

de concentración se calcula mediante la formulación de Rouse, la cual es la siguiente:

Ecuación 17. Perfil de concentración de sedimento en suspensión. Ecuación de Rouse

𝐶(𝑧) = 𝐶𝑧𝑟𝑒𝑓(𝑧 − ℎ

𝑧

𝑎

𝑎 − ℎ)𝑅

𝑅 =𝑤𝑠

𝜅𝑢∗

Donde 𝜅 es la constante de Von Karman, igual a 0.4, 𝑢∗ es la velocidad de corte, 𝑎 es el límite

superior de la capa donde ocurre el transporte de lecho, ℎ es la profundidad del flujo, 𝑤𝑠 es la

velocidad de asentamiento y 𝑅 es el número de Rouse.

Carga de lecho: Es el flujo de sedimentos que ocurre en una delgada capa muy pegada al lecho.

Se utilizó la formula de Van Rijn, debido a la gran utilización que ha tenido en ríos con sedimentos

de bajo tamaño en su vida media. Además, esta fórmula es a la que mejor se acopla el tamaño de

los sedimentos del proyecto, los cuales van de 315 a 400 micrómetros de diámetro. La fórmula de

Van Rijn es válida para un material que tenga un rango de diámetro igual a 𝑑50 = [0.2 − 2] 𝑚𝑚. La

carga adimensional se calcula mediante la siguiente fórmula:

Ecuación 18. Fórmula de transporte de sedimentos por arrastre de Van Rijn

𝜙𝑏 = 0.053𝐷∗−0.3 (

𝜃 − 𝜃𝑐𝑟

𝜃𝑐𝑟)2.1

Esta carga se expresa se vuelve dimensional mediante la siguiente expresión:

Ecuación 19. Factor de carga adimensional que utiliza SISYPHE para unificar resultados de fórmulas

𝜙𝑏 =𝑄𝑏

√𝑔(𝑠 − 1)𝑑3




2.4.2.6 Parámetro de Shields

El parámetro de Shields se puede especificar como cuantificación en el documento de comandos o

puede ser calculado por el modelo según el diámetro adimensional. Si se elige la opción en donde

SISYPHE calcula el esfuerzo de Shields, el programa usa la siguiente expresión:

Ecuación 20. Cálculo del diámetro adimensional

𝐷∗ = 𝑑50 [(𝜌𝑠

𝜌− 1)

𝑔

𝑣2]

13

Ecuación 21. Cálculo del esfuerzo crítico o Parámetro de Shields

𝜏𝑐

𝑔(𝜌𝑠 − 𝜌)𝑑50=

0.24𝐷∗−1 , 𝐷∗ ≤ 4

0.14𝐷∗−0.64 , 4 < 𝐷∗ < 10

0.04𝐷∗−0.1 , 10 < 𝐷∗ < 20

0.013𝐷∗0.29 , 20 < 𝐷∗ < 150

0.045 , 150 ≤ 𝐷∗

Donde 𝐷∗ representa el diámetro adimensional, 𝑑50 es el diámetro medio del grano de sedimentos,

𝜌 es la densidad del agua, 1000𝑘𝑔

𝑚3 por defecto, 𝜌𝑠 es la densidad de los sedimentos, 2650𝑘𝑔

𝑚3 por

defecto, 𝑔 es la gravedad, 𝑣 es la viscosidad cinemática, 1.0𝑥10−6 𝑚2𝑠−1 por defecto y 𝜏𝑐 es el

esfuerzo crítico de Shields.

2.4.2.7 Velocidad de Asentamiento

Al igual que el esfuerzo cortante de Shields. La velocidad de asentamiento puede ser determinada

directamente por el usuario en el documento de comando o puede ser calculada por SISYPHE

mediante la siguiente ecuación:

Ecuación 22. Condiciones para el cálculo de la velocidad de asentamiento mediante SISYPHE

𝑤𝑆 =

(𝑠 − 1)𝑔𝑑502

18𝑣, 𝑠𝑖 𝑑50 ≤ 10−4

10𝑣

𝑑50 (√1 + 0.01

(𝑠 − 1)𝑔𝑑503

18𝑣2− 1) , 𝑠𝑖 10−4 ≤ 𝑑50 ≤ 10−3

1.1 √(𝑠 − 1)𝑔𝑑50 , 𝑅𝑒𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑎𝑠𝑜𝑠




Donde 𝑤𝑠 es la velocidad de asentamiento, 𝑑50 es el diámetro medio del grano de sedimentos, 𝑣 es

la viscosidad cinemática, 1.0𝑥10−6 𝑚2𝑠−1 por defecto, 𝑔 es la gravedad y 𝑠 =𝜌𝑠

𝜌 la densidad relativa

del sedimento respecto al agua.

AL igual que TELEMAC, SISYPHE utiliza tres archivos para su funcionamiento. El primero de estos

archivos es el de comandos, donde se selecciona las decisiones e instrucciones que seguirá el

modelo, concerniente al transporte de sedimentos como: el diámetro medio, fórmulas a utilizar de

transporte de sedimento, sea en arrastre o en suspensión, constantes y parámetros como el

esfuerzo de Shields y la velocidad de asentamiento, secciones de control para verificar la evolución

del lecho, entre otros comandos que puede tomar el modelo. El segundo de estos archivos es el de

las condiciones de frontera, este es un documento de texto igual al que se ingresa en TELEMAC, sin

embargo, tiene valores diferentes debido a que aquí se deben poner condiciones de fronteras

distintas que en la hidráulica. Finalmente, el tercer archivo tiene la malla computacional, es decir

crea todos los nodos con unas características de altura y de rugosidad determinadas, este archivo

se crea mediante la interfaz gráfica BlueKenue. Además de esto, SISYPHE debe contar con la

hidráulica del modelo, es decir con la velocidad y altura de cada nodo, la cual arroja TELEMAC. Estos

tres archivos son los básicos para que el programa pueda funcionar, pero existen otro tipo de

archivos para crear situaciones más detalladas por el usuario.




3 CASO DE ESTUDIO: RÍO ARAUCA – SECTOR BOCA GAVIOTAS

Se eligió el Río Arauca, ubicado en el noreste de Colombia (Ver Ilustración 2), para realizar la

modelación numérica mediante TELEMAC. Este sitio fue seleccionado por la importancia que tiene

su investigación, debido a su posición fronteriza y a las inundaciones que ocurren en la zona. Sin

embargo, es un río del cual no se cuenta con información pública relevante, con la cual realizar un

estudio apropiado. Se seleccionó el sector Boca de las Gaviotas, aproximadamente 20 kilómetros

río abajo del Municipio de Arauquita, ya que este punto presenta cambios morfológicos relevantes,

los cuales el Estado quiere revertir mediante una estructura hidráulica. Por lo anterior, La Boca de

las Gaviotas representa una convergencia de causales de investigación, como lo son: las

inundaciones del sector, la limitación fronteriza, el poco estudio que se tiene de este río, la variación

morfológica del cauce y la futura intervención hidráulica, entre otros. La combinación de estos

factores brinda la procedencia de modelar y evaluar mediante el software TELEMAC, con un interés

académico, el Río Arauca en el sector Boca de las Gaviotas.

Ilustración 2. Mapa de Colombia. Localización general. Ubicación y zona de estudio.




3.1 Cuenca del Río Arauca y Antecedentes

El Río Arauca nace en Colombia en la cordillera oriental y desemboca en Venezuela en el Río

Orinoco. La vertiente del Arauca nace en el Páramo del Almorzadero a 4000 msnm, cerca al Nevado

del Cocuy, y luego desciende sobre toda la llanura colombiana, zona de morfología

predominantemente plana, mientras recibe las aguas de otras corrientes. El Río Arauca presenta un

cauce de llanura aluvial de comportamiento morfológico particular, con una tendencia inusual hacia

la divagación y la difluencia, particularmente durante los flujos de avenidas. Sin embargo, el cauce

principal del río se comporta, básicamente, como un rio meándrico a sinuoso y luego recto unicanal.

(Moreno J, 2014). La cuenca del Río Arauca se puede dividir en tres: cuenca alta, media y baja. En

este estudio, el Sector la Boca de las Gaviotas se encuentra ubicado en la cuenca baja (Ver Ilustración

3), sin embargo, está muy cercano a la cuenca media. La cuenca baja va desde el municipio de

Arauquita hasta su desembocadura en el Orinoco.

Ilustración 3. Mapa de Arauca. Localización específica. Ubicación sector de estudio.

3.1.1 Hidrología

En la cuenca del Río Arauca juegan un papel importante los vientos alisios y la existencia de la

barrera topográfica de la cordillera oriental, cuyo efecto combinado del sistema de circulación

atmosférica con el relieve determina los rasgos climáticos de la zona (Moreno J, 2014). La

distribución temporal de precipitación tiene un comportamiento unimodal, en donde los meses de

diciembre a marzo representan el periodo seco y el otro periodo, compuesto por el resto del año,

se caracteriza por un clima húmedo con lluvias principalmente en los meses de abril a julio. En estos

meses de lluvia se despide el 60% de la precipitación anual, siendo el mes de julio el más lluvioso,

con lluvias de hasta el 20% del total de la precipitación (Lab. Hidráulica U. Nacional, 1999). En

general, en esta cuenca se tienen grandes precipitaciones en el lado oeste, en su nacimiento cerca




de la cordillera, donde se alcanzan precipitaciones de hasta 5000 milímetros por año. En cuanto al

lado este, donde se encuentra el sector de estudio, en la cuenca media y baja, se presentan valores

con un orden de 1500 milímetros por año.

En la parte baja de la cuenca se presentan caudales uniformes, es decir que en la parte baja existe

un mayor aporte de aguas subterráneas y al efecto de amortiguamiento. Los datos obtenidos

permiten mostrar que luego de la difluencia del Brazo Bayonero, se nota una pérdida de caudal del

20 %, el cual es evacuado a través de las difluencias y que indica claramente la capacidad de

desbordamiento que tiene el río Arauca en este sector (Moreno J., 1998). No se cuenta con

información hidrometeorológica en el sector Boca de las Gaviotas. Además, no se encuentran

estaciones activas del IDEAM cerca de la zona. Por lo anterior, no es posible realizar una

caracterización precisa de la hidrología del sector de estudio. El IDEAM cuenta con una estación

limnigráfica en la cuenca media, la más cercana a la zona de estudio, la Estación el Alcaravan, la cual

muestra que para caudales altos existe la tendencia a reducir su valor rápidamente, indicando que

la zona se comporta como una planicie de inundación. Por otro lado, con caudales mínimos, el río

suele mantener estos caudales bajos con flujo base de aproximadamente 20 𝑚3

𝑠 (Martinez A, 2014).

3.1.2 Geología

Todo este sector del noreste de Colombia es conocido por la alta actividad petrolera, estas

características en la estratigrafía del subsuelo se presentan principalmente sobre el Río Arauca

(Molina, 1991). Y, superficialmente, se encuentran depósitos aluviales originados en el cuaternario.

Para consultar en detalle la geomorfología del cuaternario puede consultar “Geología,

geomorfología y dinámica fluvial. Estudio del Río Arauca internacional”. Sin embargo, en general,

estos depósitos consisten en materiales erosionados de la Cordillera Oriental que se depositaron a

lo largo de los llanos y formaron abanicos y terrazas aluviales en el terreno. Aunque la cuenca del

Arauca tiene fallas que pueden afectar la dirección del río, no se ha podido apreciar su efecto

superficialmente. No obstante, estas fallas pueden tener importancia en los cambios morfológicos

en los últimos 500 años. La dirección principal de estas fallas se encuentra en la Cordillera Oriental

de noreste a sureste y tiene carácter compresional. Las fallas más importantes son la Falla de Yopal,

la Falla de Guaicáramo y la Falla de Tame-Corozal, que son fallas inversas, paralelas al eje de la

Cordillera Oriental y tienen buzamiento al occidente, (Estudios Y Asesorías 1989).

