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Julio 2007
Manual introductorio a HEC-RASConceptos bsicosEstudiamosuntramodeterminadodeunroyqueremossaberhastadnde llegaraelaguasielcaudalalcanzaraunciertovalor.Sersuficienteelcauce principal?Hastaqualtura?Oserninundadaslasreasprximas,yenqu extensin? Larespuesta,parauncaudaldeterminado,dependerdelaformadelcauce,dela pendienteydesunaturaleza(tipodemateriales,presenciadevegetacin,...).El problemasecomplicasiexistenpuentesuotrotipodeobras,osideseamossaberqu sucederasiseconstruyeraunpuente,unacanalizacin,etc. Enestedocumentosehaceunaintroduccinmuyelemental:aprenderlonecesario paracomenzarautilizarelmodeloencasosmuysimples.Laaplicacinencasos reales,siemprecomplejos,requerirelestudioexhaustivodelosmanualesy,sobre todo,muchaexperiencia. Elproblemaconstadedospartesbiendiferenciadas: 1.Evaluacindelcaudal Normalmentequeremosevaluarelefectoproducidoporuncaudalmximo,por ejemplo,conunperiododeretornode100aos.Esedatodecaudalpuedeobtenerse medianteuntratamientoestadsticodedatosdecaudales,o,sinodisponemosde ellos,calculandoloscaudalesquesegenerarnapartirdeunasdeterminadas precipitaciones.Todoestosetrataenotrostemas,aqusuponemosqueelcaudalya esundatoconocidodelproblema. 2.Evaluacindelreainundable Comohemosindicado,laseccinqueocuparuncaudaldeterminadoylasreas delvallequeserninundadasdependendelageometradelcauce,delapendientey deotrosfactores.Laseccincorrespondienteaunciertocaudalsepuedeevaluar mediantelafrmuladeManningosimilar,apartirdelaseccinevaluarlaalturadel aguayapartirdestahacerunaestimacindelasreasqueserninundadas1. Peroelmtodoidneoparaabordarestapartedeltrabajoesmedianteelprograma HECRAS.EsunprogramagratuitoqueseobtieneenInternet2.(Estamosutilizando laversin43) 1 2
VerenComplementos:Clculodelaalturadelaguaparauncaudaldeterminado http://www.hec.usace.army.mil/software/hecras/
3Atencin:Hastaestafecha(julio07)laversin4deHECRASrequiereajustarelsistema WindowsaIngls(medicenlosautoresqueestosevaasolucionarenbreve).Elcambioessencillo, peroenelrestodelosprogramasaparecernlasdecimalesylosformatosdefechaalmodoamericano: Panel de control >> Configuracin regional y de idioma >> Ingls (Estados Unidos)
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Haydosversionesdelprograma:HECRASyHECGeoRAS.SideseamosinteractuarconSistemas deInformacinGeogrfica(ArcGIS,ArcView)debemosutilizarHECGeoRAS,queseobtieneenel mismositioweb.(EnestedocumentonosvamosareferiralprogramaHECRAS,noaHECGeoRAS).
ParaelfuncionamientodeHECRASdebemosaportardostiposdedatos: geomtricosydecaudales. Losdatosgeomtricosfundamentalessondiversasseccionestransversalesalo largodelcauceocaucesconsiderados.Dichasseccionesseintroducenmediantela cotadevariospuntos;deestemodo,mediantelacotadedosseccionescontiguas, separadasporunadistanciaconocida,elmodelocalculalapendientedeesetramo. Elcaudalpuedeserunsolovalorconstanteobienuncaudalvariableeneltiempo. Lasfasesdetrabajosonlassiguientes: 1.Creacindeunnuevoproyecto.(File >> New Project...) 2.Datosgeomtricos(Edit >> Geometric Data...) 3.Datosdecaudalesycondicionesdecontorno (Edit >> Steady (Unsteady) Flow Data...) 4.Clculo(Run >> Steady (Unsteady) Flow Analysis...) 5.Observacindelosresultados(View >> varias opciones del men )
Comenzar a trabajar: ajustes inicialesVamosarealizarelejemplomssimpleposible.Consideremosuntramodeunro, ydosseccionestransversalesparacalcularlaalturaalcanzadaporelaguaparaun caudaldado. Alabrirelprogramaapareceelcuadroprincipal:
Loprimero(yslolaprimeravez usemoselprograma)indicamosaHEC RASqueutiliceunidadesdelSistema Internacional(mtrico),as:MenOptions , opcin Unit system (US Customary/SI)... .; enelcuadroqueaparecemarcarlas opcionesqueaparecenaquallado:
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LaopcinSet as default ...lamarcamosparaquetodoslosproyectosque iniciemosenelfuturoyacomiencenconelSistemaMtrico) AhorainauguramosunnuevoProyecto:EnelmenArchivo,elegimosNew project... AllhemosdedarnombrealProyecto(Title )yalArchivo(File Name ).El segundo(File Name)esconelqueaparecerelarchivoguardado,cuandoloveamos enWindows.
