MODELACIÓN DE HIDRODINAMICA FLUVIAL
FCT-UNL
11
João Leal
FCT/Universidade Nova de LisboaCEHIDRO, Centro de Estudos de Hidrossistemas
Colegio de Ingenieros CivilesQuito, Ecuador, 20 de Marzo 2013
CEHIDRO
Estructura de la presentación
• Introducción a la Hidráulica de Ríos
• Desafíos para los Ingenieros Civiles
FCT-UNL
22
• Modelación de ríosRío Babahoyo (Marzo 2012)
FCT-UNL Introducción a la Hidráulica de Ríos
� La Hidráulica de Ríos se puede definir como la disc iplina, o conjunto de disciplinas, que agrupan lo estudio de procesos de erosión, deposición y transporte de sedimentos con lo estudio de la mecánica de flujos en canales abiertos con front eras móviles
� En rango de problemas abordados en Hidráulica de Rí os es largo. Clásicamente, incluyen problemas como erosión de su elos, gestión
4
Clásicamente, incluyen problemas como erosión de su elos, gestión de crecidas, diseño de canales estables, evolución morfológica de corsos naturales, evaluación del transporte de sedi mentos, erosiones localizadas y sedimentación en reservator ios. La mitigación de riesgos ha expandido los problemas ab ordados a problemas de avalanchas y flujos híper-concentrados como los causados por ruptura de presas
FCT-UNL Introducción a la Hidráulica de Ríos
� Los ríos son sistemas dinámicos, esto es cambian en el tiempo y en el espacio, y responden con diferentes escalas t emporales a modificaciones/alteraciones que ocurran en su domin io y en el dominio de toda la cuenca
� Como en todo lo que existe en la naturaleza, los rí os tienden a un estado de equilibrio. Ese equilibrio es dinámico, e sto es decir su
5
estado de equilibrio. Ese equilibrio es dinámico, e sto es decir su forma en planta y su cauce van cambiando al largo d el tiempo pero en media se mantienen constantes
� La intervención humana en los cauces y en las cuenc as (hasta en el clima – cambios climáticos) hace que el equilibri o natural sea destruido y los ríos van a buscar otro estado de eq uilibrio, muchas veces poniendo en risco áreas y poblaciones que antes no tenían problemas
FCT-UNL
� Muchos son los desafíos que se plantean a los Ingen ieros Civiles en el área de Hidráulica de Ríos. De un modo simpli ficado se pueden enumerar los principales:
Desafíos para los Ingenieros Civiles
Controlo de crecidas naturales
Controlo de crecidas artificiales (ruptura de presa s)
7
Controlo de erosión/deposición generalizada
Controlo de erosión/deposición localizada
Controlo de las alteraciones morfológicas en planta
FCT-UNL
CRECIDAS NATURALESCRECIDAS NATURALES(inundaciones de las márgenes)(inundaciones de las márgenes)
Cauce menor o principal, corresponde a la sección que es ocupada por el flujo en el mayor periodo de tiempo
Cauce mayor o llanura de inundación, corresponde a la sección que es ocupada por el flujo en situación de crecida
Desafíos para los Ingenieros Civiles
8
Perfil transversal tipo de la sección de un curso d e agua
desborde del río Chone
FCT-UNL
CRECIDAS ARTIFICIALESCRECIDAS ARTIFICIALES(ruptura de presas)(ruptura de presas)
Desafíos para los Ingenieros Civiles
Ruptura de la presa de St. Francis (USA) en 1928
Altura máxima = 43 m
CRECIDA (OLA):
Cerca de la presa
9
Altura máxima = 43 m
Embalse atrás
Velocidad = 8 m/s (29 km/h)
La crecida mató 470 personas, siendo considerado el peor desastre de la Ing. Civil en EUA ocurrido en el Siglo XX
FCT-UNL
DEPOSICIÓN GENERALIZADADEPOSICIÓN GENERALIZADA
Río Guayas – promedio de 3 milímetros de sedimentaci ón interanual, lo cual afecta la navegación
Desafíos para los Ingenieros Civiles
10
CRECIDAS MÁS FRECUENTES Y GRAVOSAS
PELIGRO PARA LA NAVIGACIÓN
Perfil transversal tipo de la sección de un curso d e agua
