MODELACIN BIDIMENSIONAL EN EL RO MEDELLN CON HEC-RAS5.0, TENIENDO COMO BASE UN MODELO CON IBER 2.1TEMA 2.2 Infraestructura de ciudades (Smart cities)

Andrs Felipe Marn Muoz; Escuela de Ingeniera de Antioquia; Anmamun71@eia.edu.coErnest Blad Castellet; Universidad Politcnica de Catalunya; ernest.blade@upc.eduHans Paul Snchez Tueros; Universidad Politcnica de Catalunya; hans.sanchez@upc.eduGeorgina Corestein; Universidad Politcnica de Catalunya; georgina.corestein@upc.edu

El objetivo principal de este estudio es calibrar un modelo hidrulico realizado con HEC-RAS 5.0 para unas condiciones ya establecidas en un modelo con Iber2.1, y comparar los resultados con ambas aproximaciones. Para esto se deban cumplir los siguientes objetivos especficos: construir las condiciones para la modelacin hidrulica en Iber, trasladar tales condiciones al HEC-RAS 5.0, comparar los comportamientos numricos y resultados de ambos modelos. El tramo de estudio se encuentra en la cuenca del ro Aburr-Medelln, localizada sobre la cordillera central de Colombia. ste tiene una longitud de 1km (entre los puntos lat.6,191 long.-75,591 y lat.6,194 long.-75,586). Este caso de estudio es un canal rectificado con lecho en suelo residual y banca en losa de hormign, la llanura de inundacin ocupa suelo urbano con pocas edificaciones cerca de la corriente principal.El desarrollo de este proyecto permite afianzar el conocimiento de las corrientes urbanas, identificar las caractersticas de su comportamiento hidrulico y afrontar de mejor manera obras de intervencin fsica que permitan tener un mejor manejo y control. Se espera igualmente que los resultados de este proyecto sirvan como soporte para otros estudios de mayor alcance como el Plan de Ordenacin y Manejo de la Cuenca del ro Aburr (POMCA), el proyecto Bio 2030 y el parque del ro Medelln.El modelo hidrulico con Iber2.1 requiri informacin topogrfica del tramo de estudio en escala 1:2.000, el hidrograma de caudal para un periodo de retorno de 100 aos e informacin de los usos del suelo y caractersticas del canal principal. Ambos modelos trabajaron con mapas de elevacin en formato TIFF (Tagged Image File Format); en Iber se carg mediante la herramienta RTIN (Rectangular Triangulated Irregular Network) con unos tamaos de celda de entre 1m (banca) hasta 6m (lecho y llanura de inundacin) y con HEC-RAS se trabaj con la herramienta Open Ras Mapper y el tamao de la malla vari entre 1m y 20m.Inicialmente se model el tramo para flujo permanente con un caudal de 400m/s, que corresponden a un poco ms del caudal de 100 aos de periodo de retorno obtenido a partir de modelacin hidrolgica por el mtodo de lluvia-escorrenta, el caudal de 100 aos de periodo de retorno para ese punto del ro corresponde a 143m/s y 220m/s por lo mtodos de anlisis de frecuencia y regionalizacin respectivamente presentado en el POMCA del ao 2007. Se compararon los resultados de Iber con diferentes tamaos de malla en HEC-RAS hasta que se estabilizaran los resultados de ambos modelos como se muestra en la Figura 1. Todo esto con el fin de detallar cual tamao de celda en HEC-RAS representara de forma similar la modelacin con Iber.

Figura 1. Comparacin de manchas de inundacin para flujo permanente con Iber y HEC-RAS.Se model un caudal considerablemente mayor a los valores obtenidos para el caudal de 100 aos de periodo de retorno ya que el objetivo de la investigacin era la determinacin de variaciones en los modelos hidrulicos analizados; si se utilizaban caudales bajos, la mancha de inundacin sera similar en ambos casos, por el contrario, para casos extremos, se presentaran diferencias notables en las zonas en las cuales se presentan vertimientos en la llanura de inundacin y contraflujos que haran ms visiblela variacin en sus valores.

Figura 2. Localizacin de puntos representativos y su grfica de tiempo vs calado de HEC-RAS 5.0En la figura 2 se muestra la ubicacin de los puntos de comparacin y la altura de flujo obtenida mediante ambos modelos. En las grficas se aprecia la comparacin entre los resultados obtenidos con HEC-RAS 5.0 (lnea oscura) e Iber (lnea clara).El comportamiento de flujo es similar en ambos modelos cuando la velocidad de flujo es idntica, pero con grandes discrepancias en otros puntos en los cuales se presentan cambios rpidos de pendiente que generan cambios rpidos en la velocidad de flujo y variaciones en el tiempo de recorrido del agua. Las discrepancias en los resultados se deben principalmente al tamao de la malla en modelo con HEC-RAS. El tamao de malla escogido con HEC-RAS fue calibrado de forma visual para ajustar el tiempo de recorrido de la onda al obtenido con Iber, este tamao depende principalmente de la velocidad de flujo y el coeficiente de Courant como se muestra en la Ecuacin 1, donde t = 1segundo. Ecuacin 1

Dnde:.

