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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
SIMULACIÓN NUMÉRICA BIDIMENSIONAL CON EL PROGRAMA HEC
RAS 5 DE LOS LAHARES PRIMARIOS DEL VOLCÁN COTOPAXI EN EL TRAMO DEL RÍO SANTA CLARA, PARROQUIA DE SANGOLQUÍ Y
COMPARACIÓN CON EL SOFTWARE IBER.
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MENCIÓN HIDRAULICA
KATHERINE ELIZABETH BETANCURT CANTUÑA [email protected]
LIZETH JACQUELINE MACAS GUACHAMIN [email protected]
DIRECTOR: MSC. ING. PATRICIO RUBEN ORTEGA
Quito, enero 2018
ii
DECLARACIÓN
Nosotras, Katherine Elizabeth Betancurt Cantuña y Lizeth Jacqueline Macas
Guachamín, declaramos que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha
sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos
consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Escuela Politécnica Nacional, puede hacer uso de los derechos correspondientes a
este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su
Reglamento y por la normatividad institucional vigente.
__________________________ ________________________ KATHERINE ELIZABETH LIZETH JACQUELINE BETANCURT CANTUÑA MACAS GUACHAMIN
iii
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por las señoritas KATHERINE
ELIZABETH BETANCURT CANTUÑA Y LIZETH JACQUELINE MACAS GUACHAMIN,
bajo mi supervisión.
_____________________________
MSC. ING. PATRICIO ORTEGA
DIRECTOR DEL PROYECTO
iv
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar agradezco a Dios y a la Virgencita por todas las bendiciones que me ha
dado hasta el día de hoy por guiarme, y mantenerme firme en las decisiones que he
tomado para mi vida, a mis dos pilares de mi vida mi mamita Guadalupe Cantuña y mi
abuelita Rosita Chiluisa por inspirarme a seguir adelante y enseñarme cada día a
crecer como persona, por ayudarme hacer cada vez mejor, cuidarme y darme su amor,
a mi hermanita Paola Betancurt por siempre estar a mi lado en cada momento que
hemos compartido y por darme su apoyo incondicional.
A mis profesores especialmente a mi director de tesis Msc. Ing. Patricio Ortega y por
ser una persona comprensiva y humildemente brindarnos sus conocimientos, se logró
culminar este trabajo de la mejor manera.
A Lizeth Macas más que compañera de tesis mi amiga por su perseverancia, cariño y
haber compartido conmigo muchos momentos muy gratos.
A Erika. J, Francisca. D, Anabely. F por brindarme su amistad sincera ser mis
complices de muchas locuras y travesías y por estar conmigo en las buenas y en las
malas. A María Belén.Ch, Luis. V y Jhon. V por ser mis amigos de carrera y por haber
compartido muchas experiencias juntos, a Javier Méndez por compartirnos sus
conocimientos y darnos su ayuda en el desarrollo de este trabajo de titulación.
Y a la Escuela Politécnica Nacional por hacerme crecer profesionalmente por los
conocimientos que he adquirido y poder enfrentarme a lo que es la vida.
Kathy
v
AGRADECIMIENTOS
A Dios y a la virgen María ya que han sido mi fuente de fortaleza y esperanza, ellos
han permitido que impulse cada día a llevar adelante no solo mi vida profesional, sino
todo lo que represento, a mi mami Gladys que es mi guía y ejemplo de vida, por haber
estado junto a mí en mis alegrías y tristezas brindándome siempre su amor
incondicional. A mis hermanas Gladys y Lady que son mis mejores amigas, y a mi
padre Rogelio que me permitieron compartir junto a ellos travesuras y días de inmensa
alegría. A mi abuelito José Guachamín que con sus oraciones y bendiciones me
acompaño en este camino.
A la Escuela Politécnica Nacional por haberme permitido formarme profesionalmente, a
mis apreciados maestros que en muchas ocasiones inspiraron mi vocación, en especial
al Msc. Ing. Patricio Ortega y la Msc. Ing. Ximena Hidalgo, quienes con sus consejos y
observaciones permitieron llevar a cabo este trabajo.
A todos mis amigos María Belén Ch, Jhon V, Jenny C, Pamela C, Liz R, Lucía J,
Katherine B, que estuvieron junto a mí en este largo trayecto de aprendizaje,
ofreciéndome su apoyo y amistad sincera. También a esas personas que hicieron gran
parte de este proyecto brindándome sus conocimientos a Javier Méndez, Ana Quishpe,
Diana Vilaña y a aquellos que con su compañerismo ayudaron a convertir esta meta en
realidad.
Lizeth Jacqueline
vi
DEDICATORIA
A mi familia en especial a mi mamita Guadalupe, abuelita Rosita y mi hermanita Paola
por ser mis más grandes tesoros y un privilegio tenerlas juntas a mi lado, y a Dios y a la
Virgencita por darme las fuerzas para seguir adelante y no dejarme caer mis derrotas.
A mi Tíos Patricia. C y Segundo. S por sus consejos y su cariño que nos han dado a mi
hermana y a mí.
Y a todos aquellos que formaron parte de mi vida y que compartieron un pedacito de
ustedes conmigo y que quedarán grabados en mi corazón.