3.1.3 Análisis Morfodinámico y Dinámica Fluvial

El Río Arauca ha presentado una divagación de sur a norte desde 1945, esta divagación se da desde

los Bajos de Lipa, en Colombia, hasta la cuenca del Río Sarare-Apure en Venezuela (Moreno 1998).

Esta divagación o comportamiento que tiene este sector representa a la morfología generalizada de

este río. En la cual, su principal característica es la difluencia en cono o delta, cuyo eje inicial o ápice

se encuentra aproximadamente en Arauquita y se va expandiendo poco a poco (Ver Ilustración 4).




Se ha establecido la geomorfología como el producto de los diferentes procesos morfodinámicos,

asociados a los cambios de dinámica fluvial tan intensos que se han registrado. (Moreno J, 2014).

Según Moreno, quien estudio mediante fotos satelitales los cambios morfológicos del Río Arauca y

lo relacionó con las fallas existentes, su análisis no muestra una concordancia entre las fallas

definidas en el subsuelo, y los cambios morfodinámicos que tuvo el río, por lo cual resulta más

probable que estos cambios sean debidos a un comportamiento netamente dinámico, es decir el

proceso de transporte y depósito de la carga sólida en la llanura aluvial.

Ilustración 4. Imagen de Radar en 1972 de la zona de estudio. Se aprecia como desde Arauquita se va forma un delta

3.2 Sector de Modelación: Boca de las Gaviotas

El sector Boca de las Gaviotas se encuentra aproximadamente 20 kilómetros aguas debajo del

Municipio de Arauquita, Colombia. En los años 2016 y 2017 se realizaron campañas conjuntas de

recolección de datos, las cuales fueron lideradas por el IDEAM, y que buscaban obtener información

del sector por medio de aforos sólidos y líquidos. Estas campañas clasificaron los resultados en tres

grupos: aforos líquidos y perfiles transversales, aforos sólidos y curvas granulométricas y,

finalmente, gradientes hidráulicos. Para el caso se estudió se cuenta con esta información, ya

mencionada, en tres puntos: Antes de la bifurcación del Brazo Reinera y en los dos brazos justo

después de la bifurcación, el Brazo Gaviotas y el original Reinera (Ver Ilustración 5).




Ilustración 5. Esquema de la ubicación de las mediciones que se realizaron en los años 2016 y 2017

De los brazos identificados con los números 8,9 y 10 es de donde se utilizaron los datos para realizar

el modelo computacional. A continuación, se presenta una foto del lugar exacto de la modelación.

Es preciso mencionar que esta foto es de Google Maps, y en ella se logra apreciar que el sector de

análisis está exactamente en la intersección entre dos fotos satelitales. Por esto, se puede apreciar

otro verde en la naturaleza y en el río entre ambas fotos. La foto más reciente es la de abajo, donde

se puede ver que la entrada al Brazo Reinera ya está sedimentada y su sección transversal es mucho

más pequeña. En la siguiente imagen también se encuentran marcados con puntos amarillos el lugar

de los aforos:

Ilustración 6. Zona de estudio detallada con los puntos de donde se tiene información de aforos líquidos y sólidos




3.2.1 Información Disponible del Sitio de Estudio

Durante las dos campañas que realizó el IDEAM en los años 2016 y 2017 se midieron las mismas

variables. Se realizaron aforos líquidos y sólidos en los 3 puntos. Por lo cual, se tienen 3 batimetrías

y 3 aforos para cada año de estudio. La primera campaña del año 2016 se realizó en el mes de

agosto, por lo cual se acababa de terminar la época de lluvias intensas. En cuanto a las mediciones

del año 2017, se realizaron en el mes de marzo, por lo cual acababa de terminar el periodo seco e

iban a empezar las precipitaciones anuales. Por lo anterior, no se cuenta con ninguna medición

realizada en épocas de caudales máximos, siendo la del año 2017 la que más se acerca a este

propósito. En estas mediciones se utilizó una estación total, dada por el IGAC, para establecer la

cota 0 y las coordenadas de las mediciones. Estas coordenadas se establecieron como coordenadas

esféricas que luego se ajustaron mediante ArcGis para trabajar todas las coordenadas en TRAVERSE

MERCATOR.

Para las mediciones de caudal líquido se utilizó el perfilador de corriente ADP M9 de última

tecnología, el cual trabaja con un sistema de 9 transductores, con 2 conjuntos de 4 haces de perfiles

(cada conjunto tiene su propia frecuencia), 1 haz vertical y un sensor de temperatura. Internamente

posee una brújula, dos sensores de movimiento y memoria de 8 GB (Ver Ilustración 7). Los

resultados que arroja el modelo permiten el cálculo del aforo líquido y la batimetría de la sección

transversal (Ver Ilustración 9).

Ilustración 7. Mediciones realizadas para aforos líquidos en campañas IDEAM

Las muestras para la obtención del caudal sólido, se realizaron utilizando el método de bolsa

plegable, el cual integra en la vertical la muestra de agua y mediante un tamiz de 63 micras permite

obtener dos muestras para ser analizadas en laboratorio y así calcular la concentración media y el




transporte total de sedimento en suspensión. Para los sedimentos de lecho se utilizó una draga y

luego se recolecto el material (Ver Ilustración 8).

Ilustración 8. Mediciones realizadas para aforos sólidos en campañas IDEAM

Mediante estos aforos se midió la altura de la lámina de agua, los caudales líquidos que circulaban

en el momento del aforo, la carga de sedimentos en suspensión y lecho, las batimetrías con

coordenadas, la cota 0 medida por el IGAC, curvas granulométricas y el gradiente hidráulico que se

genera en el cauce, este último se calcula ya que se realizaron medidas a lo largo de toda la cuenca

media del Río Arauca. Es preciso decir que estos aforos, aunque siguieron todas las

recomendaciones pertinentes por los proveedores de los equipos, tienen una incertidumbre

intrínseca de errores humanos y sistemáticos. Además, se debe tener en cuenta que un río en un

ente muy complejo, el cual puede presentar mediciones muy diferentes, en la altura de la lámina o

en la carga de los sedimentos, en un mismo punto, pero en diferentes periodos temporales, aunque

sean cortos (Díaz M,2018). Por lo anterior, al realizar la modelación se debe tener en cuenta esta

incertidumbre y no intentar “sobre calibrar” el modelo, con el objetivo de lograr los mismos

resultados que los aforos.

Ilustración 9. Ejemplos de las batimetrías de los aforos con ADCP para los años 2016 y 2017.




3.2.2 Dinámica Fluvial Histórica en el Tramo de Estudio

La irregularidad en la morfología del río inicia aguas abajo del Municipio de Arauquita, cerca de la

Falla El Rubí que está a una profundidad sísmica. En este punto el río pierde todo su confinamiento

y empieza a divergir en diferentes brazos y, no solo eso, también empieza a divagar en pequeños

afluentes, inclusive con caudales bajos. En algunos casos genera brazos importantes como el Brazo

Bayonero, el Río Viejo y el Brazo Reinera.

La morfología de la llanura aluvial del río, aguas abajo de Arauquita, presenta numerosos relictos de

paleocauces del río, los cuales están flanqueados por diques naturales y que hoy constituyen

estructuras de confinamiento parcial. Estas estructuras ayudan a encauzar y dirigir los flujos de

desbordamiento sobre la planicie aluvial del río en épocas de aguas altas. (Moreno J, 2014). Por

medio de las imágenes satelitales se puede apreciar que el río, de cierta forma, está presentando

un comportamiento deltaico mediante estas divergencias y difluencias. También se puede observar

que el río parece seguir la dirección de la falla de dirección NO-SE previamente mencionada. Sin

embargo, en palabras del profesor Moreno:

Es más probable pensar en que los cambios ocurridos en este tramo son originados más por

cambios en el comportamiento morfodinámico del paleocauce del Arauca que migra desde

la zona denominada bajos del Lipa en territorio colombiano, hasta la cuenca de los Ríos

Sarare - Apure en Venezuela, como lo demuestra el análisis foto interpretativo de dinámica

fluvial detallado presentado. (p. 10)

Ilustración 10. Imagen satelital Río Arauca tramos desde Arauquita hasta Arauca

Es de destacar, igualmente, la formación del Brazo Bayonero en las décadas del 40 y 50. Esto ocurrió

por un intenso socavamiento de la orilla y aún no se conocen causas externas. Actualmente el brazo




Bayonero presenta una colmatación, esto se debe al dragado que se hizo de 1976 a 1982 y a la

construcción de espolones por el Estado, con el fin de cerrar esta divergencia del cauce original. La

aparición del Brazo Bayonero generó que la isla gaviotas se volviera más grande pues ahora tenía la

porción de tierra que encerró este brazo. Por otro lado, el comportamiento del Brazo Gaviotas

siempre ha variado en base al comportamiento del Brazo Bayonero. Moreno en su análisis menciona

que debido a que el Bayonero se está cerrando, el Brazo Gaviotas está creciendo como

consecuencia. En otras palabras, el cierre del Bayonero hace que el Gaviotas ensanche su cauce,

aumente el caudal y se vuelva el cauce principal

Lo anterior es realmente importante, ya que puede ser posible que una modificación o intervención

en el actual Brazo Bayonero pueda resultar mejor que una intervención en el Brazo Gaviotas,

teniendo en cuenta que el proceso puede resultar más económico.

Para finalizar, debido a la actividad petrolera, donde se genera actividad sísmica, se han reforzado

las fallas del subsuelo, las cuales parecen dirigir de cierto modo la dirección del Río Arauca. Sin

embargo, no hay pruebas fehacientes de que la morfología actual, es adquirida por acción

netamente tectónica (Moreno J, 2014). Por lo anterior, es preciso decir que este cambio también se

debe a una actividad fluvial muy intensa. Principalmente, a partir de la población de Arauquita,

donde el río toma su forma deltaica sobre la planicie aluvial y cambia su curso de manera intensa.

Por lo anterior, el río puede migrar de un país a otro en diferentes momentos. Lo cual hace

importante su estudio y modelación, con el fin de controlar efectos de sedimentación, natural o

antrópica y controlar las orillas para mitigar la socavación lateral.




4 METODOLOGÍA

Como se mencionó en la sección 3.2.1 de este documento, se cuenta con los aforos que se realizaron

en los años 2016 y 2017, para época seca y época de lluvia respectivamente. Estos aforos son de 3

secciones en cada año, una para cada brazo implicado, por lo que se tiene un total de 6 aforos. El

tramo de modelación es de aproximadamente 800 metros entre el brazo Reinera y Reinera Gaviotas,

y 200 metros del brazo Reinera Reinera. Aunque se tenía 6 batimetrías, estaban en diferentes etapas

temporales, por esto solo se utilizaron las tres tomadas en el año 2017, ya que eran las más recientes

y, además, se tomaron durante época de lluvia, la cual es la más constante en la zona. Aunque las

tres batimetrías representan de manera adecuada la parte recta del tramo, en la intersección de los

tres brazos se presenta una gran incertidumbre, intrínseca de la interpolación de los puntos.

Además, los brazos presentan una topografía muy distinta entre ellos, lo cual vuelve más complejo

el proceso de interpolación. Por lo anterior, se considera que es importante conocer con más detalle

la batimetría en la intersección de los brazos. Por otro lado, no se tiene información hidrológica

apropiada, con la cual se puedan generar datos para el modelo. Es preciso aclarar que no hay

ninguna estación del IDEAM en el sector con mediciones limnimétricas, con la cual se pueda generar

una curva de descarga.

4.1 Procesamiento Información Inicial y Creación Topo-Batimetría:

ArcGIS

Se utilizaron las tres batimetrías del IDEAM, junto con un DEM de Colombia de una resolución de

12.5 m x 12.5 m. Se convirtieron los archivos suministrados por el IDEAM con terminación “.rivr”,

en archivos que se utilizan mediante softwares de georreferenciación como lo son de tipo DEM, TIN

o como una capa. Estos archivos se combinaron con el DEM disponible y se determinó la topografía

del sector de análisis. Estos datos se reunieron mediante una serie de puntos con coordenadas en

una capa en ArcGIS, luego, esta capa se convirtió a un archivo de texto de formato xyz para su

utilización con el software BlueKenue. Este último programa crea la malla computacional a partir

del archivo xyz. En esta malla computacional también está la rugosidad de cada sector del río, esta

rugosidad se determina mediante polígonos en ArcGIS que se asocian con la topografía mediante

una superposición.