Geometra del cauceDibujar el roParaabrirlaventanaGeometric Data ,enelCuadroPrincipalpicamosenelbotn yaparecelaventanaquemostramos acontinuacin: Inicialmentepicamosenelbotn ,yelcursorseconvierteenun lpiz;consucesivosclicstrazamosun esquemadelcauce.Paraterminar,doble clic:entoncesapareceuncuadropara darlenombrealroyaesetramo(reach ). Puedeconsiderarseunroconun nicotramo,encuyocasodarleun nombrealtramoniconotienemucho sentido,peroesobligado.Enlafiguraadjunta,hemoscreadountramo delRoGrandeyalnicotramolehemos denominadoTramoestudiado(Laslneas transversalesrotuladascomo1y2anno deberanestarah:sonlasseccionestransversales queconstruiremosacontinuacin)
Secciones TransversalesEnlaventanaGeometric Data (dondeacabamosdedibujarelcauce),picamosel botn ,yapareceunanuevaventana:Cross Section Data .(figurapg5).Esta esfundamental:aquintroduciremoslaformatransversaldelcauceyotrosdatos bsicosparalacalidaddelresultado. 1.Crearunanuevaseccintransversal EnelmenOption elegimoslaopcinAdd a new Cross Section...
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yapareceelcuadritosiguiente: > Aqudebemosescribirunareferenciaparalaseccin quevamosacrear(darleunnombre),peroslose puedenescribirnmerosyelpuntoolacoma.Loms elementalesnumerarlas:1,2,...Siempreteniendoen cuentaqueenHECRASlanumeracinvaaumentando aguasarriba,demodoquelanmero1estaralfinal, aguasabajo. Sitrabajamosconunroformadoporvariostramos,paralosperfilesdelprimer tramopodemosutilizar:1.1,1.2,...,paraelsegundo:2.1,2.1,...yassucesivamente. 2.Geometradelcauce EnlamismaventanaCross Section Data ,escribimosenlasdoscolumnasdela izquierda:enlaprimeracolumna(Station )ladistanciadesdelamargenizquierda,en lasegundacolumna(Elevation )lacotadelfondodelcauceenesepunto(Ojo:NO profundidades,sinocotasoalturasdesdecualquierpuntodereferencia).Por ejemplo,supongamosquedisponemosdeestecroquisparaunaseccindelcauce(la lneadetrazosrepresentaelcauceprincipal):
EnlatabladelaventanaCross Section Data , introducimosesosdatosas: > Picandoarribaen ,lageometradelaseccin aparecedibujadaaladerecha. 3.Distanciahastalaseccinsiguiente EnlamismaventanaCross Section Data ,eneste cuadro> indicamoslasdistanciasdesdeestaseccinala inmediatasiguienteaguasabajo,queenestecasoes0, yaqueestaseccin1vaaserlaprimera(esdecir,notieneningunaaguasabajode ella):LOB ,distanciaentrelasmrgenesizquierdas,ROB ,entrelasmrgenesderechas, yChannel distanciaalolargodelcentrodelcanal.Lgicamente,siindicamoslostres valoresiguales,losdosperfilestransversalesconsecutivosaparecernparalelos.