Kathy
vii
DEDICATORIA
El presente trabajo dedico a mi mami que ha sido todo lo que he soñado y más, siempre
fuerte, amorosa, dedicada y sencilla, ella que ha sido la luz que guía mi vida cada
momento. A Dios que hace que aprenda todos los días nuevas lecciones de esperanza
y de fortaleza, a la virgen María que es mi segunda madre y mi mejor amiga.
Lizeth Jacqueline
viii
CONTENIDO
DECLARACIÓN ............................................................................................................... ii
CERTIFICACIÓN ........................................................................................................... iii
AGRADECIMIENTOS.…………….……….……...…………………………………………...iv
DEDICATORIA………………………………………………………………………………….vi
CONTENIDO…… ......................................................................................................... viii
LISTADO DE FIGURAS ................................................................................................ xii
LISTADO DE TABLAS ............................................................................................... xviii
RESUMEN …………………………………………….………………………...…………….xvi
ABSTRACT ……………………………………………………………………………... ...... xvii
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES .............................................................................................. 1
1.2 OBJETIVOS ....................................................................................................... 2
1.2.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................. 2
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................... 2
1.3 ALCANCE .......................................................................................................... 3
1.4 JUSTIFICACIÓN ................................................................................................ 4
1.5 ESQUEMA DEL DOCUMENTO ......................................................................... 5
CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO
2.1 LAHARES .......................................................................................................... 6
2.1.1 LAHARES PRIMARIOS ............................................................................... 6
2.2 GENERALIDADES DEL VOLCÁN COTOPAXI ................................................. 7
2.2.1 TAMAÑO DEL GLACIAR Y ESCENARIOS ERUPTIVOS ........................... 8
2.2.2 BREVE HISTORIA GEOLÓGICA ................................................................ 9
2.2.3 EL PERIODO PREHISTÓRICO .................................................................. 9
2.2.3.1 Fase riolítica del Cotopaxi I .................................................................... 9
2.2.3.2 La fase andesítica del Cotopaxi I ......................................................... 10
2.2.3.3 Un largo descanso del volcán Cotopaxi ............................................... 10
ix
2.2.3.4 Vigorosa reactivación: el “Cotopaxi II-A” .............................................. 11
2.2.3.5 Actividad andesítica actual: el Cotopaxi II B ........................................ 11
2.2.4 PERIODO HISTÓRICO ............................................................................. 11
2.2.4.1 Siglo XVII ............................................................................................. 12
2.2.4.2 Siglo XIX .............................................................................................. 12
2.2.4.3 La erupción del 26 de junio de 1877 .................................................... 12
2.2.5 SISMOS VOLCÁNICOS ............................................................................ 15
2.2.6 GASES VOLCÁNICOS .............................................................................. 15
2.2.7 FLUJOS DE LAVA..................................................................................... 16
2.2.8 DOMOS DE LAVA ..................................................................................... 16
2.2.9 FLUJOS PIROCLÁSTICOS ....................................................................... 17
2.2.10 AVALANCHAS DE ESCOMBROS ............................................................ 18
2.2.11 LLUVIA DE CENIZA Y PIROCLÁSTICOS ................................................. 18
2.3 ANÁLISIS DE LA ZONA DE ESTUDIO ............................................................ 19
2.4 INTRODUCCIÓN AL SOFTWARE HEC RAS 5 ............................................... 20
2.4.1 VENTAJAS Y CAPACIDADES DE MODELAR EN DOS DIMENSIONES EN HEC RAS 5. ............................................................................ 21
2.4.2 LIMITACIONES DE LAS CAPACIDADES DE MODELOS EN 2D EN HEC RAS ............................................................................................................... 25
2.4.3 HERRAMIENTA RAS Mapper ................................................................... 26
2.4.4 MODELO DE TURBULENCIA EDDY VISCOSITY (VISCOSIDAD DE REMOLINO). .................................................................................................... 27
2.5 ECUACIONES FUNDAMENTALES DE LA HIDRÁULICA ............................... 27
2.5.1 ECUACIÓN DE CONTINUIDAD ................................................................ 28
2.5.2 ECUACIÓN DE ENERGÍA ........................................................................ 29
2.5.3 ECUACIÓN DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO ........................................ 31
2.5.3.1 Ecuaciones de Navier-Stokes .............................................................. 32
2.6 DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE FLUIDOS .............................................. 33