Los sedimentos depositados aguas abajo disminuyen la capacidad de descarga del cauce principal
FCT-UNL
EROSIÓN GENERALIZADAEROSIÓN GENERALIZADA
PELIGRO PARA LAS FUNDACIONES DE INFRAESTRUCTURAS
El cauce principal se va erosionando al longo del tiempo
Desafíos para los Ingenieros Civiles
11
Perfil transversal tipo de la sección de un curso d e agua
Fuente: Martín Vide (2003)
Ejemplo de erosión generalizada a delante de un presa
FCT-UNL
EROSIÓN LOCALIZADAEROSIÓN LOCALIZADA(deslizamiento de taludes)(deslizamiento de taludes)
Subida del nivel debido a la obstrucción
Desafíos para los Ingenieros Civiles
La elevada velocidad junto a las márgenes puede llevar a la inestabilidad de los taludes laterales
PELIGRO DE OBSTRUCCIÓN
12
Perfil transversal tipo de la sección de un curso de agua
endicamiento del río Coaque (Marzo 2012)PELIGRO DE OBSTRUCCIÓN DE LA SECCIÓN DEL RÍO
FCT-UNL
EROSIÓN LOCALIZADAEROSIÓN LOCALIZADA(pilares de puentes)(pilares de puentes)
Desafíos para los Ingenieros Civiles
13
PELIGRO PARA INFRA-ESTRUCTURAS FLUVIALES
Perfil transversal tipo de la sección de un curso d e agua
La erosión del cauce durante crecidas puede atingir la fundación de infra-estructuras fluviales (ex: pilares de puentes)
FCT-UNL
Crecidas
32.6%
Sequías
3.5%
Sismos
18.6%
Epidemias
15.1%
Desliza. de
tierras
humedas
14.0%
Vulcanos
12.8%
Otras
3.5%
Nº de desastres naturales
Entre 1900-2012
Total: 86 desastres naturales
Desafíos para los Ingenieros Civiles
14Crecidas en Ecuador
Emergency Events Database EM-DAT
3.5%
FCT-UNL
Crecidas en el mondo� Evolución del impacto de las crecidas (EM -DAT):
(representa 9% de los
años en la base de datos)
Desafíos para los Ingenieros Civiles
15
� Aumento significativo del nº de eventos� Diminución drástica del nº de muertos� Aumento del nº de personas afectadas� Aumento significativo de las pérdidas
FCT-UNL
� Cuencas urbanas están siendo impermeabilizadas pela acción humana, originando niveles de crecidas superiores y aumento de la vulnerabilidad
Ribª de Odivelas (Duarte et al. 2010)
Desafíos para los Ingenieros Civiles
16
Uso del suelo (1969) Uso del suelo (2000)Áreas urbanizadasÁreas con ocupación agrícolaÁreas sien ocupación
FCT-UNL
� Los incendios forestales provocan mayor erosión de las laderas y escorrentías mayores, pudendo conducir a caudales d e crecida mayores y a sedimentación que se traducen en nivele s de agua superiores
� Los cambios climáticos poden traducir-se:• En lo cambio de las características de las series hidroló gicas ,
dificultando el uso de la estadística para previsio nes futuras (los
Desafíos para los Ingenieros Civiles
17
dificultando el uso de la estadística para previsio nes futuras (los períodos de retorno tienen que ser redefinidos) y t ornando insuficiente la capacidad de descarga de las infra- estructuras existentes
• Aumento de lo número y magnitud de eventos de preci pitación intensa , traduciendo-se en crecidas rápidas más gravosas
• Aumento de la duración de los períodos de sequía , que podrá levar a una falsa sensación de seguridad en relación a ci ertas zonas susceptibles de ser inundadas
• Aumento del nivel medio del mar , qué influenciará los niveles de crecida en zonas de estuario donde la influencia del nivel de marea se hace sentir
FCT-UNL Modelación de Ríos
� Al Ingeniero se pide que sea capaz de, no solo, car acterizar la situación actual de un río, pero, más importante, q ue consiga prever su comportamiento futuro (50, 100 o más años )
� Así la modelación de ríos surge como herramienta fu ndamental para garantizar el correcto manejo y gestión de tod o el espacio fluvial
Modelos 1D
19
� Resolución de los modelos