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4.Acotacindelcanalprincipal Estospuntosdefinenlapartedelaseccinque puedeconsiderarsecomocanalprincipal.Elrestodela seccinseconsiderarcomollanuradeinundacin. Seintroducendosvaloresdedistanciasenhorizontal,enesteejemplohemos escrito4.2y12.8(enelcroquisalpizestsealadoconunalneadetrazos).La distancia4.2coincideconunosdelospuntosquehabamosintroducidopreviamente, perola12.8no;poreso,trasintroduciresevalor,elprogramapreguntasiqueremos crearesepunto,decimosqueS,yleadjudicarunacotainterpoladaalpunto12.8, queaparececomounanuevalneadedatosenlatabladelaizquierda. Picamoselbotn ylosdospuntosqueacotanelcanalprincipalaparecen )eneldibujo.Despusdetodoeltrabajorealizado,laventanaCross enrojo( Section Data apareceas:
(estaventanaCross Section Data ,lapresentamosaqu cortadaendospara reproducirlasinreduccin)
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5.ValoresndeManningycoeficientesdecontraccin/expansin Picandoenlossignos queaparecenallado,sepresentanenpantallalastablas devaloresdelcoeficientedeManning,paraelegireladecuado4Elprogramautilizaloscoeficientesdecontraccin/expansinparadeterminarlasprdidasde energaentredosseccionescontiguas.Losautoresparaunatransicingradualaconsejan0.1 (contraccin)y0.3(expansin),mientrasqueenlasproximidadesdeunpuentepuedenser, respectivamentede0.3y0.5omayores,porlamayorprdidadeenerga5
6.Otraseccintransversal ParalaaplicacinmssimpledeHECRASsenecesitanalmenosdossecciones transversalesdelcauce.Paraprepararotraseccindebemosrepetirtodoloque hemoshechoenlaprimera(puntos1a5anteriores).Perosilasegundaseccines muysimilaralaprimera,podemosduplicarla,yenlacopiaobtenidaelevarlascotas deacuerdoconlapendienteobservadaenelcampo.Elprocedimientoserael siguiente: EnlaventanaCross Section Data ,enelmenOptions > Copy Current Cross Section.. . (AunquesedenomineCopy ,en realidadhacelafuncindeCopiary Pegar,esdecir,duplicalaseccin queestbamosviendoynosofrece elsiguientecuadroparaquele pongamosnombrealanueva:Enesteejemplo,lahemosllamado2.
CerrandoestaventanaconOK , aparecelanuevaseccin2enlaventanaCross Section Data ,quedemomentoes idnticaala1.Supongamosque,ennuestroejemplo,hemosmedidoentredospuntos delcaucesituadosaunadistanciade70metrosundesnivelde0,90metros.Sobrelos datosdelaseccin2tenemosquecambiardoscosas: a)Paraasignaratodalaseccinunacota0,40mmselevada,enelmenOptions > Adjust elevations... ,yenelcuadritoquesale,escribimos:+0.40.Devueltaenlaventana Cross Section Data ,picamosenelbotn yeneldibujoaparecerlaseccin consusnuevascotas. b)Hemosdeindicarqueestaseccinesta70 metrosdelasiguienteestacinaguasabajo,paraello, cambiamoslosdatossiguientes:(Comohemosdichomsarriba,setratadeladistanciamedidaporlamargenizquierda,porel centroyporlamargenderecha)
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ReferenceManual,pp.8183 ReferenceManual,pg88 -6-
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CerramoslaventanaCross Section Data ,yahoraenlaventanaGeometric Data ,ya debenaparecerlasdossecciones1y2,igualqueenlafiguradelapg.3.(Podemos cerrarestaventanaGeometric Data )
CaudalesEnlaventanaprincipaldeHECRAS,picamoselbotn Steady Flow Data.. . ,obien,menEdit >
Enprimerlugarhayqueindicarelnmerodeperfiles(Profiles )quehayque calcular.Conperfilesserefiereadiversashiptesisdeclculoquedeseamos plantearsimultneamente,paravarioscaudales.Esnecesarioalmenosundatode caudalparacadatramoycadaperfil. Ennuestroejemplo,hemosindicado(arriba)2perfiles,queapareceninicialmente comoPF1 yPF2 .Posteriormente,loshemosrenombradocomo50 aos y 200 aos, (supongamosquesetratadecaudalesderetornoparaesosperiodos).Elcambiode esosnombressehaceenelmenOptions> Edit Profile Names...Paracadaunodelos dosperfilesintroducimosundatodecaudal(enm3/s) Losdatosdecaudalseintroducencomenzandoaguasarribaparacadatramo. Cuandoseintroduceuncaudalenelextremosuperior(aguasarriba),elprograma suponeelmismocaudalparaelrestodeseccionesdentrodeesetramodelro, aunquepuedencambiarseencadaseccin. Ennuestroejemplo,hemosindicadoelcaudalparalaseccin2(verenlafigura anterior: ),queeslaseccinqueestsituadaaguasarriba,asqueel programasupondrqueporlaseccin1(aguasabajo)pasaelmismocaudal.
Condiciones de contornoEnlaventanaenqueintroducimoslosdatosdecaudalesesnecesarioespecificar lascondicionesdecontorno(Boundary conditions ),picandoarribaen 6apareceunanuevaventana. 6
UsersManual,pag256,ReferenceManual,pg91(nmerodepginadeldocumentoAcrobat) -7-
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HECRASnecesitaestainformacinencadatramoparaestablecerelniveldelagua inicialenambosextremosdeltramodelro:aguasarribay/oaguasabajo.Enun rgimensubcrtico7slosenecesitaenelextremodeaguasabajo(downstream);en rgimensupercrtico,sloesnecesarioaguasarriba(upstream),ysisevaacalcular enunrgimenmixto(porvariacionesdelcaudal),senecesitaraenambosextremos deltramo.Estascondicionesdecontornopuedenvalerparatodoslosperfiles(esdecir:hiptesisdeclculo, varioscaudales,ennuestroejemplo:dos),obien,podemosdesearindicarloespecficamenteparacada perfil,picandoenlaopcinSet boundary for one profile at a time (=Indicarlascondicionesde contornoparacadaperfil).