2.6.1 CLASIFICACIÓN DE FLUIDOS................................................................. 33
2.6.2 FLUIDOS NEWTONIANOS ....................................................................... 34
2.6.3 FLUIDO NO NEWTONIANOS ................................................................... 34
2.6.4 FLUJO TURBULENTO .............................................................................. 35
x
2.7 ESTADO DEL ARTE ........................................................................................ 37
CAPÍTULO 3 SIMULACIÓN NUMÉRICA
3.1 METODOLOGÍA .............................................................................................. 39
3.2 CONDICIONES DE CONTORNO .................................................................... 40
3.2.1 TRAMO DE ESTUDIO ............................................................................... 40
3.2.2 EVENTOS ERUPTIVOS DEL VOLCÁN COTOPAXI E HIDROGRAMAS DE INGRESO ............................................................................. 45
3.2.2.1 Escenario 1: Evento Pequeño ............................................................. 45
3.2.2.2 Escenario 2: Evento Moderado ............................................................ 46
3.2.2.3 Escenario 3: Evento Grande ................................................................ 47
3.2.2.4 Escenario 4: Evento Muy Grande ........................................................ 48
3.2.2.5 Clasificación Reológica de los Lahares ............................................... 49
3.2.3 ÁREAS Y VOLÚMENES DEL GLACIAR DEL VOLCÁN COTOPAXI ............................................................................................................. 52
3.2.4 CUANTIFICACIÓN DE LOS VOLÚMENES DEL CASQUETE DEL GLACIAR EN EL FLANCO NORTE DEL VOLCÁN COTOPAXI ............................ 53
3.3 SIMULACIÓN HEC RAS 2D ............................................................................ 55
3.3.1 CALIBRACIÓN DEL MODELO .................................................................. 55
3.3.1.1 Recopilación de Vestigio de la Erupción de 1877 en Campo .............. 55
3.3.1.2 Reología Asociada al Tramo de Simulación ........................................ 57
3.3.1.3 Condiciones de Contorno: Caudales de Ingreso al Tramo de Simulación ............................................................................................................ 59
3.3.1.4 Rugosidad en el tramo de Simulación ................................................. 63
3.3.1.5 Plan de Corridas en la Calibración ....................................................... 66
3.3.1.6 Resultados de la Calibración ............................................................... 67
3.3.2 SIMULACIÓN DEL TRAMO DE ESTUDIO EN EL SOFTWARE HEC RAS 2D .......................................................................................................... 78
3.3.2.1 Plan de Corridas en el Software Hec Ras ............................................ 98
3.4 SIMULACION IBER ......................................................................................... 99
3.4.1 SIMULACIÓN DEL TRAMO DE ESTUDIO EN EL SOFTWARE IBER……….. .......................................................................................................... 99
3.4.1.1 Plan de Corridas en el Software Iber ................................................. 113
CAPÍTULO 4 RESULTADOS Y DISCUSIONES
xi
4.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 116
4.2 RESULTADOS SIMULACIÓN HEC RAS 2D ................................................. 117
4.2.1 Resultados Sin Turbulencia ..................................................................... 117
4.2.2 Resultados Con Turbulencia ................................................................... 122
4.3 RESULTADOS SIMULACIÓN IBER .............................................................. 126
4.3.1 Resultados Sin Turbulencia ..................................................................... 126
4.3.2 Resultados Con Turbulencia ................................................................... 135
4.4 ANÁLISIS COMPARATIVO HEC RAS 2D E IBER. ....................................... 145
4.4.1.1 Comparación Sin Turbulencia ............................................................ 145
4.4.1.2 Comparación Con Turbulencia .......................................................... 148
CAPÍTULO 5 CONCLUSIONE Y TRABAJOS FUTUROS
5.1 CONCLUSIONES .......................................................................................... 151
5.2 TRABAJOS FUTUROS Y RECOMENDACIONES ........................................ 154
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 155
ANEXOS . ........................................................................................................ 157
ANEXO 1 ................................................................................................................. 158
ANEXO 2 ................................................................................................................. 162
ANEXO 3 ................................................................................................................. 173
ANEXO 4 ................................................................................................................. 184
ANEXO 5 ................................................................................................................. 195
xii
LISTADO DE FIGURAS
FIGURA 2.1.MODELO ESQUEMATIZADO DE LA GENERACIÓN DE LAHARES PRIMARIOS. .................................................................................................................... 7