4.1.1 Procesamiento Archivos ADCP: Software RiverSurvey

La información suministrada por el IDEAM consistía en los archivos que arroja el hardware del ADCP,

con el cual se realizan los aforos. Este ADCP cuenta con un software llamado WinRiver para su

utilización en campo. Mediante WinRiver se crean archivos con una terminación “.rivr”. Estos

archivos, para su post procesamiento, se deben abrir y utilizar mediante el software RiverSurvey

(Ver Ilustración 11).




Ilustración 11. Software para trabajo en campo: WinRiver y software para post procesamiento: River Survey

En este programa, RiverSurvey, se utiliza la información y se puede exportar a diferentes formatos.

En este caso se exportó la batimetría, con sus coordenadas, a una hoja de Excel, la cual se utilizó

para importar los datos a ArcGIS. Además, mediante el ToolBox “Velocity Mapping ToolBox” se

importaron las batimetrías a Matlab. Mediante Matlab se vieron las batimetrías y el resultado de la

interpolación de estas, con diferentes métodos como “Natural Neighborhood” o “Skirt”; además, se

corrigieron errores en los datos debidas a fallas instrumentales. Lo anterior, se realizó ya que con

esta herramienta se podían graficar las batimetrías y detectar las inconsistencias en los datos

visualmente (Ver Ilustración 12). En conclusión, en esta fase se convirtió los archivos iniciales, a un

archivo de Excel que contenía todos los puntos de las batimetrías en sus tres coordenadas.

Ilustración 12. Mediante software Matlab: Análisis métodos de interpolación y corrección de puntos inconsistentes




4.1.2 Procesamiento Batimetría Excel a Topo-Batimetría del Sector de Modelación:

ArcGIS

El archivo de Excel se importó a ArcGIS, esto se hizo como una serie de puntos. En cuanto al DEM,

es un raster que contiene las elevaciones del terreno. En la Ilustración 13 puede ver las dos capas,

el DEM de 12.5 m x 12.5 m y los puntos que representan las batimetrías de las secciones trasversales.

En la primera parte de esta ilustración se encuentra el DEM como raster y las 6 batimetrías, en la

segunda imagen se pude ver que el DEM, además de estar como raster, se encuentra como puntos

y, finalmente, en la tercera imagen se ve el polígono correspondiente al cauce del río.

Ilustración 13. Proceso de manejo de información inicial para la interpolación de la Topo Batimetría del sector de modelación

Como se pude ver en esta ilustración, la calidad del DEM con el que se contaba era muy mala. Lo

anterior, debido a que tenía huecos en algunos pixeles y, además, era de hace más de una década,

por lo cual el Brazo Gaviotas no se puede apreciar bien y el Brazo Reinera está bien definido con un

cauce amplio, lo cual ya no es así. Por lo anterior, se cortó el DEM por donde circula el cauce

actualmente y se removieron los puntos en el interior de la figura, esto se hizo mediante un polígono

importado del programa Google Earth Pro (Ver Ilustración 13). Luego de esto, se utilizaron los

puntos del DEM, los que estaban afuera del cauce, junto con las batimetrías del año 2017 y,

finalmente, se realizó el proceso de interpolación en la zona de análisis a partir de estos puntos. La

interpolación se realizó mediante varios métodos, estos se evaluaban según las batimetrías que se

tenían, sin embargo, el que mejor logró representar la topografía del terreno fue el método “Topo

to Raster”. Es preciso mencionar que, en este proceso de interpolación se intentaron varias

combinaciones de puntos en la interpolación. Por ejemplo, las batimetrías de los dos años, solo las

batimetrías del 2017, las batimetrías del 2016, o 2017, junto con los puntos del DEM, todos los

puntos, entre otros. Cada una de estas alternativas se iba evaluando en base a que tan similar era

con las batimetrías originales, ya que algunos métodos no conservaban las medidas iniciales. A

continuación, en la Ilustración 14, se pueden ver algunos de los métodos que se usaron y sus

diferentes resultados. Además de esto, en la Gráfica 1 se puede ver la interpolación final después

de realizado este proceso.




Ilustración 14. Resultados de algunas interpolaciones con diferentes combinaciones de puntos y mediante diferentes métodos de interpolación.

4.1.3 Topo Batimetría Final del Proyecto

La topo batimetría final se hizo mediante el método de “Topo to Raster” de ArcGIS. Este método de

interpolación pide archivos de entrada como: el polígono de las bancas, la dirección del flujo

mediante líneas, los puntos fijos correspondientes a las batimetrías, los puntos con cierta

incertidumbre correspondiente a los del DEM, la tolerancia de la interpolación y todo el polígono

correspondiente al sector de modelación. El resultado de esta interpolación es un DEM, el cual se

puede modificar mediante diferentes herramientas como Weigted Sum o Superposición con el fin

de que se generen resultados coherentes con las cotas reales del terreno. Luego de que se tenía la

interpolación, en todos los intentos, se debía verificar la evolución y la topografía resultante. Lo

anterior se realizó mediante el software BlueKenue. A continuación, se presenta el DEM final que

se utilizó en la modelación. Adicional a esto, se presentan las tres secciones transversales la de los

aforos y la del modelo. En el modelo se evaluó en tres puntos cercanos a las batimetrías originales,

por lo cual el modelo presenta tres secciones transversales en cada punto.

No se da un paso a paso detallado del proceso ya que no se considera que sea objetivo de este

proyecto. Sin embargo, para unir los puntos del DEM con la batimetría se debe trasladar los puntos

del DEM a Excel en formato xyz, luego estos se deben unir con la batimetría se quiera. Y finalmente,




esta combinación de puntos en Excel se importa desde ArcGIS para realizar la interpolación. Se debe

tener especial cuidado en que todos los puntos estén en las mismas coordenadas.

Gráfica 1. Topo batimetría final del sector de modelación mediante la herramienta Topo to Raster de ArcGIS

A continuación, se mostrarán las secciones transversales que tiene el modelo. La intersección de los

tres brazos es en donde se presenta mayor incertidumbre en la modelación. En las siguientes

ilustraciones se encuentran dos imágenes, la de arriba muestra la batimetría real y la de abajo la

batimetría del modelo. Sin embargo, las secciones del modelo no son exactamente en la posición




de la original, ya que la idea era evaluar el comportamiento en donde había mayor incertidumbre.

Además, como se mencionó anteriormente, el método de interpolación que se utilizó, Topo to

Raster, tiene como puntos inmodificables a la batimetría original, por lo cual las secciones en esos

puntos son iguales a las batimetrías. Por otro lado, ambas imágenes tienen sus dimensiones en

unidades internacionales, metros en este caso. La imagen de abajo tiene las medidas en base a la

cota, por eso aparece la altura sobre el nivel del mar; sin embargo, muestra la misma información

que la imagen de arriba. En seguida, se muestra un boceto de la ubicación de las secciones

transversales que se mencionan posteriormente:

Ilustración 15. Boceto de la ubicación de las secciones transversales que se usaron para la validación del modelo.

4.1.3.1 Sección Transversal Brazo Reinera

Se tomaron secciones transversales en el modelo cercanas a las batimetrías iniciales, en este caso

la más cercana está representada con el color amarillo. Las secciones se tomaron cada 20 metros

aguas abajo, siendo la de color azul la más lejana a la sección inicial. Se puede ver que en la parte

derecha la topografía se eleva, esto se produce ya que la batimetría del Brazo Reinera - Reinera está

casi 1 metro por encima de la cota de la del Brazo Reinera. Sin embargo, esta última parte de este

brazo hace parte de las zonas de mayor incertidumbre, la intersección.




Gráfica 2. Comparación y validación de la topografía del modelo con respecto a la batimetría real. Sección Brazo Reinera.

4.1.3.2 Sección Transversal Brazo Reinera-Gaviotas

En este caso la más cerca a la batimetría original está representada con el color azul. Además, la

más lejana esta con color rojo. Se puede ver como la interpolación a medida que se aleja de la

batimetría original suaviza la topografía volviéndola más plana. En la gráfica azul se puede ver que

a unos 20 metros de la batimetría original aún se mantiene la forma característica. Por otro lado, es

preciso mencionar que, la imagen de arriba fue dada por el software RiverSurvey, la cual es la que

da directamente el ADCP, por lo cual solo tienen en cuenta a 0.3 metros desde la banca del río. Lo

cual en este caso es bastante notorio en la gráfica azul. Lo anterior, ya que en la imagen de abajo la

sección esta tomando un poco del terreno calculado a partir del DEM y hace que se vea una

elevación importante que no existe en la batimetría original.




Gráfica 3. Comparación y validación de la topografía del modelo con respecto a la batimetría real. Sección Brazo Reinera – Gaviotas.

4.1.3.3 Sección Transversal Brazo Reinera - Reinera

Para la sección del Brazo Reinera – Reinera se usaron secciones con una diferente organización. La

sección más cerca está medida 20 metros aguas abajo de la batimetría original y está representada

con el color azul. Las otras dos secciones transversales, la de color verde y color rojo, se tomaron 30

y 60 metros aguas arriba de la original, respectivamente. Se puede ver que la interpolación utilizada

suaviza mucho la sección transversal a medida que se aproxima a la intersección, en donde se vuelve

casi como un rectángulo sin imperfecciones. Esto puede tener una diferencia con la batimetría real

y se recomienda tener en cuenta esto en caso de utilizar el modelo. Se recomienda realizar una




medición aguas debajo de esta intersección para establecer mejor el comportamiento de la parte

recta del cauce.

Gráfica 4. Comparación y validación de la topografía del modelo con respecto a la batimetría real. Sección Brazo Reinera – Reinera.

4.2 Creación Malla Computacional y Condiciones de Frontera: BlueKenue

Para correr TELEMAC o SISYPHE se necesitan mínimo tres archivos: la topo batimetría, las

condiciones de frontera y los comandos del modelo. En este caso se va a determinar el primero de

estos archivos, la topo batimetría. Esta Topo Batimetría, además, tiene que tener la rugosidad

establecida, por lo cual en esta sección se creó un archivo con la topografía y rugosidad de toda la

zona de modelación. Este primer archivo, con sus requerimientos, es creado mediante el software




canadiense BlueKenue, el cual es gratis y de libre descarga, este lo puede encontrar en el siguiente

link: https://www.nrc-cnrc.gc.ca/eng/solutions/advisory/blue_kenue/download_blue_kenue.html

4.2.1 Creación de la Malla Computacional Con la Topo Batimetría

Luego de que se determina el DEM que se va a utilizar en la modelación, se convierte a TIN, luego a

un conjunto de puntos y, finalmente, a un sistema ASCII con formato xyz. Cuanto se tiene la

batimetría en formato xyz, se puede utilizar el software BlueKenue para crear la malla

computacional a partir de la topografía. El proceso que realiza BlueKenue consiste en crear una

interpolación de los puntos asignados y crear una malla según esta interpolación. Sin embargo, el

proceso de interpolación en este caso se realizó mediante ArcGIS por lo que este paso no es

necesario. Por lo anterior, solo se le debe agregar la distancia a la que está cada nodo

longitudinalmente y, también, cuantos nodos caben en la sección transversal del cauce. En este caso

se tienen dos corrientes, por lo que se deben especificar este número para ambas secciones

transversales: Reinera – Reinera y Reinera – Gaviotas. El ancho del Brazo Reinera es muy similar al

Brazo Gaviotas, por esto solo se discretizan en dos cauces. La siguiente tabla resume el número de

nodos utilizados para cada cauce:

Tabla 2. Número de nodos utilizados en cada cauce para crear la malla computacional de la modelación.

