Análisis de Herramientas de Modelización Hidráulica

Análisis de Herramientas de Modelización Hidráulica

BidimensionalTechnical Paper

WSP Spain

Análisis de Herramientas de Modelización Hidráulica Bidimensional

Technical Paper

Índice

WSP Spain

1. Introducción 3

2. Modelo hidráulico bidimensional HEC-RAS 4

2.1. Modelo del terreno 4

2.2. Condiciones de contorno y rugosidades 4

2.3. Estructuras 5

2.4. Flexibilidad del modelo y proceso de cálculo 5

2.5. Presentación de resultados 6

3. Modelo hidráulico bidimensional IBER 8

3.1. Modelo de terreno 8

3.2. Condiciones de contorno y rugosidad del terreno 8

3.3. Estructuras 9

3.4. Flexibilidad del modelo y cálculo 9

3.5. Presentación de resultados 10

4. Conclusiones 12

4.1. HEC-RAS (2D) 12

4.2. IBER 12

Autores:

Mª Remedios Rebolledo

Manager Agua

Juan Carlos Ortega PrietoTeam Coordinator

Agua

El análisis de peligrosidad de una zona por riesgo de inundación resulta crucial. En los últimos años, por efecto del cambio climático, los episodios de lluvias torrenciales e inundaciones han aumentado su frecuencia, con el consiguiente incremento de áreas devastadas catalogadas como zonas catastróficas.

Con vistas a la prevención, preparación y protección ante inundaciones, es importante tener a disposición herramientas que permitan elaborar mapas de peligrosidad de inundación (cálculo de la zona inundable) y de riesgo de inundación (incorporación a la zona inundable de los usos del suelo en esa zona y de los principales daños esperados) en cada Área de Riesgo Potencial Significativo de Inundación (ARPSI).

En este sentido, los modelos hidráulicos bidimensionales son una herramienta clave para analizar el comportamiento de los cauces y sus llanuras de inundación. Dichos modelos permiten anticipar la eficacia de las medidas de contención y laminación

que se puedan considerar para minimizar los efectos de lluvias extraordinarias, posibilitando la adopción de las mejores estrategias tanto desde el punto de vista de la inversión como de la propia gestión del evento excepcional.

Si bien en la actualidad existen diversos programas comerciales que posibilitan este tipo de estudios y son capaces de modelizar dominios de flujo en los que se tienen en cuenta variaciones en el plano horizontal promediando valores en la columna vertical de agua, vamos a centrar nuestro análisis en dos, que por ser de uso libre y estar ampliamente contrastados, se encuentran muy extendidos dentro de este ámbito de la ingeniería en nuestro país: la aplicación HEC-RAS (2D) y el modelo IBER. El citado análisis aborda la revisión de los aspectos más destacables en programas de estas características: modelo del terreno, condiciones de contorno y rugosidades, modelización de estructuras, flexibilidad del modelo y proceso de cálculo, y presentación de resultados.

Revisión de dos modelos hidráulicos bidimensionales de uso libre, HEC-RAS (2D) e IBER, como herramientas clave para el estudio de cauces y sus llanuras de inundación, desde el punto de vista de la peligrosidad y riesgo de inundación en España.

1. IntroducciónAnálisis de Herramientas de Modelización Hidráulica Bidimensional

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2. Modelo Hidráulico Bidimensional HEC-RAS

2.1. Modelo del terreno

2.2. Condiciones de contorno y rugosidades

2.3. Estructuras

2.4. Flexibilidad del modelo y proceso de cálculo

2.5. Presentación de resultados

2.1. Modelo del Terreno

HEC-RAS 5.0 incorpora un módulo llamado RAS Mapper, que está concebido como una herramienta GIS sirviendo de asistencia en la definición geométrica de los elementos a analizar tanto en 1D como en 2D, así como permitiendo la visualización de resultados de forma interactiva. Al iniciar el uso de RAS Mapper, es imprescindible definir la georreferenciación del modelo a través de un archivo de proyección (formato “*.prj” (ESRI projection File – compatible con ArcGIS). RAS Mapper admite más de 100 tipos diferentes de formato para ser introducidos en el modelo, siendo el más comúnmente utilizado el tipo ESRI grid files (*.asc) en lo que se refiere a la importación del modelo del terreno. Cualquiera de los formatos elegidos para la modelización, finalmente serán convertirlos en formato GeoTIFF (*.tif), que es comprimido permitiendo que la velocidad de respuesta y manejabilidad de la herramienta sea francamente buena.