FIGURA 2.2. VOLCÁN COTOPAXI LOCALIZADO EN LA PARTE SUPERIOR LA COORDILLERA ORIENTAL............................................................................................. 8
FIGURA 2.3. FOTOGRAFÍA DE LAS LENGUAS DEL GLACIAR EN EL CONO DEL VOLCÁN COTOPAXI. .............................................................................................. 9
FIGURA 2.4. DEPÓSITO QUE DEJARON LOS JUEGOS PIROCLÁSTICOS .............. 14
FIGURA 2.5. FOTOGRAFIA AEREA DE FLUJO DE LAVA DESCENDIENDO POR EL DRENAJE NOR-OESTE DEL VOLCAN COTOPAXI. ...................................... 16
FIGURA 2.6. ESQUEMA DEL ASPECTO DE LOS FLUJOS PIROCLÁSTICOS DEL VOLCÁN COTOPAXI. ............................................................................................ 17
FIGURA 2.7. ESQUEMA DE UNA EXPLOSIÓN VOLCÁNICA DEL COTOPAXI, CON UNA COLUMNA DE CENIZA Y BOMBAS VOLCÁNICAS .................................... 19
FIGURA 2.8. FOTOGRAFÍA DEL PARQUE TURISMO Y MONUMENTO DEL GENERAL RUMIÑAHUI, PARROQUIA SANGOLQUÍ. .................................................. 20
FIGURA 2.9. VENTANA DE INICIO DE SOTWARE HEC RAS 5 .................................. 21
FIGURA 2.10. ESQUEMAS DE UNA MALLA ESTRUCTURADA Y UNA NO ESTRUCTURADA. ......................................................................................................... 22
FIGURA2.11.EJEMPLO DEL CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS HIDRÁULICOS EN EL PREPROCESO PARA CADA CELDA DEL MALLADO. ..................................... 23
FIGURA 2.12. EJEMPLO DE UNA ZONA DE INUNDACION EN LA HERRAMIENTA RAS MAPPER. .................................................................................... 24
FIGURA 2.13. VENTANA PARA LA ELECCIÓN DEL NÚMERO DE PROCESADORES PARA LA SIMULACIÓN. ................................................................ 25
FIGURA 2.14. ÍCONO DE INGRESO A LA VENTANA DE LA HERRAMIENTA RAS MAPPER EN EL SOFTWARE HEC RAS. ............................................................. 26
FIGURA 2.15. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA MATERIA ............................. 28
FIGURA 2.16. VENA LÍQUIDA ECUACIÓN DE CONTINUIDAD. .................................. 28
FIGURA 2.17. COMPONENTES DE LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE EL ELEMENTO DIFERENCIAL. .......................................................................................... 30
FIGURA 2.18. COMPONENTES DE LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE EL ELEMENTO DIFERENCIAL. .......................................................................................... 32
FIGURA 2.19. DIAGRAMA REOLÓGICO DE FLUIDOS. .............................................. 34
FIGURA 3.1.TRAMO DE SIMULACIÓN CONFORMADO POR LOS RÍOS SANTA CLARA, PITA Y SAN PEDRO. ....................................................................................... 40
FIGURA 3.2. FOTOGRAFÍA RÍO SANTA CLARA EN EL SECTOR DE SELVA ALEGRE, TRAMO DE MODELACIÓN. .......................................................................... 41
FIGURA 3.3. PERFIL LONGITIDUNAL DEL RÍO SANTA CLARA. ................................ 42
xiii
FIGURA 3.4.FOTOGRAFÍA RÍO PITA EN EL SECTOR DE LA BETANIA, TRAMO DE MODELACIÓN. ........................................................................................................ 42
FIGURA 3.5. PERFIL LONGITIDUNAL DEL RÍO PITA. ................................................ 43
FIGURA 3.6. FOTOGRAFÍA RÍO SAN PEDRO BETANIA, TRAMO DE MODELACIÓN. .............................................................................................................. 44
FIGURA 3.7. PERFIL LONGITUD DEL RÍO SAN PEDRO. ........................................... 44
FIGURA 3.8.ESQUEMA DEL ESCENARIO 1 EN UNA POSIBLE ERUPCIÓN DEL VOLCÁN COTOPAXI ..................................................................................................... 45
FIGURA 3.9.ESQUEMA DEL ESCENARIO 2 EN UNA POSIBLE ERUPCIÓN DEL VOLCÁN COTOPAXI ..................................................................................................... 46
FIGURA 3.10. ESQUEMA DEL ESCENARIO 3 EN UNA POSIBLE ERUPCIÓN DEL VOLCÁN COTOPAXI ............................................................................................. 47
FIGURA 3.11. ESQUEMA DEL ESCENARIO 4 EN UNA POSIBLE ERUPCIÓN DEL VOLCÁN COTOPAXI ............................................................................................. 49
FIGURA 3.12. CLASIFICACIÓN REOLÓGICA CONCEPTUAL DE MEZCLAS DE AGUA Y ESCOMBROS. ................................................................................................ 50
FIGURA 3.13. ESQUEMA DE LA DELIMITACIÓN DE LAS ZONAS DE COMPORTAMIENTO NEWTONIANO Y NO NEWTONIANO ....................................... 51
FIGURA 3.14. ORTOFOTOGRAFÍA DEL VOLCÁN COTOPAXI, TOMADA POR EL IGM EN 1997. ........................................................................................................... 52
FIGURA 3.15. DISTRIBUCIÓN DE LAS ÁREAS DE GLACIAR DEL CASQUETE DEL VOLCÁN COTOPAXI. ............................................................................................ 54
FIGURA 3.16. SECCIONES DE VESTIGIO DENTRO DEL ÁREA DE SIMULACIÓN EN LA ZONA DE SANGOLQUÍ. ............................................................ 56
FIGURA 3.17. CURVAS DE DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE GRANOS PARA LAS MUESTRAS DE LA ZONA PROXIMAL DEL DRENAJE NORTE EN EL VOLCÁN COTOPAXI. .................................................................................................... 57
FIGURA 3.18. CURVAS DE DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE GRANOS PARA LAS MUESTRAS DE LA ZONA DISTAL DEL DRENAJE NORTE EN EL VOLCÁN COTOPAXI. ................................................................................................................... 58