Componente de la Malla Distancia longitudinal entre nodos (m)

Número de nodos en el ancho de la sección transversal (#)

Reinera – Reinera 5 metros 20

Reinera – Gaviotas 5 metros 50

Esta malla computacional se crea para cada cauce, luego mediante une herramienta en BlueKenue

llamada “T3 Mesh Generator” se unen las dos mallas y se crea la malla final. Esta malla no tiene

zonas donde se requiera mayor detalle, sin embargo, para crear estas de zonas de mayor

importancia el proceso es igual. Se crea el polígono que se quiere con mayor detalle, se le asigna un

mayor número de nodos a este polígono y luego se vuelve a unir mediante la misma herramienta.

En este caso todas las bancas representan la misma importancia, y, al no tener la estructura

hidráulica que se piensa construir, no es relevante hacer la malla con detalle en algún punto

específico. Por lo anterior, toda la malla computacional que se elaboró contiene distancias

simétricas entre ellas. A continuación, se presenta un boceto en 3D de la malla computacional y una

imagen que muestra los nodos de cerca:

https://www.nrc-cnrc.gc.ca/eng/solutions/advisory/blue_kenue/download_blue_kenue.html




Ilustración 16. Boceto de la malla computacional de la topografía en 3D y una imagen de cerca de la malla en 2D.

Luego de que se tiene la malla se le asigna al archivo llamado “Selafin”, este es el archivo que recibe

TELEMAC. Este archivo es un documento de texto con toda la información en el formato que se

necesita. La malla se le asigna a SELAFIN mediante una herramienta en BlueKenue.

4.2.2 Creación de la Malla Computacional con la Rugosidad por Sector

Al igual que la topografía, la rugosidad del terreno se le tiene que asignar al modelo mediante el

archivo SELAFIN, ya mencionado. El proceso para asignar diferente rugosidad al terreno es muy

similar al que se usó en el momento de crear la malla topográfica. En caso de que se quiera tener

una rugosidad compuesta, como en este caso, se debe seguir este paso. Si todo el terreno va a tener

la misma rugosidad, esto no es necesario.

Como se mencionó anteriormente, en la sección 4.1, se elaboró el archivo xyz que contiene todos

los puntos del modelo. Estos puntos están con coordenadas y una elevación determinada. Lo que

se debe hacer para elaborar la malla de rugosidades es cambiar la elevación de esos puntos y asignar

la rugosidad que se quiere. Para este proyecto, se dividió la zona de modelación en tres sectores, el

primero es el terreno topográfico alrededor del río, o la planicie de inundación, el segundo es la

rugosidad correspondiente al Brazo Reinera – Reinera y, por último, la rugosidad correspondiente a

los Brazos Reinera y Gaviotas. Es preciso aclarar que se utilizó una rugosidad en base al software

“Conveyance Estimation System” (CES). Este programa es una herramienta, la cual permite calcular

diferentes parámetros necesarios en la modelación de ríos. En este caso, se utilizó para calcular la

posible rugosidad que tenían los tres sectores mencionados, esto se hace mediante fotografías de

otros ríos a los cuales ya se les han calculado su coeficiente de Manning, y se compara con el río de

análisis. En seguida, se muestran los tres sectores seleccionados para que tengan una rugosidad

determinada (Ver Ilustración 17) y, también, se muestra un esquema de la interfaz que tiene el

software utilizado (Ver Ilustración 18):




Ilustración 17. Selección de las tres secciones del río con rugosidad determinada por el usuario

Ilustración 18. Rugosidades calculadas mediante el software Conveyance Estimation System para los tres sectores de la modelación

Como se puede ver en la Ilustración 18, según la comparación de fotos que se tienen del Río Arauca,

en el sector de análisis, con los ríos que tiene predeterminado CES; se tiene una rugosidad según el

coeficiente de Manning de:

Tabla 3. Discretización del sector de modelación en zonas con diferente rugosidad

Sector del Cauce Coeficiente de Rugosidad de Manning Planicie de Inundación 0.08

Brazo Reinera – Reinera 0.045

Brazos Reinera y Gaviotas 0.065

Con estas rugosidades se creó una malla computacional, con el mismo proceso que para la

topografía, y luego se le asignó al archivo SELAFIN, el cual es el que recibe TELEMAC para poder

realizar la simulación. Este ya es el primer archivo que el programa requiere.




4.2.3 Creación de las condiciones de fronteras del modelo

Luego de que se tiene el archivo SELAFIN con la topografía y la rugosidad del terreno, se deben crear

las condiciones de frontera. Estas condiciones de frontera se crean, igualmente, mediante

BlueKenue, el archivo final es un archivo de texto con 12 columnas. Este archivo tiene todos los

nodos de las fronteras de la malla computacional, cada nodo tiene 11 columnas que especifican el

tipo de nodo que es y las características que tiene. A continuación, se muestra las condiciones de

frontera que se especificaron en el modelo, cada tipo tiene un color específico:

Gráfica 5. Condiciones de fronteras establecidas en el modelo

Como se puede ver en la Gráfica 5, existen tres tipos de frontera en el modelo que se creó, estas

están representadas mediante los colores café, verde y azul. Estas fronteras tienen combinaciones

diferentes, en el archivo de texto, en sus columnas y tienen comportamientos muy diferentes. En

seguida se dará una descripción de las características principales de estas condiciones de frontera:




Fronteras Topográficas Tipo Muro - CAFE: No permite que el fluido cruce la frontera al

considerar la condición de no deslizamiento (Dirichlet Nula) y se permite que el nivel del

agua fluctúe libremente (Neumann nula). Estas fronteras no variaron en toda la modelación.

Fronteras de Entrada del Cauce - AZUL: Establece un caudal de entrada (Dirichlet no Nula)

pero se permite que el nivel de la lámina de agua fluctúe libremente (Neumann nula). En

este caso de debe imponer un caudal de entrada mediante el archivo de comandos, este

caudal variaba según se quería evaluar, se analizaron caudales de 0 hasta 1200 𝑚3

𝑠.

Fronteras de Salida del Cauce - VERDE: Permite que el caudal de salida varíe (Neumann nula)

pero se establece el nivel de la lámina de agua (Dirichlet no nula). En este caso es donde se

presenta incertidumbre, debido a que solo se cuentan con dos aforos líquidos, es decir que

solo se tiene la altura de la lámina de agua en dos momentos. Por lo anterior, en el momento

que se evaluaban caudales diferentes a 311 o 588 𝑚3

𝑠, correspondientes a los aforos, se

debía suponer la altura a la que se encontraba en río. Para caudales inferiores a 311 𝑚3

𝑠 y

hasta 450 𝑚3

𝑠, se utilizó la altura de 4.53 𝑚 para el Brazo Gaviotas y 0.8 𝑚 para el Brazo

Reinera- Reinera; estas alturas corresponden a las que tenía el aforo del año 2016, la de 311 𝑚3

𝑠. Para caudales de 450

𝑚3

𝑠 hasta 650

𝑚3

𝑠 se utilizó la altura de 5.07 𝑚 para el Brazo Gaviotas

y 1.59 𝑚 para el Brazo Reinera - Reinera, correspondiente a la lámina del aforo del año 2017.

A partir de ahí, se utilizaron alturas impuestas por el usuario, en las cuales iba aumentando

la altura a medida que aumentaba el caudal. Lo anterior, se realizó con un proceso iterativo,

en el cual las alturas se iban modificando a medida que se observaba el comportamiento

del modelo, ya que se tenía el modelo elaborado por el profesor Bravo se podía comparar

con este y validar los resultados. Esta validación se realizó con base en los caudales de salida

que tenía cada brazo, Reinera - Reinera o Gaviotas. Estos caudales se analizaban y se

modificaba la altura de la lámina en caso de que el modelo presentará un comportamiento

inusual o inesperado al que presentó con los caudales de 0 a 650 𝑚3

𝑠 . Además, si los caudales

de salida eran muy diferentes a los valores que el profesor Bravo obtuvo en su modelo, se

ajustaba igualmente la lámina de agua. Se utilizó 5.31 𝑚 para el Brazo Gaviotas y 2.68 𝑚

para el Brazo Reinera- Reinera para los caudales de 650 a 850 𝑚3

𝑠, 5.4 𝑚 para el Brazo

Gaviotas y 3.48 𝑚 para el Brazo Reinera - Reinera para caudales de 850 a 1000 𝑚3

𝑠 y,

finalmente, 5.46 𝑚 para el Brazo Gaviotas y 3.71 𝑚 para el Brazo Reinera - Reinera para

caudales de 1000 a 1200 𝑚3

𝑠. A continuación, se presenta un resumen de los valores

utilizados:




Tabla 4. Condiciones de frontera en la salida de los brazos, con base en el caudal de entrada del Brazo Reinera

Altura Lámina (m) Caudal (m3/s)

Brazo Gaviotas Brazo Reinera- Reinera Brazo Reinera

4,53 0,8 0 - 450

5,07 1,59 451 - 650

5,31 2,68 651 - 850

5,4 3,48 851 - 1000

5,46 3,71 1001 - 1200

En la sección 5 de este documento se especifican los caudales utilizados, ya que no se modelaron la

totalidad de estos caudales. Por ejemplo, 651 𝑚3

𝑠 no se modeló y es solo utilizado en este caso para

crear los intervalos de la altura de la lámina. Cada caudal que se modeló se llevó hasta un estado

estable, lo anterior hace que la modelación tome aproximadamente 5 días por modelación. Esto,

hace que para un proyecto elaborado en un semestre académico solo se pueda evaluar de forma

general el comportamiento del modelo.

Estas condiciones de frontera varían cuando se trata del flujo de agua o el transporte de sedimentos.

Sin embargo, son el mismo tipo de documento y tienen el mismo formato. Si se quiere conocer en

detalle cómo se establece cada posición de la columna consultar:

http://www.opentelemac.org/index.php/manuals/viewcategory/13-telemac-2d. No obstante, a

continuación, se mostrará un ejemplo de 10 nodos de la frontera del caudal de entrada, Brazo

Reinera, esto se realizará para el flujo de agua y el transporte de sedimentos:

Tabla 5. Condiciones de frontera, en TELEMAC2D, para 10 nodos correspondientes al caudal de entrada del Brazo Reinera

LIHBOR LIUBOR LIVBOR HBOR UBOR VBOR AUBOR LITBOR TBOR ATBOR BRBOR NODO

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 235

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 223

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 201

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 189

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 176

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 158

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 149

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 136

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 122

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 114

CONDICIONES FRONTERA TELEMAC

http://www.opentelemac.org/index.php/manuals/viewcategory/13-telemac-2d




Como se puede ver en la Tabla 5, cada nodo tiene 11 columnas que determinan sus características,

en este caso, por ejemplo: LIHBOR con el número 4 representa una frontera abierta con una altura

de lámina libre, LIUBOR con el número 5 representa una frontera abierta con un flujo pre inscrito,

LITBOR con el número 2 representa una frontera cerrada para la concentración de trazadores y

HBOR, UBOR Y VBOR son velocidades que el usuario puede pre establecer en las fronteras. Todas

estas columnas tienen muchas variaciones según el caso que se quiera, por esto, para tener una

mejor comprensión se intima leer el manual del software. Cabe aclarar que son miles de nodos los

que tienen una malla computacional, y una frontera puede tener cientos de ellos. Por esto, el

software BlueKenue crea un archivo inicial, con valores por defecto, el cual el usuario debe modificar

según el modelo que quiera crear, esto se realizó para este modelo mediante Excel ya que permite

un cambio rápido de los valores.

Tabla 6. Condiciones de frontera, en SISYPHE, para 10 nodos correspondientes al caudal de entrada del Brazo Reinera

Al igual que en las condiciones de frontera para el flujo de agua, en el transporte de sedimentos se

deben establecer las condiciones de frontera, sin embargo, estas tienen características diferentes.