A la hora de generar la malla computacional, HEC-RAS está diseñado para trabajar con mallas no estructuradas, aunque también admite mallas estructuradas. Las celdas de la malla pueden ser cualquier tipo de polígono de hasta 8 lados como máximo. HEC-RAS no permite actualmente editar la cota de los puntos de la malla (asociados al MDT), y por tanto, es necesario utilizar herramientas externas para ello.

Una de las mayores virtudes de RAS Mapper es la incorporación de una librería de mapas que se añaden como fondo de imagen, ayudando tanto a la definición de

la geometría como a la visualización de los resultados. En la actualidad, RAS Mapper dispone de mapas topográficos, ortofotos, callejeros, etc.

2.2. Condiciones de Contorno y Rugosidades

HEC-RAS permite aplicar diversas condiciones de contorno a mallas bidimensionales. Como condiciones de contorno de entrada de flujo, se pueden introducir tanto hidrogramas de caudales como de calados. En contrapartida, el programa admite la salida del flujo a través de una curva de gasto o la definición del calado normal calculado automáticamente mediante la introducción de la pendiente del tramo. Las condiciones de contorno se aplican a celdas de la malla 2D, pudiéndose establecer y editar sencillamente mediante la delimitación de una línea que abarca las celdas en las que se desea atribuir la condición. De igual forma, HEC-RAS hace posible incorporar condiciones iniciales a los modelos, asumiendo una cierta cota de lámina de agua al comienzo de la ejecución.

Los coeficientes de rugosidad en mallas bidimensionales pueden establecerse manualmente mediante la delimitación de polígonos en RAS Mapper. Sin embargo, HEC-RAS admite la posibilidad de importar capas externas, formato shapefile, que se asocian a la malla definiendo la rugosidad. Esta metodología es especialmente útil cuando se trabaja en modelos de gran tamaño.

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2.3. Estructuras



2.3. Estructuras

Una de las principales desventajas de HEC-RAS frente a sus competidores en la actualidad, es la limitación de simular “puentes” dentro de mallas bidimensionales. No obstante, el programa permite la incorporación de otras estructuras como compuertas, alcantarillas y vertederos. A pesar de ello, es posible simular un puente de varios vanos mediante la introducción de varias alcantarillas dotándolas de las dimensiones adecuadas, aunque los resultados obtenidos nunca van a ser tan precisos comparados con una simulación propia del puente. Asimismo, en el caso de que el agua no alcance el tablero del puente, puede definirse la geometría de las pilas mediante el tratamiento del modelo del terreno en un programa externo. La introducción de los parámetros para la simulación de estructuras, se realiza de manera análoga a la de una simulación unidimensional, indicando su geometría y rugosidad, así como los coeficientes de pérdida de carga localizada tanto a la entrada como a la salida de las obras.

2.4. Flexibilidad del Modelo y Proceso de Cálculo

HEC-RAS resuelve tanto las ecuaciones de Saint Venant como de Onda difusa en modelizaciones bidimensionales. De forma general las ecuaciones de Onda Difusa en 2D permiten que el software ejecute los modelos de manera más rápida y estable, aunque para problemas más complejos se recomienda utilizar las ecuaciones de Saint-Venant 2D.

Uno de los mayores potenciales de HEC-RAS es la posibilidad de combinar modelizaciones 1D-2D, permitiendo por ejemplo usar un modelo 1D sobre el cauce de un río y el modelo 2D sobre llanuras de inundación.

En lo que se refiere a la propia simulación del modelo, el parámetro imprescindible a definir es el “time step” (paso de tiempo computacional), ya que el tiempo de ejecución, así como la estabilidad del modelo y precisión de los resultados están estrechamente ligados con esta variable. HEC-RAS realiza simulaciones estables de modelos significativamente grandes en pocas horas mediante el uso de las ecuaciones de Onda Difusa, ampliándose significativamente en el caso de utilizar las ecuaciones de Saint-Venant.

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2.3. Estructuras



2.5. Presentación de Resultados

Los resultados de modelos bidimensionales en HEC-RAS son fundamentalmente presentados a través de la herramienta RAS Mapper, que ofrece la posibilidad de visualizar mapas de calados, velocidad y cota de lámina de agua, así como la animación del flujo de agua cuando acontece la inundación, además de la opción de seleccionar un mapa de máximos de cada variable. Las futuras versiones de HEC-RAS prometen incorporar la grabación de la animación del flujo cuando acontece.