FIGURA 3.19. CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS SEGÚN EL TAMAÑO DE GRANO Y SORTEO. ..................................................................................................... 58
FIGURA 3.20. SECCIONES DE INGRESO DE CAUDAL AL TRAMO DE SIMULACIÓN EN LOS RÍOS SANTA CLARA Y PITA. ................................................. 60
FIGURA 3.21.SECCIÓN TRANSVERSAL DE INGRESO DE CAUDAL EN EL RÍO SANTA CLARA. ............................................................................................................. 61
FIGURA 3.22.SECCIÓN TRANSVERSAL DE INGRESO DE CAUDAL EN EL RÍO PITA. .............................................................................................................................. 61
FIGURA3.23.VENTANA DE INGRESO DE CAUDALES EN EL SOFTWARE HEC RAS 2D PARA LOS RÍOS SANTA CLARA .................................................................... 62
xiv
FIGURA 3.24. SUBÁREAS DE MANNING PARA EL TRAMO DE SIMULACIÓN, EN LA ZONA DE SANGOLQUÍ...................................................................................... 64
FIGURA 3.25. INGRESO DE LA CAPA DE USO DE SUELO PARA EL ÁREA DE SIMULACIÓN EN EL SOFTWARE HEC RAS 2D. ......................................................... 65
FIGURA 3.26.CARACTERÍSTICAS DEL ORDENADOR QUE SE UTILIZÓ PARA LAS SIMULACIONES EN EL SOFTWARE HEC RAS 2D. ........................................... 66
FIGURA 3.27.VENTANA DE GENERACIÓN DEL MALLADO EN EL SOFTWARE HEC RAS 2D.................................................................................................................. 67
FIGURA 3.28. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN. .................................. 68
FIGURA 3.29. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN. ............................. 70
FIGURA 3.30.SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN. ......................................... 71
FIGURA 3.31. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN LA BETANIA CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN. ................................................................ 73
FIGURA 3.32. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN MEGAMAXI CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN. ................................................................ 74
FIGURA 3.33. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN SANGOLQUI-EJIDO CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN. ....................................................... 75
FIGURA 3.34. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN. ..................................... 77
FIGURA 3.35. SUPERFICIE DE INGRESO AL PROGRAMA HEC RAS 2D. ................ 79
FIGURA 3.36. ÍCONO DE ACCESO A LA INTERFAZ RAS MAPPER EN EL SOFTWARE HEC RAS. ................................................................................................. 79
FIGURA 3.37. ÍCONO PARA CREAR NUEVO TERRENO EN LA VENTANA DE LA HERRAMIENTA RAS MAPPER. .............................................................................. 80
FIGURA 3.38. TOPOGRAFÍA INGRESADA EN LA HERRAMIENTA RAS MAPPER, HEC RAS 2D. ............................................................................................... 81
FIGURA 3.39. ÍCONO DE INGRESO A LA VENTANA DE EDICIÓN Y VISIÓN DE GEOMETRÍA, HEC RAS 2D. ......................................................................................... 82
FIGURA 3.40.VENTANA DE LA GEOMETRIÁ DEL ÁREA DE SIMULACIÓN,HEC RAS 2D. ......................................................................................................................... 82
FIGURA 3.41. VENTANA DE GENERACIÓN DEL MALLADO EN LA ZONA DE SIMULACIÓN, HEC RAS. .............................................................................................. 83
FIGURA 3.42. CONDICIONES DE BORDE EN EL TRAMO DE SIMULACIÓN, HEC RAS. ...................................................................................................................... 84
FIGURA 3.43. CONDICIONES DE BORDE EN EL TRAMO DE SIMULACIÓN, HEC RAS. ...................................................................................................................... 85
FIGURA 3.44. HIDROGRAMA DE INGRESO AL RÍO SANTA CLARA ........................ 85
FIGURA 3.45. HIDROGRAMA DE INGRESO AL RÍO PITA ......................................... 86
xv
FIGURA 3.46. VENTANA DE INGRESO DE LAS CONDICIONES DE BORDE EN LA SIMULACIÓN. .................................................................................................... 86
FIGURA 3.47. HIDROGRAMA DE ENTRADA AL RÍO SANTA CLARA EN EL SOFTWARE HEC RAS. ................................................................................................. 87
FIGURA 3.48. HIDROGRAMA DE ENTRADA AL RÍO PITA EN EL SOFTWARE HEC RAS. ...................................................................................................................... 88
FIGURA 3.49. HIDROGRAMA DE ENTRADA AL RÍO PITA EN EL SOFTWARE HEC RAS. ...................................................................................................................... 89
FIGURA 3.50. VENTANA EN RAS MAPPER, PARA CARGAR LOS COEFICIENTES DE RUGOSIDAD EN LA ZONA DE SIMULACIÓN. ............................ 90
FIGURA 3.51. VENTANA PARA INGRESAR LOS VALORES DE MANING. ............... 91
FIGURA 3.52. CAPA DE COEFICIENTES DE RUGOSIDAD EN EL POLÍGONO MODELADO................................................................................................................... 91
FIGURA 3.53. VENTANA DE ACCESO PARA LA PREPACIÓN DE LA MODELACIÓN PARA FLUJO NO PERMANENTE. ...................................................... 92