Por ejemplo, aunque en este caso LIHBOR, LIUBOR Y LIVBOR tengan las mismas condiciones que

tienen en TELEMAC, en LITBOR el valor en este caso es de 5 (Ver Tabla 6), ya que esta representa la

concentración de sedimentos en suspensión que tienen el modelo, en donde 5 representa una

frontera con condición abierta con un valor pre establecido por el usuario. Para conocer a fondo

todas las posibilidades y características, que puede tomar las condiciones de frontera, por favor

dirigirse al manual del usuario de SISYPHE, en el cual se especifica con detalle la elaboración de este

archivo:

http://www.opentelemac.org/downloads/MANUALS/SISYPHE/sisyphe_user_manual_en_v6p3.pdf

LIHBOR LIUBOR LIVBOR HBOR UBOR VBOR AUBOR LITBOR TBOR ATBOR BRBOR NODO

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 235

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 223

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 201

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 189

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 176

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 158

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 149

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 136

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 122

4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 114

CONDICIONES FRONTERA SISYPHE





4.3 Creación Archivo Final De Comandos Y Asignación De Decisiones en el

Modelo: FUDAA

Luego de que se crea el archivo con los factores físicos del terreno (Primer Archivo) y el archivo con

las condiciones de frontera (Segundo Archivo), se debe crear el archivo final, el cual contiene los

comandos que toma el modelo con respecto a las ecuaciones que utiliza, condiciones iniciales,

tiempo de modelación, entre otros. Con la creación de este archivo se puede iniciar la modelación

mediante TELEMAC o SISYPHE. Para elaborar este archivo de comandos existe un software llamado

FUDAA PRE PRO, el cual se puede encontrar y descargar en el siguiente link: http://prepro.fudaa.fr.

En este archivo se especifican todas las características que tiene el modelo, en caso de que no se

pongan las decisiones va a utilizar, el modelo usa los valores que tiene por defecto. En la Ilustración

19, en el lado izquierdo, se puede ver la topografía y las condiciones de frontera del modelo una vez

se importa a FUDAA, en el costado derecho se ve la interfaz que se debe modificar para establecer

los comandos que va a tener el modelo. Cabe aclarar que FUDAA es una herramienta que suelen

utilizar los usuarios con poca experiencia con open TELEMAC MASCARET, ya que esta ofrece una

interfaz gráfica amigable, pero organiza la información de una forma pre establecida que los

usuarios con experiencia no están familiarizados y consideran desorganizada (Morales J, 2018). En

la elaboración de este proyecto se utilizó FUDAA al inicio de este, sin embargo, en las últimas fases

se dejó de utilizar este software y se empezó a editar directamente el archivo de comandos con base

en el manual de cada módulo.

Ilustración 19. Esquema de la interfaz de FUDAA PRE PRO con los dos archivos iniciales importados

http://prepro.fudaa.fr/




Con esto en mente, para este documento únicamente se explicará el archivo de texto que se realizó

al final mediante el método manual. Lo anterior, ya que FUDAA fue de gran utilidad al inicio de la

modelación para entender el software, sin embargo, la versión final del archivo de comandos fue la

realizada directamente por el usuario manualmente. Por otro lado, al igual que con las condiciones

de frontera, es necesario crear dos archivos diferentes para TELEMAC Y SISYPHE.

4.3.1 Archivo Comandos TELEMAC

Los comandos para el módulo de sedimentos se dividieron en las siguientes secciones: archivos de

entradas, información gráfica y temporal, condiciones iniciales, condiciones de frontera, parámetros

numéricos, parámetros físicos, ecuaciones y compilado. Este paso consiste en establecer todas las

características que se conocen del cauce y, a partir de esto, establecer las ecuaciones más

apropiadas. En seguida, se mostrarán los comandos que tiene el modulo que calcula la hidráulica, si

bien se van a explicar superficialmente algunos comandos, para entender a profundidad todas las

instrucciones o posibilidades que puede tener TELEMAC, se debe leer el manual:

Archivos de entrada: Se da la ubicación y el nombre de los dos archivos iniciales, la

topografía y condiciones de frontera, también se da el nombre de una modelación previa o

inicio rápido en caso de que se continúe una simulación y, en último lugar, se da el nombre

del archivo que tendrán los resultados:

Información Gráfica: Se establece el título de la modelación, el tiempo de modelación con

el tamaño del paso entre iteraciones, se determina cuantas iteraciones se mostrarán en la

pantalla de simulación, las variables que se quiere graficar en los resultados, finalmente se

establece la conservación de la masa en todo el modelo:

Condiciones Iniciales: Se le da la condición inicial con la que empieza el modelo, ya sea

mediante una altura constante o mediante una computación previa, también se establece

el control de límites con los que se detienen la simulación. Este control de límites son valores

extremos que si el programa traspasa este se detiene:




Condiciones de Frontera: Son las condiciones que va a tener el modelo en la simulación,

estos se establecen según como se haya creado el archivo de condiciones, el cual se

mencionó en la Sección 4.2 de este documento, de igual forma se da el tipo de perfil que va

a tener la velocidad, en este caso se seleccionó una distribución logarítmica:

Parámetros numéricos: Se asigna el tipo resolución que va a tener el modelo, en este caso

se da prioridad a la compatibilidad de flujos por encima de la condición de frontera, se

detiene si se llega a un estado estable, se corrige la continuidad debida a la compatibilidad

de flujos, se da la fecha original, en este caso es la del aforo, el método por el que se resuelve

el término de la turbulencia y, al final, se seleccionan los métodos de resolución

matemática:

Parámetros Físicos: Se establecen los parámetros físicos que generan que el modelo tenga

que corregirse, como la presencia de corrientes secundarias o la pendiente, se establece el

sistema de coordenadas y la relación de la altura con la velocidad:

Ecuaciones: Se asignan las ecuaciones que el modelo utilizará para resolver la hidráulica

como la ley de fricción, a la cual se le asigna un coeficiente, aunque el modelo tenga una




rugosidad diferente en el archivo 1, se le asigna el modelo de turbulencia que utilizará, la

proyección espacial y la velocidad de difusión:

Compilado: Se asigna el modulo con el que se va a compilar, en este caso es el de

sedimentos, a este se le da el periodo de compilación, este es un término que dice cada

cuando se vuelve a iterar con el otro modulo y también se asignan secciones de control para

medir en puntos específicos el caudal:

4.3.2 Archivos Comandos SISYPHE

En cuanto al módulo de sedimentos, se debe crear un archivo de comandos independiente para este

módulo. Este archivo de comandos no se llama directamente desde el script de Python en la ventana

de comandos, sino que es llamado desde el archivo de comandos del módulo TELEMAC. Este archivo

es llamado mediante una instrucción llamada compilación, la cual se puede desactivar o activar

según se requiera; cuando solo se realiza la modelación hidráulica se desactiva y para evaluar el

transporte de sedimentos se activa. Este archivo de comandos para SISYPHE se dividió en las

siguientes secciones: archivos de entrada, carga de fondo, carga en suspensión, características del

lecho y los sedimentos y, por último, condiciones iniciales y variables gráficas. Estas se explicarán

superficialmente a continuación:

Archivos de entrada: Se le asigna la topografía correspondiente al archivo 1, las condiciones

de frontera proporcionado para SISYPHE, ya que es diferente, y el archivo de resultados.

Estos se asignan mediante la ubicación en el computador y el nombre de este:

Carga de Fondo: En esta sección se dan las indicaciones para todo lo concerniente para

realizar el transporte de sedimentos por arrastre. Se selecciona la fórmula de transporte, el




efecto de la pendiente con su fórmula, el método de desviación que corrige la carga debido

a la pendiente y, al final, se asignó el efecto por corrientes secundarias:

Carga en Suspensión: Para la carga en suspensión se debe asignar la fórmula de cálculo de

la concentración, se puede asignar condiciones de equilibrio en las entradas del cauce, se

establece el método para resolver la difusión y la dispersión, se asigna una corrección en la

velocidad de convección dada por el transporte de sedimentos y, para terminar, se asignó

el método de cálculo de la advección, el cual es el mismo término de la viscosidad de

turbulencia:

Características del Lecho y los Sedimentos: Esta sección es para establecer las características

físicas que se conocen o el método para calcular las que se desconocen. Las características

conocidas se establecieron a partir de los aforos sólidos, con esto se estableció el número

de clases de sedimentos, los diámetros de los sedimentos y la fracción de ellos. Se asignó la

corrección por rugosidad de forma, se le asigna el radio de esta rugosidad de forma con

respecto al diámetro de sedimentos, se asigna un factor morfológico el cual se usa para

modelaciones con una gran escala temporal y, con esto, se acelera la modelación. Se asigna




el espesor de la capa que puede ser erosionado, en este caso 100 metros y es contante en

todo el cauce, también se le puede asignar un factor de relevancia a las clases de los

sedimentos y, por último, determinar si existen o no partículas cohesivas en los sedimentos:

Condiciones de Frontera y Variables Gráficas: Se establecen las condiciones de frontera que

va a tener el transporte de sedimentos. Estas deben concordar con lo programado en el

archivo de condiciones de fronteras. Es preciso mencionar que se debe realizar por

separado la modelación de transporte en suspensión y de transporte de lecho, y después

sumar los resultados. Aquí se asignan las variables gráficas que se quieren en los resultados:

4.4 Modelación y Análisis Comportamiento de la Hidráulica del Cauce:

TELEMAC

Para correr TELEMAC se debe contar con tres archivos: Geometría, Condiciones Fronteras y

Comandos. Estos archivos son los mínimos para la modelación, pero existen muchos otros pueden

volver más detallado el modelo. En este caso solo se realizó la modelación con estos tres archivos,

los cuales ya se determinaron en las secciones 4.2 y 4.3 de este documento. TELEMAC es un

programa escrito en FORTRAN 90, por lo cual si se quiere agregar una nueva funcionalidad se debe

utilizar este lenguaje de programación; sin embargo, en caso de que no se quiera programar nada,

el usuario puede comunicarse con el software a través de unos scripts escritos en Python. La interfaz

de TELEMAC es una ventana de comandos, el cmd de Windows, en donde se debe escribir en Python

las instrucciones. Estas instrucciones consisten en comandos preestablecidos, los cuales llaman al

módulo que se quiera utilizar, en este caso TELEMAC, adicional a esto, se debe agregar el nombre

del archivo de comandos, el cual contiene ya los otros dos archivos inmersos en él. En otras palabras,

en la pantalla de comandos se debe llamar al módulo que se quiere utilizar seguido del nombre de




archivo de comandos. Por ejemplo, para correr la modelación hidráulica con un caudal de 311 𝑚3

𝑠 el

comando sería: telemac2d.py ComHidr311.cas. En donde “telemac2d.py” es el comando que llama

al módulo TELEMAC y “ComHidr311.cas” es el nombre del archivo de comandos.

Para comenzar las modelaciones, se inició a simular con el caudal de 311 𝑚3

𝑠, a este se le asignó una

elevación constante de la lámina de agua de 4.56 𝑚 y se modeló hasta que llegara a un estado

estable, a continuación, se presentan los resultados de esta modelación mediante gráficas en 3D de

la interfaz BlueKenue, estas gráficas muestran la topografía inicial de las modelaciones y la lámina

de agua resultante de la simulación:

Gráfica 6. Topografía final del sector de análisis después de realizar la modelación hidráulica con 311 𝒎𝟑

𝒔.

Luego de que se llegó a un estado estable con este caudal de 311 𝑚3

𝑠, se usó el resultado de esta

modelación como el nuevo estado inicial de las siguientes simulaciones. Todos los archivos y

comandos son iguales para todas las modelaciones hidráulicas. La única cosa que cambia entre una

y otra modelación, es el caudal de entrada y las elevaciones en la salida de los brazos Gaviotas y

Reinera – Reinera. Estas varían tal y como se mencionó en la sección 4.2.3 de este documento. Es

preciso mencionar que, para esta parte de la modelación no se hace la compilación con SISYPHE, ya

que lo que se busca es describir la hidráulica del cauce con lecho fijo, como consecuencia de




diferentes caudales. Luego de que se comprobó la hidráulica y se validó su comportamiento, se usó

este archivo como inicio rápido de la modelación compilada con el transporte de sedimentos.