HEC-RAS admite tener cargadas varias simulaciones simultáneamente en el visor de RAS Mapper. Además, posee

una herramienta que posibilita la generación perfiles en la traza definida por el usuario, y en los que se pueden mostrar diferentes variables (calados, velocidad, etc.), permitiendo de igual modo combinar diversas simulaciones en un mismo gráfico. Esta herramienta, así como la versatilidad de RAS Mapper, hacen que sea muy sencillo la comparación de modelos y resultados.

Asimismo, el programa es capaz de exportar las capas de resultados generadas para ser visualizados en otros programas externos de naturaleza SIG.

Figura 1. Visualización en RAS Mapper de velocidades del agua.6





2.3. Estructuras



Figura 2. Visualización en RAS Mapper de calados con traza de partículas.

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3. Modelo Hidráulico Bidimensional IBER


3.2.Condiciones de Contorno y Rugosidad del Terreno

3.3. Estructuras

3.4. Flexibilidad del modelo y cálculo


3.1. Modelo de Terreno

IBER es un programa de modelado de flujo 2D que necesita de la incorporación de un modelo o malla tridimensional de terreno como dato de partida.

La herramienta IBER 2.5.1 permite la importación de un gran número de formatos de geometrías y mallas 3D (IGES, STEP, DXF, Parasolid, ACIS, VDA, SHAPEFILE, PUNTOS XYZ, KML, MALLA 3D STUDIO, RASTER GDAL, etc.). Sin embargo, para la modelación de cauces reales, se recomienda el uso de archivos MDT. A la hora de trabajar con archivos MDT, en función del nivel de detalle del modelo, es posible generar directamente una malla formada por cuadrados de lado constante mediante la opción importación Raster GDAL, o una malla formada por triángulos empleando la herramienta RTIN.

Puesto que el número de elementos generados para un modelo de trabajo con una malla homogénea puede ser muy alto, el modelo IBER permite la posibilidad de crear una malla previa en la cual se asignen distintas densidades de puntos dependiendo de las zonas, realizando a posteriori una asignación de valores de cotas a dichos puntos a partir de un modelo MDT. Ello mejora el nivel de detalle de los resultados en las zonas de interés, sin aumentar innecesariamente el tamaño computacional del modelo.

En este punto también es necesario destacar la posibilidad de incorporar ortofotos georreferenciadas al modelo, opción que mejora notablemente la edición de características del modelo y la posterior interpretación de resultados. Esta opción requiere de archivos georreferenciados obtenidos mediante herramientas externas.


En la definición de las variables hidráulicas de cualquier modelo 2D resultan fundamentales la incorporación de las

condiciones de contorno, las condiciones iniciales, así como la asignación de los coeficientes de rugosidad del terreno.

Dentro del entorno IBER, en el caso de las condiciones de contorno y las condiciones iniciales, éstas se han de aplicar a los elementos de la malla, debiéndose seleccionar de manera directa. Como condición de contorno de entrada, IBER permite la incorporación de curvas de caudal o niveles de agua en el tiempo. En el caso de las condiciones de contorno de salida, se puede optar por una condición de tipo subcrítico estableciendo niveles o curvas de gasto, o de tipo supercrítico sin necesidad de establecer condiciones específicas.

La inclusión de condiciones de contorno, para modelos complejos, puede requerir de un mayor tiempo de implementación de datos, sobre todo si se han de aplicar distintas condiciones o si resulta necesario proceder a la modificación de condiciones ya introducidas. Para facilitar la introducción de las condiciones de contorno, IBER incluye una herramienta que permite visualizar sólo los elementos ubicados en el borde de la malla, lo cual facilita su aplicación. De este modo se evita que la asignación se realice sobre elementos internos, lo cual podría derivar en un error de computación que podría provocar que no se completara el cálculo del modelo.

Para la asignación de los coeficientes de rugosidad, IBER dispone de un sistema de asignación automática, de modo que mediante un archivo raster, similar a un MDT, se puede asociar un código a cada elemento de la malla, de forma que a cada código se le puede aplicar a su vez un valor de coeficiente de rugosidad diferente. Dicha metodología requiere del empleo de una base de datos externa de usos de suelo o rugosidades, y su transformación a un archivo raster mediante una herramienta SIG.

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3.3. Estructuras



3.3. Estructuras

IBER admite la incorporación de diversos tipos de estructuras entre los que se pueden destacar: compuertas, vertederos, cubiertas, diques, puentes y alcantarillas. Las estructuras más utilizadas en los modelos reales de infraestructuras lineales, probablemente sean puentes y alcantarillas, por lo que este punto se centra en ambos casos.