FIGURA 3.54. VENTANA DE ACCESO PARA LA PREPACIÓN DE LA MODELACIÓN PARA FLUJO NO PERMANENTE. ...................................................... 93
FIGURA 3.55. VENTANA DE PROCESO DE CORRIDA EN EL SOFTWARE HEC RAS PARA FLUJO NO PERMANENTE. ............................................................... 94
FIGURA 3.56. VENTANA DE INGRESO PARA VISUALIZACIÓN DEL HIDROGRAMA DE SALIDA. .......................................................................................... 95
FIGURA 3.57. VENTANA CON HIDROGRAMA DE SALIDA EN EL RÍO SAN PEDRO. ......................................................................................................................... 96
FIGURA 3.58. VENTANA DE RESULTADOS DE LA CORRIDA CALADOS, VELOCIDADES Y NIVELES DE FLUJO. ....................................................................... 96
FIGURA 3.59. PERFIL LONGITUDINAL DEL RÍO PITA EN LA INTERFAZ RAS MAPPER. ....................................................................................................................... 97
FIGURA 3.60. TABLA DE VALORES DE PERFIL LONGITUDINAL DEL RÍO
PITA. .............................................................................................................................. 97
FIGURA 3.61.VENTANA PARA GUARDAR PROYECTO CORRESPONDIENTE AL PRIMER PASO DE LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL EN EL PROGRAMA IBER. ............................................................................................................................ 100
FIGURA 3.62. TRIÁNGULOS QUE SE ACOPLAN A LA GEOMETRÍA DE LA TOPOGRAFÍA. ............................................................................................................. 100
FIGURA 3.63. VENTANA DONDE SE CREA RTIN PARA CARGAR LA TOPOGRAFÍA. ............................................................................................................. 101
FIGURA 3.64. VENTANA DE ARCHIVO RTIN CONSIDERANDO LOS PARÁMETROS A LLENAR. ......................................................................................... 102
FIGURA 3.65. VENTANA DE OPCIÓN PARA MALLAR LA GEOMETRÍA. ................. 102
FIGURA 3.66. ÁREA A SIMULAR DEL RÍO SANTA CLARA DE LA PARROQUIA DE SANGOLQUÍ CON LAS CONDICIONES INICIALES Y CON OPCIÓN DE VISTA SUAVE......................................................................................... 103
xvi
FIGURA 3.67. VENTANA DE INGRESO DE HIDROGRAMAS DE ENTRADA CORREPONDIENTE AL RÍO SANTA CLARA Y RÍO PITA. ........................................ 104
FIGURA 3.68. HIDROGRAMA DE ENTRADA CORRESPONDIENTE AL RÍO PITA. ............................................................................................................................ 105
FIGURA 3.69. HIDROGRAMA DE ENTRADA CORRESPONDIENTE AL RÍO SANTA CLARA. ........................................................................................................... 105
FIGURA 3.70. SELECCIÓN DE ENTRADA CORRESPONDIENTE AL RÍO SANTA CLARA Y PITA. ............................................................................................... 106
FIGURA 3.71. ASIGNACIÓN DE ENTRADA DEL RÍO SANTA CLARA Y RÍO PITA. ............................................................................................................................ 106
FIGURA 3.72. DEMOSTRACIÓN DE LÍNEAS QUE MUESTRAN LAS DOS SUPERFICIES. ............................................................................................................ 107
FIGURA 3.73. VENTANA PARA LA SELECCIÓN DE LA SALIDA 2D EN REGIMEN SUBCRÍTICO. ............................................................................................ 107
FIGURA 3.74. SELECCIÓN DE SALIDA CORRESPONDIENTE AL RÍO SAN PEDRO. ....................................................................................................................... 108
FIGURA 3.75. VENTANA DE SELECCCIÓN DE MALLA NO ESTRUCTURADA. ..... 108
FIGURA 3.76. VENTANA DE MALLA YA GENERADA. .............................................. 109
FIGURA 3.77. SIMULACIÓN CON EL USO DE SUELO RESPECTIVO. .................... 110
FIGURA 3.78. VENTANA CORRESPONDIENTE A DATOS DEL PROBLEMA. ..... 111
FIGURA 3.79. VENTANA DE PROCESO FINALIZADO CON VENTANA DE RESULTADOS DEL HIDROGRAMA DE SALIDA. ....................................................... 112
FIGURA 3.80. VENTANA DE POS POST-PROCESO PARA OBTENER LOS RESULTADOS DE LAS SECCIONES DE VESTIGIOS YA MENCIONADOS. ............ 113
FIGURA 3.81. DESARROLLO DE SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL CON PROGRAMA IBER EN DIFERENTES LAPSOS DE TIEMPOS. .................................. 113
FIGURA 3.82. PROPIEDADES DEL EQUIPO COMPUTACIONAL UTILIZADO PARA LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL EN PROGRAMA IBER. ............................ 115
FIGURA 4.1. VESTIGIOS EN LA ZONA A MODELAR PARROQUIA SANGOLQUÍ ................................................................................................................ 117
FIGURA 4.2. HIDROGRAMA DE SALIDA SIN TURBULENCIA EN EL RÍO SAN PEDRO DE LA CORRIDA BIDIMENSIONAL EN EL SOFTWARE HEC RAS. ............ 118
FIGURA 4.3. MAPA DE CALADOS DE LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL SIN TURBULENCIA EN EL PROGRAMA HEC RAS. ......................................................... 119
FIGURA 4.4. MAPA DE VELOCIDADES DE LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL SIN TURBULENCIA EN EL PROGRAMA HEC RAS. .................................................. 121
FIGURA 4.5.HIDROGRAMA DE SALIDA CON TURBULENCIA EN EL RÍO SAN PEDRO DE LA CORRIDA BIDIMENSIONAL EN EL SOFTWARE HEC RAS. ............ 122
FIGURA4.6.MAPA DE CALADOS DE LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA EN EL PROGRAMA HEC RAS. ........................................................ 124