Gráfica 7. Altura de la lámina de agua del sector de análisis después de realizar la modelación hidráulica con 311 𝒎𝟑

𝒔.

Una vez se finalizó la primera modelación de 311 𝑚3

𝑠, se modelaron los caudales restantes. En total

se realizaron 16 modelaciones hidráulicas que van de 0 hasta 1200 𝑚3

𝑠, las modelaciones se

realizaron en orden de menor a mayor. Esto, se hizo de esta forma ya que la modelación previa a la

que se iba a realizar era la condición inicial de la modelación actual, en otras palabras, todo se realiza

por un proceso secuencial, en la que la modelación siguiente usaba como inicio a la modelación

anterior. Por ejemplo, para el caudal de 360 𝑚3

𝑠, la condición inicial lo dio la modelación de 311

𝑚3

𝑠;

para el caudal de 400 𝑚3

𝑠, la condición inicial la dio el resultado de la modelación de 360

𝑚3

𝑠, y así

sucesivamente.

Por otro lado, se intentó que la diferencia de caudal entre una modelación y otra no superara los 50 𝑚3

𝑠, esto, ya que se podía generar error en el momento de la simulación, ya que las velocidades

podían cambiar rápidamente superando los límites, lo cual causaba que la modelación fallara. Todas

las 17 modelaciones se realizaron hasta que se llegara a un estado estable, esto ocurrió

frecuentemente en 2 días de modelación, sin embargo, estos 2 días de modelación se tardaban

hasta 5 días reales en terminar, esto se debió a que los pasos temporales que se usaron fueron de




0.1 segundos. El tamaño de este paso se determinó mediante iteraciones, en donde se comprobó

que para un cambio del caudal de 50 𝑚3

𝑠, se necesitaba un paso de 0.1 segundos para que no se

generarán cambios demasiado bruscos en la simulación que hiciera que fallara. Cuando se realizaron

cambios en el caudal de 100 𝑚3

𝑠 se utilizó un tamaño de paso de 0.05 segundos. A continuación, se

presenta una ilustración de la interfaz de TELEMAC, esta contiene dos partes del proceso de una

modelación:

Ilustración 20. Interfaz de modelación en TELEMAC. El lado izquierdo muestra una iteración del proceso, el lado derecho muestra el inicio de la modelación.

Como se puede ver en la Ilustración 20, la interfaz de TELEMAC consiste en una ventana de

comandos, la cual en algunos casos puede dificultar el análisis de los resultados. Por lo anterior, el

software BlueKenue tiene herramientas para el post procesamiento, el cual permite graficar los

resultados e incluso animar las respuestas. Esta animación consiste en graficar cada iteración de los

resultados e ir avanzando a lo largo del tiempo, con esto se logra incluso crear un video de la

modelación que se realizó. Mediante esta herramienta se validó el modelo y se procedió a la

siguiente etapa, la cual corresponde a la compilación del módulo de la hidráulica con el módulo de

transporte de sedimentos. Esta compilación solo se realizó para los caudales para los cuales se

tenían aforos.




4.5 Modelación y Análisis Comportamiento del Transporte de Sedimentos

en el Cauce: SISYPHE

Una vez finalizada la modelación hidráulica y ya se ha validado su comportamiento, con base en los

aforos, se procede a realizar la modelación del transporte de sedimentos. La modelación de

sedimentos en este proyecto tiene como objetivo calcular la carga por día del total del transporte.

Esta carga se compara con los aforos existentes y se realiza la validación o invalidación de los

resultados. Por otro lado, para el cálculo de parámetros como: el tamaño medio de los sedimentos,

la distribución de tamaños y la distribución de estos, la densidad de los sedimentos y, finalmente, la

presencia de sedimentos cohesivos; se utilizaron los aforos suministrados por el IDEAM. En estos

aforos se calcula la carga en toneladas por día, a partir de la concentración de sedimentos y este

valor se compara con los resultados obtenidos. En seguida, se muestran un ejemplo de los

resultados de los aforos, al lado izquierdo está el aforo para sedimentos en suspensión y al lado

derecho está el aforo para sedimentos en arrastre:

Gráfica 8. Aforos sólidos disponibles del tramo de análisis. Izquierda: Aforo sedimentos en suspensión - Derecha: Aforo sedimentos en arrastre. Suministrados por el IDEAM.

Se cuenta con tres aforos para sedimentos en arrastres, estos se realizaron en diferentes sectores

de la sección transversal en la zona Boca de las Gaviotas, cada uno de estos aforos suministra el




diámetro medio o 𝑑50, el cual requiere la fórmula de transporte de Van Rijn. El resumen de los

diámetros utilizados y su fracción en el río se muestra a continuación:

Tabla 7. Diámetros sedimentos transportados en arrastre. Datos suministrados por los aforos sólidos del IDEAM.

Diámetro (m) Fracción (%)

0.00034951 33

0.00037084 33

0.00034524 34

Con esto en mente, se realizó el transporte de sedimentos para un caudal de 311 𝑚3

𝑠 y 588

𝑚3

𝑠. En la

pantalla de modelación se debe realizar el mismo proceso para modelar la hidráulica, se escribe

“telemac2d.py ComHidr311.cas” y” telemac2d.py ComHidr588.cas” para cada modelación. Sin

embargo, en este caso se debe realizar la compilación con SISYPHE. Para estas modelaciones se

utilizaron las condiciones iniciales que se determinaron en la sección 4.4 de este documento, las

cuales son flujos estables, las modelaciones se corrieron con un caudal constante por un día, tanto

para carga en suspensión como para la carga por arrastre. A continuación, se presenta una

ilustración de SISYPHE en el inicio de las dos modelaciones para ambos caudales, el lado izquierdo

muestra el caudal de 311 𝑚3

𝑠 y el derecho el de 588

𝑚3

𝑠:

Ilustración 21. Inicio modelación transporte de sedimentos para los caudales aforados




Para realizar las modelaciones del transporte de sedimentos, se debe activar la compilación en el

documento de comandos de TELEMAC como se mencionó en la sección 4.3.2 de este documento.

En esta compilación se unen los dos módulos mediante los archivos de comandos. Para la

modelación del transporte de sedimentos se modeló un día el cauce, el cual equivale a 86400

segundos, se abarcó el dominio temporal con un paso de 0.25 segundos, es decir que en total se

realizaron 345600 iteraciones para cada modelación. Es preciso mencionar que el archivo de

comandos de SISYPHE contiene el archivo de condiciones de frontera específicas al transporte de

sedimentos.

Por otro lado, en cuanto a los valores concernientes a las decisiones que se ven en la sección 4.3.2,

estos son parámetros empíricos que se han usado en la modelación de ríos internacionalmente, en

este caso se utilizaron los valores sugeridos para un río de planicie, como lo es este, en donde se

pueden presentar rugosidades de forma de pequeñas ondas. De igual forma, es un río que presenta

corrientes secundarias debido a los dos brazos y a la curvatura que presenta, y al ser un río de llanura

su pendiente es muy pequeña. A partir de estas características TELEMAC sugiere parámetros, con

los cuales se ha evidenciado que los modelos muestran un comportamiento apropiado. Para

conocer en detalle el motivo de la selección de estos parámetros empíricos, por favor dirigirse a la

siguiente dirección en los capítulos del 4 al 6:


En el caso de los parámetros que dependen del río que se evalúa específicamente como: la velocidad

de asentamiento, el parámetro de Shields y la tasa de transporte; se utilizaron las formulaciones

programadas en SISYPHE, estas fórmulas se explican en la sección 2 de este documento. La fórmula

utilizada para el transporte de sedimentos, la de Van Rijn, fue utilizada por el profesor Bravo en su

modelación, además, es la fórmula que mejor se adapta al transporte de sedimentos con un tamaño

inferior a 2 milímetros, como en este caso. Sin embargo, para realizar una modelación que tenga

una confiabilidad importante es necesario realizar modelaciones con diferentes fórmulas y realizar

una comparación en base a los aforos disponibles. En este caso, debido a las limitaciones

temporales, solo se utilizó esta fórmula para el cálculo del transporte de lecho.

Finalmente, en el caso se los métodos numéricos en el tema del transporte de sedimentos en

suspensión, para el cálculo de la dispersión, difusión y el modelo de turbulencia. Se utilizó las

fórmulas que SISYPHE tiene por defecto. Lo anterior, debido a que estos métodos presentan

diferencias y resultados distintos bajo situaciones determinadas, en donde se busque evaluar y

estudiar el comportamiento específico de un método respecto a otro. Sin embargo, en este caso se

quiere brindar un modelo conceptual o general, acerca del posible comportamiento que este tramo

del río puede presentar debido al transporte de sedimentos. Por lo cual, seleccionar un método o

modelo de resolución que se adapte específicamente a este tramo esta fuera del alcance de este

proyecto de grado.





5 RESULTADOS

Se realizaron exitosamente 18 simulaciones, 16 simulaciones acerca del comportamiento hidráulico

del río, con diferentes caudales, y 2 simulaciones del transporte de sedimentos para los caudales de

311𝑚3

𝑠 y 588

𝑚3

𝑠, correspondientes a los aforos.

5.1 Resultados Modelación Hidráulica

En cuanto a la modelación hidráulica del sector de análisis, se obtuvo el siguiente comportamiento

en cuanto a la distribución de caudales en los dos brazos:

Gráfica 9. Validación del modelo mediante la distribución de caudales en cada brazo comparado con los aforos disponibles.

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

90.00%

100.00%

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

% C

aud

al d

e ca

da

bra

zo

Caudal existente (m3/s)

Validación Modelo

Gaviotas

Reinera

Aforo Gaviotas

Aforo Reinera




Como se puede ver en la Gráfica 10, para caudales bajos todo el flujo es dirigido al Brazo Gaviotas,

aproximadamente a partir de 300 𝑚3

𝑠 el Brazo Reinera – Reinera empieza a tomar caudal

aumentando periódicamente su flujo. Para caudales altos, el modelo muestra que los flujos que

transportan los dos brazos se van acercando entre sí. Se evaluó un caudal máximo de 1200 𝑚3

𝑠, en

donde el Brazo Gaviotas transporta un 70% del caudal, este resultado es muy similar al que obtiene

el modelo de la Universidad Nacional. En seguida, se muestran los caudales de entrada que se

modelaron y el flujo que cada brazo toma en la modelación:

Tabla 8. Caudales modelados, se estableció un caudal inicial y el modelo determina la distribución en cada brazo.

Brazo Reinera (m3/s)

Brazo Reinera - Gaviotas (m3/s)

Brazo Reinera - Reinera (m3/s)

50 50 0

100 99,5 0,09

200 198,99 0,3

311 298,0552 12,9457

360 315,689 41,658

400 346,11 50,05

430 372,94 54,78

540 460,77 78,8117

588 497,92 83,88

620 508,9015 103,7017

680 558,59 119,64

750 601,871 141,717

780 621,008 153,77

800 646,24 153,758

1000 804,8437 195,15

1200 908,1841 264,6372

Para todos estos caudales se cuenta con las siguientes gráficas: velocidad, profundidad de flujo,

altura lámina de agua, topografía, rugosidad, número de Froude y número de Courant. La topografía

y la rugosidad es igual para todas las modelaciones. El modelo presentó resultados razonables sin

realizar una calibración, las únicas variables que se modificaron fueron las condiciones de frontera

y las condiciones iniciales como se mencionó anteriormente. Una calibración se considera

innecesaria considerando el comportamiento del modelo y, además, los aforos realizados, si bien

muestran el proceder del río en un momento específico del tiempo, no son del todo representativos




del comportamiento de un ente tan complejo como un río. Por lo anterior, se prosiguió con la

modelación del transporte de sedimentos con estos resultados. Para observar los resultados en

detalle de alguna modelación se puede consultar los archivos adjuntos, los cuales se pueden utilizar

mediante el software BlueKenue. A continuación, se muestra las velocidades en estado estable, es

decir el inicio rápido, para los caudales de 311 𝑚3

𝑠 y 588

𝑚3

𝑠.