Existencuatroposibilidades(verlosbotonesdelafiguradearriba): Alturasdelasuperficiedelaguaconocidas(Known Water Surface Elevations ).El usuariodebeintroducirlaalturadelaguaparacadaunodelosperfilesquese vanacalcular Profundidadcrtica(Critical Depth ).Conestaopcin,elusuarionotieneque introducirnada.Elprogramacalculalaprofundidadcrticaparacadaunodelos perfilesylautilizarcomocondicindecontorno. ProfundidadNormal(Normal Depth ).Enestecaso,elusuariodebeintroducirel pendientedelalneadeenerga(egergyslope)queseutilizarparacalcularla profundidadnormalenesepunto(ecuacindeManning).Sinoseconoceese dato,sepuedesustituirporlapendientedelaguaolapendientedelfondodel cauce. Curvadegastos(Rating Curve ).Enestaopcindebemosintroducirunaseriede parejasdevaloresnivelcaudal
Ejecucin del modeloEnlaventanaprincipaldeHECRAS,menRun > Steady Flow Analysis... (yaqueen estecasohemosutilizadouncaudalconstante(Steady ).Aparecelacorrespondiente ventana(pginasiguiente). Sihemospreparadodiversasgeometras(tramosysecciones)yvarioscaudales, aqupodremoselegirconcualesdeellosvamosaejecutarlosclculos. 7
Subcrtico(~flujolento)=nFroude1 -8-
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Tambinhemosde especificarsielrgimenes subcrtico(lento)o supercrtico(rpido),loque debeestardeacuerdoconlas condicionesdecontorno especificadas:enrgimen subcrtico,condicionesde contornoaguasarribadel tramo,rgimensupercrtico, condicionesespecificadas aguasabajo.
Loqueapareceen estaventanacomo Plan eselconjuntodecondicioneselegidasparaefectuarlacomputacin (geometra,caudal,rgimen).EnelmenFile sepuedeguardarestePlan(Save Plan )ocomenzarunonuevo(New Plan ). Picandoen seejecutarelmodelo,ysinoobtenemosmensajesde error,podremosverlosresultados.
Observacin de los resultadosEnlaventanaprincipaldeHECRAS,menView disponemosdevariasopciones: Seccionestransversales(menView >>Cross Sections...)
o Perfillongitudinal(menView >> Water Surface Profiles...) Vistaenperspectiva(menView >> X-Y-Z Perspective Plots...) Curvadegastos(menView >> Rating Curve...) : Relacin altura-caudal Tablaparacadaseccin ( menView >> Detailed Output Tables) Tablaparatodoeltramo ( menView >> Profile Summary Table)
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Apndice.TraduccinInglsEspaoldealgunaspalabraso expresionesAdd a new Cross Section... Cross Section Downstream Reach Lenghts Enter a new river station for the new cross section in reach... Geometric Data New project... Plan Profile Reach Boundary Conditions Reach, River Reach River Station
Aadirunanuevaseccintransversal Seccintransversal(delcauce) Distancias(hastalasiguienteseccin)aguasabajo Introducirunareferenciaparalanuevaseccin transversaleneltramo... DatosGeomtricos Nuevoproyecto... Plan(conjuntodedatosgeomtricosydecaudal queseeligenparaefectuarlosclculos) Perfil(Hiptesisdeclculoconunciertocaudal) Condicionesdecontorno(deesetramo) Tramo,Tramodelro Referencia(unnmero)decadaseccin transversal Seleccioneunnombreyaexistenteointroduzcaun nuevonombreparaelRio,eintroduzcaun nombreparaelTramo Establecerpordefectoparanuevosproyectos(o sea:Recordarestaeleccinenelfuturo) Establecercondicionesdecontornoparatodoslos perfiles(paratodosigual) Establecerlascondicionesdeocntornodelos perfilesunoporuno (Enlageometradelasseccionestransversales:) situacindecadapuntodelaseccin,enmetros Caudalconstante,oflujouniformeorgimen permanente SistemaInternacional(SistemaMtrico) Sistemadeunidades(USA/SistemaInternacional) Caudalvariable,oflujonouniformeorgimen variable
Select existing River or enter a new River name, and enter Reach name
Set as default for new projects
Set boundary for all profiles
Set boundary for one profile at a time
Station
Steady Flow System International (Metric System) Unit system (US Customary/SI) Unsteady Flow
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