Según la naturaleza del estudio a realizar, IBER cuenta tres opciones para la modelización de puentes:• Introducción del tablero del puente como condición

interna de los elementos de la malla: Esta opción sólo es recomendable en estructuras de pequeño tamaño que no dispongan de pilas. Permite modelizar el paso del agua tanto bajo el tablero como sobre el tablero, pero requiere la introducción de datos de la estructura, elemento a elemento.

• Introducción de la geometría de las pilas en la malla del modelo: Este método no se trata de una herramienta propiamente dicha del programa IBER para la introducción de puentes, sino que consiste en la incorporación en la malla de la geometría detallada de las pilas. Esta metodología se reserva para modelos de puentes de mucho detalle, puesto que la densidad de la malla a utilizar ha de ser muy alta para definir correctamente el contorno de los elementos. Esta metodología sólo es aplicable en casos en los que se sabe previamente que el agua no puede alcanzar el tablero del puente, puesto que éste no queda definido.

• Utilización de la herramienta de introducción de estructuras en malla, “Puente”. Se trata de una herramienta que incorpora en la malla de forma “semiautomática” una estructura, mediante la definición de ésta en un cuadro de diálogo. Permite la definición de puentes de tablero variable y la incorporación de pilas a nivel aproximado. Es posiblemente la mejor opción para modelos de gran tamaño en los que una excesiva densidad de la malla puede hacerlos inviables desde el punto de vista práctico.

Junto con la incorporación de puentes, la otra herramienta más empleada en IBER es la correspondiente a alcantarillas. En IBER las alcantarillas sólo se consideran como elementos que transportan caudal de un punto a otro, teniendo en cuenta su geometría y su rugosidad, no considerándose las posibles pérdidas de energía que pueden producirse en los emboquilles.

3.4. Flexibilidad del Modelo y Cálculo

Una de las potencialidades del programa IBER, mediante el módulo de herramientas, es la posibilidad de modificación de las cotas de la malla de manera directa. Para esta funcionalidad, se admite realizar el cambio de cotas elemento a elemento, o modificar recintos completos a partir de archivos MDT. Esta última opción puede resultar muy útil para la incorporación de obras proyectadas definidas externamente, como terraplenes, motas, encauzamientos, etc. El cambio elemento a elemento, quizá recomendable en zonas puntuales, es un proceso que resulta muy lento para modelos grandes por los dilatados tiempos de selección y proceso del programa en esos casos. En lo que al cálculo se refiere, los tiempos de ejecución de IBER aumentan de forma considerable con el tamaño del modelo, en simulaciones reales se pueden alcanzar perfectamente tiempos de cálculo de más de 12 o 24 horas. Esta cuestión depende en gran medida del volumen de elementos de la malla y el número de condiciones internas, por lo que se recomienda el uso de mallas heterogéneas donde la mayor densidad de nodos se ubique en las zonas de mayor interés del estudio.

Entre las funcionalidades que incorporan las herramientas IBER, se encuentra la “Vía de Intenso Desagüe”. Esta herramienta permite definir un contorno, mediante un polígono o una equidistancia a un eje, a través del cual no se permite el paso del flujo, con el objeto de poder evaluar a posteriori, dentro del mismo modelo, la sobrelevación de la lámina de agua respecto de la malla original y permitir identificar, tras varios tanteos, la Vía de Intenso Desagüe definida en el REAL DECRETO 9/2008, de 11 de enero, por el que se modifica el Reglamento del Dominio Público Hidráulico.

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3.3. Estructuras



3.5. Presentación de Resultados

IBER es capaz de facilitar un gran número de resultados y variables, entre los que se pueden destacar: calado, velocidad, caudal específico, cota de agua, número de Froude, máxima tensión de fondo, peligrosidad RD9/2008 & ACA y energía. Los resultados de IBER son principalmente de tipo raster, y están asociados a una localización del modelo y a un instante determinado de tiempo, de modo que es posible analizar la evolución de las características del flujo del agua e interpretar de un mejor modo el fenómeno que se está modelizando. Sin embargo, IBER también puede proporcionar mapas de máximos, garantizando la observación de los escenarios más desfavorables para todo el conjunto de la simulación. Los valores máximos (principalmente calado, cota y velocidad) son los que se utilizan normalmente para la comprobación y el diseño de los elementos modelados, por lo que identificarlos de forma instantánea resulta de gran utilidad.

Como se ha indicado, las principales salidas de IBER son de tipo raster pudiéndose importar del programa cómo

imágenes o como archivos identificables por aplicaciones SIG. El módulo de procesamiento de datos permite incluso generar y exportar animaciones de la evolución de variables representadas en pantalla a distintos formatos como GIF, AVI, FLV o MPEG.

