Simula ción hidrodinámica de avenidas combinando modelos !D y "D. Caso de estudio río La Sierra

Abstract

La correcta simulación de avenidas es una herramienta importante para analizar el impacto que un evento de precipitación puede tener sobre una zona . Sobre todo si dicha zona tiene actividad humana. Por lo tanto se requiere delimitar cuidadosamente la extensión de la zona afectada para determinar apropiadamente el alcance del impacto de las inundaciones sobre los asentamientos humanos. La zona afectada se determina por medio de la estimación de la mancha de inundación, realizando simulaciones hidrodinámicas de avenidas, utilizando modelos de simulación con un componente de dirección (1D) o modelos con dos componentes de dirección (2D). Los modelos de simulación 1D utilizan secciones transversales a lo largo del eje del río como unidades de cálculo, y resolviendo las ecuaciones de continuidad y de momentum. Para tal labor, contamos con modelos de simulación en una dirección (1D) y dos direcciones (2D), cada uno con su s ventajas y desventajas. Los modelos 1D por un lado requieren una menor cantidad de datos y poco poder computacional para funcionar, por lo que requieren una menor cantidad de tiempo para proporcionar resultados. Los modelos 2D, por otro lado utilizan una mayor cantidad de datos y poder computacional, a cambio de poder modelar cambios en las direcciones del flujo que están fuera del alcance de los modelos 1D. Existen situaciones en las que ambos modelos tienen poca o ninguna diferencia en sus resultados, principalmente cuando la avenida presenta una dirección de flujo predominante, es decir, cuando el flujo está confinado o bien, la dirección del flujo de la planicie de inundación es la misma que la del rio principal, los resultados no varían sensiblemente entre ambos modelos y por tanto puede optarse por utilizar el modelo 1D sobre el 2D por su eficiencia computacional. Si ambos modelos son combinados en un solo esquema de manera adecuada, es posible utilizar el modelo 1D en las zonas donde el flujo está confinado y el 2D en planicies de inundación con más de una dirección predominante, optimizando así los tiempos de computación. Para que las simulaciones puedan llevarse a cabo, se requieren como datos mínimos a) datos batimétricos y b) datos de uso de suelo. Adicionalmente, para la simulación de eventos específicos, son necesarios c) datos hidrométricos d) datos fisiográficos de la cuenca. Los datos batimétricos fueron obtenidos como parte del Continuo de Elevaciones Mexicano Versión 3 (CEM V.3). Los datos batimétricos del CEM V.3 tienen una resolución de 15 m, aunque las elevaciones en cuerpos de aguas profundas no lograron ser registradas, debido a que en general, los levantamientos LiDAR no logran penetrar la superficie de agua a demasiada profundidad. Es por esto que para la correcta simulación hidrodinámica, fue necesario determinar un fondo sintético para los cuerpos de agua que en el CEM V.3 se marcan como valores nulos. Utilizamos el método de Corum para determinar un fondo sintético que sea equivalente en cuanto funcionamiento hidráulico . El método de Corum para obtener lechos sintéticos de rio requiere conocer la elevación del espejo de agua y el caudal relacionado con esta elevación. Se realizan simulaciones sucesivas en HEC-RAS usando el caudal conocido, restando en cada una la diferencia de la elevación del espejo de agua simulado y el espejo de agua conocido al fondo de las secciones del canal, hasta que la diferencia entre ambos sea menor que una tolerancia predeterminada (0.006 m, en el caso de la presente investigación). Los caudales conocidos son los correspondientes a la salida de la cuenca. No es apropiado considerar estos caudales constantes a lo largo de todo el eje del río, de forma que es distribuido a lo largo del eje utilizando el modelo y software CEQUeau, por medio de estaciones ficticias. Después que se determina el caudal aportado por cada estación ficticia en un periodo de tiempo, se utiliza el software de HEC-RAS para determinar el tiempo de escurrimiento desde cada estación ficticia hacia la salida de la cuenca, las herramientas del Integrated Water Management son utilizadas para determinar las propiedades fisiográficas (área y tiempo de concentración nos serán indispensables) de cada subcuenca delimitada por las estaciones ficticias, y se usan estos datos para estimar un hidrograma sintético utilizando el método de la SCS. Los resultados obtenidos verifican que un esquema combinado de simulación puede incrementar la velocidad de cálculo hasta por más de veinte veces, siguiendo las recomendaciones siguientes: 1. El canal principal debe ser representado por un modelo 1D 2. Los tramos cuya aportación para un periodo de retorno máximo predefinido por el proyectista no presenten desbordamiento del canal principal, no necesitarán ser complementados por una malla 2D. 3. Las zonas de las planicies de inundación cuyo sentido de flujo sea el mismo que el del rio principal, deben representarse por un modelo 1D. 4. Las zonas de la planicie de inundación cuyo sentido de flujo sea diferente al del eje principal del rio deben ser discretizados por una malla 2D y unidos lateralmente al modelo 1D del canal principal. 5. Los meandros que para un periodo de retorno máximo predefinido por el proyectista no presenten desbordamientos que generen varias intersecciones de la mancha de inundación con el mismo eje del río, se representarán utilizando un modelo 1D cuidando que no exista traslape entre las secciones transversales. De otra manera, se sustituirá el tramo de río 1D por una malla 2D unida frontalmente aguas arriba y aguas abajo del meandro. 6. En zonas donde haya riesgo de ruptura de diques, es aconsejable unir lateralmente una malla 2D a las secciones transversales en las que se puede presentar la ruptura 7. Cuando existen canales adyacentes al rio principal (naturales o artificiales) es recomendable modelar tales canales usando una malla 2D unidad lateralmente al modelo 1D. 8. Cuando entre secciones transversales existan zonas que tiendan a fluir en sentido contrario al del rio principal, se unirá lateralmente una malla 2D al modelo 1D para que el vector de dirección en esa zona pueda ser representado apropiadamente. 9. Las fronteras entre los modelos 1D y 2D deben tener un tamaño igual o menor al del pixel del DEM, por un lado para asegurar que la dirección del flujo en la transición de los modelos sea apropiada, y por otro lado para disminuir el número de iteraciones necesarias en la transferencia de flujo entre los modelos 1D y 2D. Puede modificarse el tamaño de la malla solo en la frontera mediante el uso de líneas de quiebre. Dado al uso de submalla que hace HEC-RAS en el modelo 2D, la mancha de inundación no muestra cambios sensibles.