..El valor de x se ajust a 12m debido a que las velocidades predominantes en el canal principal eran de 6-8m/s, pero en varias zonas estas velocidades eran diferentes a las presentadas a lo largo del tramo. En las zonas con mayores variaciones entre ambos modelos se presentaron velocidades entre 4-6m/s debido a cambios bruscos en la pendiente del canal; para estas velocidades hubiera sido ms apropiado usar unos tamaos de x de 7-8m y mientras que para la llanura de inundacin hubiera sido mejor utilizar unos tamaos de x de 2-5m, ya que las velocidades en esta zona estaban entre 0-4m/s. La generacin de tamaos de malla diferentes de acuerdo a una zona especfica se dificulta cuando se quiere trabajar con gran detalle la informacin y al trabajar con menor detalle se pierde calidad en los resultados. Se presentaron dificultades en el momento de usar tamaos de malla muy pequeos con los cuales el modelo presentaba inestabilidad en los resultados presentados. Igualmente el limitante del intervalo de tiempo en HEC-RAS afecta la calidad de los resultados, impidiendo el uso de un mayor detalle, debido a que el modelo debe cumplir la ecuacin 1. A todo lo mencionado se le debe agregar que para flujo no permanente, la velocidad en un mismo punto no es constante, por lo que al momento de variar la velocidad de flujo, tambin deben cambiar los parmetros controlan la ecuacin.El valor de la velocidad en cada celda de informacin cambia el trnsito de la onda a lo largo de las zonas mojadas, por esto es importante identificar la forma en la que est varia para identificar si se presenta unas condiciones muy variables o muy constantes. La figura 3. Presenta la variacin de la velocidad de flujo en cada uno de los puntos analizados.

Figura 3. Grfica de tiempo vs velocidad de flujo en los puntos en el tramoEs importante aclarar que el modelo hidrulico HEC-RAS5.0 1D-2D se encontraba en versin beta de prueba durante el desarrollo del estudio y que la fecha de presentacin del modelo an no ha sido publicado hasta la fecha, por lo que se podra esperar que se contine con el mejoramiento de las caractersticas del modelo para posteriores versiones oficiales o no oficiales.La principal conclusin del estudio al comparar ambos modelos es que los resultados entre ambos modelos varan poco bajo condiciones muy regulares de flujo, pero el tiempo de procesamiento es considerablemente menor para el modelo HEC-RAS 5.0, debido a esto se recomienda utilizarlo en los siguientes casos: Cuando el tamao de la informacin es considerablemente grande (se estima que el rea mojada es superior a los 50.000 m) y se espera que el comportamiento de flujo sea muy regular. Si se esperan cambios rpidos del comportamiento de flujo a lo largo del recorrido tambin es recomendable comparar los resultados con Iber en caso de presentar resultados sospechosos. Cuando las secciones transversales estn disponibles, ya que este modelo tiene una herramienta de procesamiento de las secciones ms sencilla y precisa que el modelo Iber.Por el contrario, se recomienda utilizar el modelo Iber en los siguientes escenarios: Cuando el tramo de ro a analizar es pequeo (se estima que el rea mojada es inferior a los 50.000 m) y el detalle de la informacin es muy bueno. El tiempo de procesamiento no es tan alto y los resultados seran mucho ms precisos. Cuando se desee hacer un anlisis de inundacin con caudal variando a lo largo del tiempo (flujo no permanente), ya que este representa de mejor manera el trnsito de la onda de creciente a lo largo del canal.Se concluye que el modelo HEC-RAS es una herramienta de caracterizacin hidrulica orientada a ros y corrientes de gran tamao con presencia de zonas con flujo bidimensional. Sin embargo, para obras pequeas como canales, escalones, entre otros, solo se podra usar HEC-RAS 1D, perdiendo el detalle bidimensional. Finalmente, comparando el tiempo de procesamiento entre HEC-RAS e Iber, el primero tardaba entre un 2% y un 3% del tiempo que le tomaba a Iber obtener resultados.No se puede mejorar lo que no se conoce. Esta frase demuestra la situacin actual del ro Aburr-Medelln y de muchos otros ros urbanos en nuestro pas, donde no existen estudios del comportamiento fsico de la corriente que ayuden a plantear medidas ante las afectaciones que se presentan, con el fin de dar soluciones.Referencias bibliogrficasBlad, Cea, Corestein, Escolano, Puertas, Vzquez-Cendn, Dolz, & Coll, 2014. Iber: herramienta de simulacin numrica del flujo en ros. Rev. Int. Mtodos Numricos para Clculo y Diseo en Ing. 30, 110. doi:10.1016/j.rimni.2012.07.004Blad i Castellet, Ernest & Gmez Valentn, Manuel. Modelacin del flujo en lmina libre sobre cauces naturales. Brunner, Gary W. Combined 1D and 2D Modeling with HEC-RAS. Hydrologic Engineering Center (HEC). October, 2014.Chow, V.T. (2004). Hidrulica de canales abiertos. Colombia. Nomos S.A.Chow. V.T. (1994). Hidrologa Aplicada.FLUMEN and GEAMA (2012). Iber, Manual de referencia. Espaa. IDEAM (2010). Leyenda nacional de cobertura de la tierra. Bogot S.C. Scripto Ltda.Jaramillo, C. (2011). Modelacin del trnsito de crecientes con el HEC-RAS en un tramo del ro Medelln. Envigado, Antioquia, Colombia.MACDT, AMVA, CORNARE, CORANTIOQUIA, UNAL (2008). Plan de ordenamiento y manejo de la cuenca del ro Aburr (POMCA). Medelln, Antioquia.Marn, A. (2013). Modelacin del trnsito de creciente con el HEC-HMS y HEC-RAS en un tramo del ro Medelln. Envigado, Antioquia.