xvii
FIGURA 4.7. MAPA DE VELOCIDADES DE LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL EN EL PROGRAMA HEC RAS. ................................................................................... 125
FIGURA 4.8. HIDROGRAMA DE SALIDA GENERADO POR LAS TRES CORRIDAS RESPECTIVAS PARA LA MODELACIÓN BIDIMENSIONAL. ................. 127
FIGURA 4.9. MAPA DE CALADOS CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL SIN TURBULENCIA EN EL PROGRAMA IBER. ............................ 129
FIGURA 4.10. MAPA DE VELOCIDADES CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL SIN TURBULENCIA EN EL PROGRAMA IBER. ............................ 131
FIGURA 4.11. MAPA DE VALORES DE NÚMERO DE FROUDEE CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL. ............................................. 132
FIGURA 4.12. MAPA DE VALORES DE ENERGÍA CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL......................................................................................... 134
FIGURA4.13.VESTIGIO EN LA ZONA A MODELAR PARROQUIA SANGOLQUÍ. ..... 136
FIGURA 4.14. HIDROGRAMA DE SALIDA CORRESPONDIENTE A LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA. .............................................. 137
FIGURA 4.15. MAPA DE CALADOS CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA EN EL PROGRAMA IBER. .......................... 138
FIGURA 4.16. MAPA DE VELOCIDADES CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA EN EL PROGRAMA IBER ........................... 140
FIGURA 4.17. MAPA DE VALORES DE ENERGÍA CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA ..................................................... 142
FIGURA 4.18. MAPA DE VALORES DE NÚMERO DE FROUDE CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA. .......... 144
FIGURA 4.19. MAPA DE VALORES DE TURBULENCIA CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL SIN TURBULENCIA. ................................................. 147
FIGURA 4.20. MAPA DE VALORES DE TURBULENCIA CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA. ............................................... 150
xviii
LISTADO DE TABLAS
TABLA 2.1 RESUMEN DE LA ACTIVIDAD EN LOS ACTUALES 2000 AÑOS DEL VOLCÁN COTOPAXI. ............................................................................................ 14
TABLA 2.2 ECUACIONES DE CONTINUIDAD PARA DIFERENTES TIPO DE FLUJO ............................................................................................................................ 29
TABLA 3.1 ÁREAS DE GLACIAR CORESPONDIENTES AL DRENAJE NORTE DEL VOLCÁN COTOPAXI DESDE EL AÑO 1977 HASTA EL 2016. ............................ 53
TABLA 3.2 NOMBRES, COORDENADAS Y CALADO DE LAS SECCIONES DE VESTIGIO HALLADAS EN EL TRAMO DE SIMULACIÓN. ........................................... 55
TABLA 3.3 CAUDALES DE INGRESO AL TRAMO DE SIMULACIÓN EN LOS RÍOS SANTA CLARA Y PITA. ....................................................................................... 59
TABLA 3.4 VALORES DE MANNING PARA LA ZONA DE SIMULACIÓN EN LA PARROQUIA DE SANGOLQUÍ. .................................................................................... 65
TABLA 3.5 RESUMEN DE PLAN DE CORRIDA PARA LA CALIBRACIÓN DEL MODELO. ...................................................................................................................... 67
TABLA 3.6 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO. .................................................................................................................. 68
TABLA 3.7 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA. ............................................................................................................. 70
TABLA 3.8 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA. ................................................................................................................... 71
TABLA 3.9 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN LA BETANIA. ................ 73
TABLA 3.10 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN MEGAMAXI. ................ 74
TABLA 3.11 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN SANGOLQUÍ-EJIDO. ........................................................................................................................... 76
TABLA 3.12 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA. ..................................................................................................................... 77
TABLA 3.13 RESUMEN DE LAS SECCIONES DE VESTIGIO EN LA CALIBRACIÓN DEL MODELO. ..................................................................................... 78
TABLA 3.14 RESUMEN DE PLAN DE CORRIDA PARA LA MODELACIÓN SIN TURBULENCIA DEL MODELO EN EL SOFTWARE HEC RAS. ................................... 98
TABLA 3.15 RESUMEN DE PLAN DE CORRIDA PARA LA MODELACIÓN SIN TURBULENCIA DEL MODELO EN EL SOFTWARE HEC RAS. ................................... 98
TABLA 3.16 RESUMEN DEL PLAN DE CORRIDA DE LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL EN EL PROGRAMA IBER. ............................................................. 114
TABLA 4.1 VALORES DEL HIDROGRAMA DE SALIDA DE LA SIMULACIÓN EN HEC RAS, RÍO SAN PEDRO. ................................................................................ 118
TABLA 4.2 VALORES DE CALADOS EN LAS SECCIONES DE VESTIGIO EN EL TRAMO DE MODELACIÓN, HEC RAS. ................................................................. 120
xix
TABLA 4.3 VALORES DE VELOCIDADES EN LAS SECCIONES DE VESTIGIO EN EL TRAMO DE MODELACIÓN, HEC RAS. ........................................................... 120