Modelos 1D(fáciles de usar pero resultados poco fiables en la mayoría de las situaciones)
Modelos 2D(exigen más datos – DTM – actualmente constituyen la mejor alternativa precisión/costo)
Modelos 3D(los más precisos, pero la modelación de la turbulencia tiene un costo computacional muy elevado)
FCT-UNL Modelación de Ríos
� Hipótesis físicas
Modelos hidrodinámicos – cauce no erosionable(numéricamente muy estables, exigen apenas dados de agua limpia, pero no responden a la mayoría de los problemas – erosión/deposición o alteraciones morfológicas)
20
� Hipótesis físicas de los modelos
Modelos morfo-dinámicos – cauce erosionable(problemas de estabilidad numérica, exigen datos de transporte sólido, incertidumbre en las ecuaciones de transporte sólido, pero son fundamentales para evaluar el comportamiento de los ríos)
FCT-UNL Modelación de Ríos
� Modelo conceptual
Ejemplo de un modelo 2D – modelo STAV2D
Capa de agua limpia/sedimentos en suspensión
Capa de transporte
21
Capa de transporte
Fondo
fondo Zb
hc
transporte
hhw
agua limpia
uc
uw
ub= 0
Cw= 0
Cc
Cb= 1 -η
gρρρρwhw
gρρρρwhw + gρρρρchc
ρρρρcφφφφc
ρρρρbφφφφb
flujos verticales de masa
velocidades concentraciones de sedimentos
presiones
FCT-UNL Modelación de Ríos
� Modelo conceptual (leyes de conservación + leyes de cierre)
Ejemplo de un modelo 2D – modelo STAV2D
( ) ( ) ( )( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
2 2 2 2
2
1 1
2 2
t w w c c b b x w w w c c c y w w w c c c
w w x b w w y b
t x w w w c c c w w w w c c c y w w w w c c c c
h h Z u h u h v h v h
u h Z v h Z
uh u h u h g h g h h g h u v h u v h
u h Z u v h Z T h T h g h g h
∂ ρ + ρ + ρ + ∂ ρ + ρ + ∂ ρ + ρ =
= ρ ∂ + + ρ ∂ +
∂ ρ + ∂ ρ + ρ + ρ + ρ + ρ + ∂ ρ + ρ =
= ρ ∂ + + ρ ∂ + + ∂ + ∂ − ρ + ρ ∂ Z +
22
( ) ( ) ( ) ( ) ( )211 21w w b w w w b x y w w c c xx y
u h Z u v h Z T h T h g h g h= ρ ∂ + + ρ ∂ + + ∂ + ∂ − ρ + ρ ∂
( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )( )
( )
,11 ,21 ,31
2 2 2 2
212 22 ,12
,22 ,32
1 1
2 2
b
b x b b y b b
t x w w w w c c c c y w w w c c c w w w w c c c
w w w x b w w y b x y b x b
w w c c y b b y b b
t c c x c c
Z
Z Z
vh u v h u v h v h v h g h g h h g h
v u h Z v h Z T h T h Z
g h g h Z Z
h u
+
+τ ∂ + τ ∂ − τ
∂ ρ + ∂ ρ + ρ + ∂ ρ + ρ + ρ + ρ + ρ =
= ρ ∂ + + ρ ∂ + + ∂ + ∂ + τ ∂ −
− ρ + ρ ∂ + τ ∂ − τ
∂ ρ + ∂ ρ( ) ( ) ( ) ( )
( )
c y c c c c c x c b c c y c b c c b b
t b b b b
h v h u h Z v h Z
Z
+ ∂ ρ = ρ ∂ + + ρ ∂ + −ρ φ + ρ φ
∂ ρ = −ρ φ
FCT-UNL Modelación de Ríos
� Modelo numéricoMétodo de los volúmenes finitos (FVM) que permite d escribir el dominio físico en volúmenes (finitos) donde las ley es de conservación son aplicadas
Ejemplo de un modelo 2D – modelo STAV2D
23
DTM Polígono
Malla 2D Fuente: Conde (2012)
FCT-UNL Modelación de Ríos
Ejemplo de modelación 2D (tsunami)
Fuente: Conde (2012)
24
DTM (Lisboa estuario del río Tagus)
Fuente: Conde (2012)
Condición de borde aguas arriba(hidrograma “warm up”)
Condición de borde aguas abajo(nivel del tsunami)
FCT-UNL Modelación de Ríos
Ejemplo de modelación 2D (tsunami)
t = 7 min
t = 14 min t = 17 min
t < 1 min
25Fuente: Conde (2012)
t = 20 min t = 27 min
FCT-UNL Modelación de Ríos
Ejemplo de modelación 2D (tsunami)
Centro de Lisboa ( t = 17 min)
26Fuente: Conde (2012)
FCT-UNL Modelación de Ríos
Ejemplo de modelación 2D (tsunami)
Alteraciones morfológicas
27Fuente: Conde (2012)
t = 37 minutos
(Closeup) t = 57 minutos(Closeup) t = 37 minutos
FCT-UNL Modelación de Ríos
Ejemplo de modelación 1D (ruptura de pila de depósi tos de minería)
≈≈≈≈ 80 m
≈≈≈≈ 30º
28
Fuente: Canelas (2011)
FCT-UNL Modelación de Ríos
Ejemplo de modelación 2D (ruptura de pila de depósi tos de minería)
t = 5 s
29
t = 15 s t = 70 s
Fuente: Canelas (2011)