IBER también facilita la elaboración de perfiles y gráficas de evolución de variables en elementos aunque su manejo resulta menos intuitivo.

Puesto que IBER precisa de un modelo independiente para cada simulación, la comparación de resultados raster dentro del programa está limitada, por lo que es preciso realizar exportaciones y plantear las comparativas de forma externa en aplicaciones SIG.

Como punto a tener en cuenta en el uso de IBER, se debe tener una previsión adecuada de espacio de almacenamiento en disco duro, además de una capacidad de procesamiento elevada, puesto que el volumen de datos almacenados en los archivos del programa puede sobrepasar el orden de magnitud de gigabytes de memoria para modelos de cierta extensión.

Figura 3. Visualización en el módulo de postproceso de IBER del mapa de máximos para velocidades del agua.10





3.3. Estructuras



Figura 4. Visualización en el módulo de postproceso de IBER del mapa de máximos para valores de cota del agua.

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4. Conclusiones

4.1. HEC-RAS (2D)

4.2. IBER

4.1. HEC-RAS (2D)

Uno de los puntos más fuertes del programa HEC-RAS es la facilidad de creación de modelos debido principalmente a la versatilidad y agilidad de su herramienta SIG, llamada RAS Mapper. Asimismo, RAS Mapper permite visualizar los resultados de una manera sencilla y amigable, además de poder comparar varias simulaciones simultáneamente, así como generar perfiles de diversas variables fácilmente.

Otra de las grandes potencialidades de HEC-RAS es la posibilidad de combinar modelos 1D-2D, permitiendo, por ejemplo, usar un modelo 1D sobre el cauce de un río en el que el flujo es principalmente unidimensional e incluir las llanuras de inundación mediante una malla 2D.

La principal desventaja de HEC-RAS frente a sus competidores en la actualidad, es la limitación de simular “puentes” dentro de mallas bidimensionales, no siendo por tanto el programa más adecuado para modelos complejos en los que estructuras de varios vanos sean los elementos más primordiales del modelo. Además, otra de las principales limitaciones es la imposibilidad de modificar la cota del terreno o la malla asociada, teniendo que hacer uso de herramientas externas.

4.2. IBER

Desde el punto de la aplicabilidad, IBER es una herramienta muy potente en la modelización de zonas de inundabilidad para las que el flujo no tenga un carácter unidimensional y en las que se deba considerar y analizar la presencia de puentes existentes o proyectados. Dependiendo del grado de detalle del análisis requerido, así como del tiempo y recursos disponibles, IBER admite la incorporación de estructuras con distintas opciones que confieren al modelo un mayor o menor grado de aproximación de los resultados al fenómeno real modelizado.

IBER permite una importante flexibilidad de los modelos a través de las herramientas de edición de la malla, las cuales hacen posible incluir modificaciones en el terreno,

o implementar determinados tipos de obras, como diques o encauzamientos, sin tener que volver a realizar todo el proceso de mallado y de asignación de condiciones de contorno y rugosidades.

Otra de las grandes potencialidades de IBER es el gran número de parámetros y resultados que es capaz de devolver en su módulo de postproceso, incluyendo incluso mapas de resultados máximos de las principales variables (calado, cota y velocidad) para cada punto de la malla, garantizando la observación de los escenarios más desfavorables para todo el conjunto de la simulación. Los valores máximos son los que se utilizan normalmente para la comprobación y el diseño de los elementos modelados, por lo que identificarlos de forma instantánea resulta de gran utilidad.

Entre los resultados disponibles, IBER cuenta con la generación de Mapas de Peligrosidad según el Real Decreto 9/2008 y los criterios de la ACA, lo cual simplifica de una manera considerable la elaboración de los mismos, a partir de los criterios que los definen relacionados con el calado y la velocidad del flujo.

En contraposición, IBER requiere de un importante consumo de recursos de procesamiento, siendo necesarios largos tiempos de simulación para los modelos e importantes volúmenes de información archivada en disco. Este considerable consumo de recursos también se traduce en una posible pérdida de fluidez en la introducción y modificación de datos para modelos de cierta entidad, por lo que se recomienda gestionar previamente el detalle de la malla de cálculo para cada zona del modelo, en función de la relevancia de los elementos y su influencia sobre los resultados en la zona de interés para el estudio.

En lo que a salidas de datos se refiere, puesto que IBER precisa de un modelo independiente para cada simulación, la comparación de resultados raster dentro del programa está limitada, por lo que es preciso realizar exportaciones y plantear las comparativas de forma externa en aplicaciones SIG.

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