Gráfica 10. Resultado final de la modelación hidráulica para un caudal de 311 𝒎𝟑

𝒔. Este es el estado estable que se usa

para la modelación de sedimentos.




Gráfica 11. Resultado final de la modelación hidráulica para un caudal de 588 𝒎𝟑

𝒔. Este es el estado estable que se usa

para la modelación de sedimentos.

Como se puede ver en las gráficas 10 y 11, las dos modelaciones tienen un comportamiento similar,

como era de esperarse, en lo que difieren es en la magnitud de la velocidad a la que circula el flujo.

En las fronteras de los cauces es donde se presenta una mayor aceleración del flujo, sin embargo,

estos valores extremos son los que presentan una mayor incertidumbre, ya que no se conoce el

comportamiento aguas abajo de los cauces, esto también puede deberse a que la altura de la lámina

utilizada en la frontera, la cual genera que el flujo se acelere más de lo que debería. No obstante, la

altura utilizada es la cual suministra el aforo, por lo cual no se puede modificar; empero, crea la

posibilidad que los aforos presenten errores, teniendo en cuenta que en ambos aforos se pierde

cerca del 10% del caudal de entrada en un tramo de aproximadamente 1 kilómetro.




5.2 Resultados Modelación Transporte de Sedimentos

En cuanto a la modelación de sedimentos, no se evidenció una evolución del lecho bajo ningún

caudal, el transporte de sedimentos que ocurre es mínimo, y si ocurre es en los extremos de las

condiciones de fronteras, donde el esfuerzo cortante que se produce es mayor.

Para el caso del caudal de 311 𝑚3

𝑠, el transporte de sedimentos que se presentó fue casi inexistente

y el esfuerzo cortante que tuvo el lecho fue mínimo. En el caso del esfuerzo cortante, únicamente

se presentó en el costado derecho del Brazo Reinera - Reinera, en este costado es donde según la

batimetría se tiene más profundidad, por lo cual es donde se logra una mayor velocidad, lo cual

genera este esfuerzo. Por el costado derecho de este brazo es donde transita la mayor parte del

caudal debido a la batimetría (Ver Gráfica 4). En seguida se puede ver los resultados obtenidos, las

unidades están en pascales, se presentó un valor máximo de 335 𝑁

𝑚2:

Gráfica 12. Esfuerzo cortante generado en el lecho, por el cual se produce el transporte de sedimentos. Caudal de 311 𝒎𝟑

𝒔. Las unidades gráficas están en pascales.




Por otro lado, el transporte de sedimentos que se presenta en el cauce, con este caudal, es

prácticamente nulo. Este transporte llega avalores máximos de 0.0292 𝑚2

𝑠 y se presenta justo en la

parte más baja de la batimetría. En el resto del cauce no se presenta ningún transporte:

Gráfica 13. Transporte de sedimentos generado en el tramo modelado, por el cual se produce una involución o

crecimiento del lecho. Caudal de 311 𝒎𝟑

𝒔. Las unidades gráficas están en

𝒎𝟐

𝒔.

En el Brazo Gaviotas no se produce ningún transporte de sedimento con el flujo de un caudal de 311 𝑚3

𝑠, para el modelo realizado en este proyecto. Con base en la gráfica de velocidades en el tramo,

no se genera ninguna socavación para las velocidades de 1.29 𝑚

𝑠, las cuales son las máximas que se

presentan en este brazo. Además, no se genera socavación en la intersección de los brazos, en

donde se esperaba obtener un comportamiento de erosión y sedimentación, ya que este ha sido el

sector del río que ha presentado un cambio en la sección y los sedimentos que se han establecido

acá son mucho más recientes que los de otros sectores.




A continuación, se muestran los resultados obtenidos para un caudal de 588 𝑚3

𝑠. El esfuerzo cortante

tiene sus unidades en newton sobre área, es decir, pascales:

Gráfica 14. Esfuerzo cortante generado en el lecho, por el cual se produce el transporte de sedimentos. Caudal de 588 𝒎𝟑

𝒔. Las unidades gráficas están en pascales.

Como se puede ver, el mayor esfuerzo se produce en el Brazo Reinera – Reinera, de manera fuerte

y variando rápidamente, llegando a esfuerzos de hasta 400 Pascales. A diferencia del Brazo Gaviotas,

en donde el esfuerzo se presenta de manera uniforme y gradual con un esfuerzo de 50 pascales.

Por otro lado, para el transporte de sedimentos, únicamente se presentó en el Brazo Reinera -

Reinera y en muy pocas cantidades, con un máximo de 0.0144 𝑚2

𝑠. En el Brazo Gaviotas no se

evidencia ningún transporte. Este comportamiento es coherente con los esfuerzos cortantes que




tiene cada tramo. Además, el comportamiento que presenta la modelación hidrodinámica muestra

que las velocidades inferiores a 2.5 𝑚

𝑠 no generan socavación (Ver Gráfica 11).

Gráfica 15. Transporte de sedimentos generado en el tramo modelado, por el cual se produce una involución o

crecimiento del lecho. Caudal de 588 𝒎𝟑

𝒔. Las unidades gráficas están en

𝒎𝟐

𝒔.

Como se mencionó anteriormente, no se produjo evolución alguna en el lecho. Por esto, no se

muestra una ilustración al respecto. Este comportamiento que tiene el río, es pertinente al tiempo

de modelado, una evolución en el lecho se suele modelar en periodos más extensos, y más aún par

un cambio morfológico en donde los periodos de modelación pueden ser 2 o 3 años (Díaz M, 2018).




6 CONCLUSIONES

El modelo se desarrolló mediante la utilización dos módulos: TELEMAC y SISYPHE, por lo anterior,

se pueden realizar, entre muchos otros, tres tipos de modelación: HIDRAULICO, TRANSPORTE

SEDIMENTOS e HIDRODINÁMICO. En este proyecto se inquiría realizar una modelación del

comportamiento hidráulico del cauce ante diferentes caudales y su validación, con el fin de describir

el estado del cauce en el momento de los aforos. Posterior a esto, se buscaba modelar el transporte

de sedimentos que genera esa hidráulica inicial y como, este transporte, modifica el lecho, para

luego calcular nuevamente su comportamiento hidráulico y así sucesivamente por cierto periodo

de tiempo, lo que se puede definir como hidrodinámica. Con esto en mente, las conclusiones se dan

por separado para cada uno estos modelos.

6.1 Modelación Hidráulica: TELEMAC

Para la validación del modelo hidráulico se analizó el comportamiento que el cauce tiene, en cuanto

a la distribución de caudales y las velocidades que se presentaron en el flujo a lo largo de la

modelación.

6.1.1 Distribución de Caudales

En primera instancia, para la modelación hidráulica realizada mediante TELEMAC, se concluye que

el modelo representa apropiadamente la distribución de caudales que presenta el cauce. Esto,

comparando el modelo de este proyecto, con el modelo realizado por el profesor Bravo. Sin

embargo, no se realizó una calibración de la rugosidad del cauce, lo cual es importante en la

elaboración de un modelo.

El comportamiento que se tuvo en este proyecto se debió al cambio en las condiciones de frontera

entre modelaciones, estas forzaban al modelo a representar un mayor o menor caudal según la cota

que se usara. Sin embargo, solo se tenía la altura de la lámina para 2 caudales aforados y eran en

diferentes épocas del año. Por lo anterior, se necesita más información limnimétrica, con el fin de

crear un hidrograma de entrada, con el el cual el modelo represente el comportamiento dinámico

del río, además el nivel de la lámina de agua debe ser el medido y no hecho mediante intervalos,

como en este caso. No obstante, en cuanto la distribución de caudales, el modelo representa

adecuadamente el comportamiento en la hidráulica del cauce.




Gráfica 16. Distribución de caudales en las modelaciones realizadas por la Universidad Nacional en el mismo sector de análisis, pero con diferentes aforos.

Gráfica 17. Distribución de caudales en las modelaciones realizadas en este proyecto de grado para el sector Boca de las Gaviotas, para comparación de modelos.




6.1.2 Distribución de Velocidades

Si bien la distribución de caudales es un factor relevante en el comportamiento del río, existen varios

otros que juegan un papel igualmente importante, como lo es la velocidad del flujo. En este caso,

como se puede ver en las gráficas 10 y 11, el Brazo Gaviotas presenta un flujo con una velocidad

mayor que el caudal que circula por el Bazo Reinera – Reinera; sin embargo, en este último cauce

se presenta una aceleración excesiva en el costado derecho de la sección transversal, siguiendo la

dirección del flujo. Lo anterior, representa un error en la modelación, ya que no hay ninguna razón

en el cauce Reinera - Reinera para se produzca una aceleración de esta magnitud, pues de una

velocidad de 0.86 𝑚

𝑠 pasa a 3.56

𝑚

𝑠. Se debe tener en cuenta que la velocidad del flujo modifica

directamente el transporte de sedimentos, por esto, esta variación se debe tener en cuenta. Por

otro lado, la velocidad de flujo que se presenta en el resto de la modelación muestra resultados

razonables, con un flujo subcrítico en todo el dominio, característicos de cauces de llanuras, empero

el Brazo Reinera - Reinera presenta una aceleración en su velocidad solo en un sector, de

aproximadamente 30 metros de radio, justo después de la división del Brazo Reinera, si bien en las

curvas se presentan aceleraciones, en este caso se da de manera incompleta, por lo cual se puede

deber a un error en la interpolación de la batimetría.

Como conclusión, el modelo HIDRÁULICO representa adecuadamente el comportamiento del cauce,

respecto a la distribución de velocidades, en la mayor parte del dominio, sin embargo, el Brazo

Reinera – Reinera presenta incertidumbre y no representa apropiadamente las velocidades del flujo

en la salida de este brazo. Por lo anterior, es necesario establecer la topografía del sector en la

división del cauce principal, ya que es aquí donde se presenta mayor problema en la interpolación,

pues no se conoce exactamente la localización de las bancas y su batimetría.

6.2 Modelación Hidrodinámica: TELEMAC y SISYPHE

La modelación hidrodinámica es en la cual el lecho va evolucionando debido al transporte de

sedimentos y este cambio en la sección transversal modifica la hidráulica del cauce. Para realizar

esta modelación se partió de dos condiciones estables, para un caudal de 311 𝑚3

𝑠 y otro de 588

𝑚3

𝑠,

de los cuales se cuenta con aforos sólidos. Luego de esto, se corrió el modelo por un día con la

presencia de transporte de sedimentos.

El objetivo es evaluar la diferencia de la modelación con los resultados de los aforos. En seguida, se

muestra el transporte medido mediante los aforos, sin embargo, es preciso mencionar que los

aforos sólidos presentan una gran variabilidad según las condiciones que tuviera la cuenca en el

momento de las mediciones, en donde puede que el transporte medido sea en su mayoría en

suspensión, es decir, por aporte de la cuenca. Las mediciones realizadas son las siguientes:




Tabla 9. Mediciones para la carga de transporte de sedimentos, realizada por aforos en los años 2016 y 2017.

Caudal 𝒎𝟑

𝒔 Carga sedimentos

𝑲𝒈

𝒔 Año

311 182.4 2017

588 242.42 2016

Los resultados que se obtuvieron en la modelación se presentan en la siguiente tabla, en donde se

realiza la conversión respectiva, asumiendo el peso de los sedimentos de 2.65 𝐾𝑔

𝑚3. Además, se asume

que el transporte promedio, el cual se muestra en la tabla, ocurre a lo largo de todo el ancho del

Brazo Reinera – Reinera, correspondiente a 79 nodos, el cual es el único donde ocurre transporte

en el modelo.

Tabla 10. Mediciones para la carga de sedimentos, resultantes del presente modelo para caudales de 311 𝒎𝟑

𝒔y 588

𝒎𝟑

𝒔.

Caudal 𝒎𝟑

𝒔 Carga sedimentos

𝒎𝟐

𝒔∗𝒎 Carga sedimentos

𝑲𝒈

𝒔∗𝒎∗𝒎 Carga sedimentos

𝑲𝒈

𝒔∗𝒎

311 0.0146 0.03869 3.05651

588 0.0205 0.05432 4.2916

Como se puede ver en los resultados, Tabla 9 y 10, se tienen valores muy diferentes entre los valores

aforados y los valores modelados. Por lo anterior, se concluye que el modelo HIDRODINÁMICO no

representa el comportamiento real del río en cuanto al transporte de sedimentos. Lo anterior, ya

que se presenta un error de 98% entre los resultados medidos y los modelados. Por otro lado, si

bien es cierto que la diferencia es muy grande, se debe tener en cuenta que los aforos pueden no

mostrar el comportamiento general del río, sino por el contrario pueden estar mostrando una

condición específica o un evento especial. De igual forma, se debe tener en cuenta que el mayor

transporte que se presenta en los aforos está dado por la carga en suspensión, esto genera gran

incertidumbre pues esta carga viene principalmente de la cuenca. Por lo anterior, para que el

modelo de resultados congruentes con este transporte en suspensión, se deben ingresar

condiciones de frontera o condiciones iniciales para que el modelo pueda tener en cuenta la carga

que viene de la cuenca y no solo la proveniente del tramo de modelación. Esto se hace mediante

una concentración inicial o una frontera con un ingreso determinado de sedimentos.

Por otro lado, los resultados obtenidos pueden deberse a la fórmula de transporte de sedimentos

por arrastre que se usó, como se mencionó antes, la fórmula de Van Rijn es para sedimentos con

diámetros de [0.0002 – 0.002] m, en este caso se tenían sedimentos con un 𝑑50 máximo de

0.000356, lo cual se encontraba muy al límite de sus diámetros admisibles. Sin embargo, se

considera que la falencia del modelo consiste en el transporte por suspensión, ya que este modo de

transporte es el 90% de la carga, según los aforos disponibles.




Para finalizar, si bien el modelo hidrodinámico no representa el comportamiento del río, el modelo

es un buen inicio para empezar a entender el comportamiento de este sector del río. El modelo

hidráulico muestra resultados coherentes y puede ser la base de una futura modelación

hidrodinámica. Por otro lado, las validaciones de las futuras mejoras en el modelo, se pueden dar

por el comportamiento que ha tenido el río en los últimos años, hablando de sus cambios

morfológicos.

Open TELEMAC MASCARET mostró una gran capacidad, flexibilidad y muestra ser un software

apropiado para la modelación de ríos con características complejas. En la siguiente sección se darán

las observaciones con las cuales el modelo puede ir evolucionando y tener resultados más próximos

a los reales.




7 RECOMENDACIONES

Con el fin de mejorar el modelo existente se dan las siguientes observaciones:

Se necesita un DEM con una resolución de 1 metro, lo anterior ya que se requiere evaluar el cambio

morfológico del sector, por lo cual se necesitan tener las elevaciones reales con una precisión que

no genere errores. Además, el raster debe ser reciente a la fecha de las batimetrías. En este proyecto

se contaba con un DEM antiguo, que no era contemporáneo a las batimetrías, tanto así que el cauce

del Brazo Reinera – Reinera era por lo menos 3 veces más grande que el Brazo Gaviotas. Por lo

anterior, en este modelo no se tiene una topografía real del sector y la elevación de las bancas es

una aproximación hecha con las batimetrías.

Se precisa la medición de un mayor número de secciones transversales, esto con el fin de poder

tener un mejor entendimiento del cauce, ya que, si bien el flujo tiene control aguas abajo, lo cual en

este caso sería la intersección de los brazos; los ríos son entes con muchas variables y de una alta

complejidad, pues su comportamiento es una reacción a cierto suceso en cualquier parte de su

recorrido. Por ejemplo, el ensanchamiento del Brazo Gaviotas fue la reacción, hacia la intervención

humana para cerrar el Brazo Bayonero que se formó en los años 50. El Brazo Bayonero se encuentra

a aproximadamente a 8 kilómetros aguas arriba del Brazo Gaviotas. Una modelación del Brazo

Bayonero junto con el Brazo Gaviotas podría dar un entendimiento de cual es la mejor intervención

por hacer, teniendo en cuenta que el Gaviotas se ensanchó por el Bayonero.

Se necesita contar con una máquina virtual que permita conectarse desde cualquier punto,

mediante un computador con acceso a la red. Esto, ya que las modelaciones no fallan

necesariamente en las primeras iteraciones, en muchos casos puede fallar en la 45621, por dar un

ejemplo. Si bien esto no es un requerimiento esencial, acelera mucho el proceso de modelación, al

menos en las primeras etapas cuando se tienen errores fácilmente debido a la mala configuración

del archivo de Comandos, o las condiciones de frontera o demás archivos iniciales que pueden

contener errores y los módulos (TELEMAC O SISYPHE) fallan. Además, las simulaciones tardan

mucho como ya se mencionó, por lo que se requiere que el modelo pueda correr sin interrupción

alguna.

Si bien es difícil y costoso generar aforos líquidos lo suficientemente robustos para generar un

hidrograma de entrada, es necesario la estimación de un hidrograma sintético que represente el

comportamiento del cauce a lo largo del año o una curva de niveles vs caudal. Lo anterior, ya que

para evaluar el comportamiento hidrodinámico y el cambio morfológico se debe correr el modelo

con una duración anual, por lo cual se debe entender el comportamiento dinámico que el río tienen

en cuanto a su flujo.




Aforos sólidos en los brazos de la Boca de las Gaviotas. Esto, ya que la concentración de sedimentos

que se presenta en ambos cauces no es necesariamente la misma, y basándose en el hecho de que

este río modifica su lecho gracias al gran transporte que ocurre en suspensión, es fundamental crear

una distinción en el transporte en suspensión que ocurre en cada brazo inmerso en la modelación,

al igual que una concentración en el Brazo Reinera. De esta forma se puede ver el delta de

concentraciones en los diferentes tramos y establecer un comportamiento con el cual se pueda

validar o invalidar el modelo futuro con mayor precisión.




8 MANUAL DE UTILIZACIÓN MODELO

Con el fin de que una persona externa a este modelo pueda utilizarlo fácilmente, se dan unos pasos,

a continuación, de como se puede correr una modelación utilizando los archivos que se suministran,

a petición de quien requiera:

1. Se debe tener instalado el software, en el siguiente link encontrará una guía pasa a paso de

como instalar open TELEMAC MASCARET:

https://drive.google.com/file/d/1RVMfuF_ZQ6Ltqz-ljJ4qQSVWZdAdMODZ/view

2. Se suministrará al interesado una carpeta llamada “FUDAA” que contiene los siguientes

archivos, a excepción del seleccionado:

Ilustración 22. Contenido carpeta para la modelación

Como se puede ver, hay 8 archivos con terminación “.cas” que son documentos de textos. Para cada

caudal modelado hay 4 archivos, 2 que dan los comandos de la hidráulica y 2 que dan los comandos

para el transporte de sedimentos. Ya que como se mencionó anteriormente, se realiza la

modelación por separado para el transporte en suspensión y por arrastre.

Hay una carpeta llamada “Archivos de Entrada”, la cual contiene todos los archivos iniciales que

necesita el modelo, en seguida se muestra una ilustración del contenido de esta carpeta:

https://drive.google.com/file/d/1RVMfuF_ZQ6Ltqz-ljJ4qQSVWZdAdMODZ/view




Ilustración 23. Archivos que contiene la carpeta Archivos de Entrada

Los archivos TopoRug son la topografía del sector con la rugosidad correspondiente, lo único que

cambia entre las dos es la rugosidad del sector del Brazo Reinera – Reinera. El archivo que no dice

nada tiene una rugosidad de 0.1 para el n de Manning en el sector de este cauce.

Los archivos con terminación “.cli” son las condiciones de fronteras tanto para el modelo hidráulico

como para el transporte de lecho y en suspensión. El nombre está dado por las iniciales del módulo,

en el caso de SISYPHE, el número 2 es para el transporte en suspensión.

Los otros archivos que se ven son otros archivos que se pueden agregar al modelo como las

secciones de control para evidenciar la evolución del lecho o el caudal en puntos determinados.

También están las condiciones de fronteras líquidas, este archivo es una curva de caudal vs altura

de la lámina con la que se quería realizar la modelación bajo una situación dinámico. Empero, por

cuestiones de tiempo en la elaboración del proyecto no fue posible.

Finalmente, la carpeta llamada “Resultados” contiene las modelaciones realizadas para este

modelo. Estas pueden ser usadas con inicio rápido de otras modelaciones o para evaluar los

resultados mostrados previamente. Sin embargo, el usuario puede calcularlas siguiendo los demás

pasos de este manual.

3. El usuario debe abrir la máquina de comandos correspondiente a TELEMAC, después de

haber corrido algún ejemplo de la carpeta examples, con el fin de comprobar que la

instalación esté correcta. Luego de esto, debe dirigirse mediante el comando CD a la

dirección donde haya guardado la carpeta FUDAA como se ve a continuación:




Ilustración 24. Pantalla de comandos correspondiente a TELEMAC, en la dirección donde se guardó la carpeta suministrada

4. El usuario debe escoger el tipo de modelación que quiere hacer, a continuación, se muestra

una tabla con los documentos de Comandos disponibles que el usuario puede utilizar, se

debe tener en cuenta que el documento de comandos hidráulicos de compila con el

documento de comandos de sedimentos, tal y como se muestra en seguida:

Tabla 11. Archivos de comandos disponibles para modelación hidráulica y su compilación con el transporte de sedimentos

Comandos Hidráulica Correspondencia Comandos Sedimentos

ComHidr311.cas SediQ311LECHO.cas

ComHidr311s.cas SediQ311SUSPE.cas

ComHidr588.cas SediQ588LECHO.cas

ComHidr588s.cas SediQ311SUSPE.cas

En caso de que el usuario quiera modificar alguna de las opciones que tiene los comandos, debe

entrar a los comandos hidráulicos para modificar todo lo concerniente al flujo y a los comandos de

sedimentos para lo concerniente al transporte de partículas y la evolución del lecho.

5. El usuario debe escribir los comandos llamando al módulo que quiere utilizar. En este caso

se debe utilizar el módulo TELEMAC el cual se compila internamente con el módulo SISYPHE.

Por esto, se debe escribir el comando “telemac2d.py” seguido del nombre del archivo que

se quiera modelar, a continuación se muestra un ejemplo para realizar una modelación con

un caudal de 311 𝑚3

𝑠 con transporte de sedimentos de lecho:




Ilustración 25. Comandos para iniciar la modelación de un caudal de 311 𝒎𝟑

𝒔 con transporte de sedimentos de lecho

6. Luego de que la modelación termine, según el número de iteraciones que se asignen, el

usuario tendrá disponibles dos archivos llamados “Cou1DQ311” y “SediQ311.sfl”. Estos

archivos corresponden a los resultados hidráulicos y los resultados en el transporte de

sedimentos respectivamente.

El usuario puede modificar las características de los archivos de comandos y agregar nuevos archivos

de entrada, con el fin de que el modelo pueda ser más preciso y pueda representar el

comportamiento del cauce real.

Los archivos resultantes de las modelaciones se pueden abrir mediante el software BlueKenue para

su post procesamiento y análisis, en el siguiente link puede encontrar un tutorial que explica cómo

utilizar esta interfaz gráfica y las posibilidades que ofrece:

http://www.opentelemac.org/index.php/component/jdownloads/summary/4-training-and-

tutorials/185-telemac-2d-tutorial?Itemid=55 . Además, en seguida se muestra un ejemplo de la

interfaz resultante luego de abrir ambos resultados, de la modelación ejemplo, en BlueKenue:

http://www.opentelemac.org/index.php/component/jdownloads/summary/4-training-and-tutorials/185-telemac-2d-tutorial?Itemid=55

http://www.opentelemac.org/index.php/component/jdownloads/summary/4-training-and-tutorials/185-telemac-2d-tutorial?Itemid=55




Ilustración 26. Interfaz de BlueKenue luego de importar los resultados obtenidos en la modelación ejemplo.




9 REFERENCIAS

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