TABLA 4.4 VALORES DEL HIDROGRAMA DE SALIDA DE LA SIMULACIÓN EN HEC RAS, RÍO SAN PEDRO. ................................................................................ 123
TABLA 4.5 VALORES DE CALADOS EN LAS SECCIONES DE VESTIGIO EN EL TRAMO DE MODELACIÓN, HEC RAS. ................................................................. 123
TABLA 4.6 VALORES DE VELOCIDADES EN LAS SECCIONES DE VESTIGIO EN EL TRAMO DE MODELACIÓN, HEC RAS. ........................................................... 126
TABLA 4.7 VALORES TOMADOS DE LOS RESULTADOS DEL CAUDAL DE SALIDA VS TIEMPO OBTENIDAS DE LA CORRIDA EN EL PROGRAMA IBER. ...... 127
TABLA 4.8 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS DE CAUDALES PICO Y VOLUMEN DE LOS HIDROGRAMAS DE SALIDA. ..................................................... 128
TABLA 4.9 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HDRÁULICOS DE CALADOS SIN TURBULENCIA OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER. ....................................... 130
TABLA 4.10 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HDRÁULICOS DE VELOCIDADES SIN TURBULENCIA OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER. ............ 130
TABLA 4.11 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HDRÁULICOS DE NÚMERO DE FROUDE OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER. .................................................. 133
TABLA 4.12 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HIDRÁULICOS DE ENERGÍA OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER. ........................................................................ 135
TABLA 4.13 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS DE CAUDALES PICO Y VOLUMEN DE LOS HIDROGRAMAS DE SALIDA CON TURBULENCIA. ................. 136
TABLA 4.14 VALORES TOMADOS DE LOS RESULTADOS DEL CAUDAL DE SALIDA VS TIEMPO OBTENIDAS DE LA CORRIDA EN EL PROGRAMA IBER CON TURBULENCIA. .................................................................................................. 137
TABLA 4.15PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HIDRÁULICOS DE CALADOS OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER. ........................................................................ 139
TABLA 4.16 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HIDRÁULICOS DE VELOCIDADES OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER. ............................................. 141
TABLA 4.17 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HDRÁULICOS DE ENERGÍA OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER. ........................................................................ 143
TABLA 4.18 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HDRÁULICOS DE NÚMERO DE FROUDE OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER. .................................................. 145
TABLA 4.19 COMPARACIÓN DE CALADOS ENTRE LOS PROGRAMAS HEC RAS E IBER. ................................................................................................................ 146
TABLA 4.20 COMPARACIÓN DE VELOCIDADES ENTRE LOS PROGRAMAS HEC RAS E IBER. ....................................................................................................... 146
TABLA 4.21 COMPARACIÓN DE CAUDALES PICO Y VOLUMENES ENTRE LOS PROGRAMAS HEC RAS E IBER. ....................................................................... 147
TABLA 4.22 COMPARACIÓN DE CALADOS ENTRE LOS PROGRAMAS HEC RAS E IBER, CON TURBULENCIA. ............................................................................ 148
xx
TABLA 4.23 COMPARACIÓN DE VELOCIDADES ENTRE LOS PROGRAMAS HEC RAS E IBER, CON TURBULENCIA. ................................................................... 149
TABLA 4.24 COMPARACIÓN DE CAUDALES PICO Y VOLUMENES ENTRE LOS PROGRAMAS HEC RAS E IBER. ....................................................................... 149
xvi
RESUMEN
El presente estudio tiene como objetivo implementar el nuevo software Hec-Ras para
simulaciones de lahares primarios del drenaje norte del volcán Cotopaxi, para zonas de
baja pendiente con cauces anchos, como es la parroquia de Sangolquí, mediante la
utilización del programa Hec Ras e Iber. Con este fin se realizó la calibración del
modelo en el software Hec Ras mediante la variación de la capa rugosidad dentro del
tramo de simulación
Este trabajo nos permite determinar la aplicabilidad de la simulación bidimensional para
flujo de lahares primarios del flanco Norte del volcán Cotopaxi en el tramo del río Santa
Clara correspondiente a la parroquia de Sangolquí, en las diferentes secciones de
vestigio de la zona a modelar y comparando los resultados obtenidos del programa
Hec-Ras como los de Iber.
Como resultado de este trabajo se obtuvo un estudio que pueda ser tomado en cuenta
para proyectos futuros relacionados con la simulación bidimensional de flujo de lahares,
no solo en esta zona sino en otros lugares, además como resultado de las simulaciones
en Iber y Hec Ras se obtuvo resultado de las simulaciones similares en cuanto calados,
velocidades y mapas de inundación, pero con diferencias claras en ciertas secciones
analizadas y en el tiempo de simulación. Los mapas de inundación muestras zonas de
mayor riesgo para que las autoridades tomen las medidas de prevención ante una
eventual erupción del volcán Cotopaxi.
xvii
ABSTRACT
The objective of this study is to implement the a new software Hec-Ras, for simulations
of primary lahars of the drainage northern of the Cotopaxi volcano, for areas of low slope
with flow rates wide, with a little shallow character, such as the parish of Sangolquí,
through the use of the program Hec Ras e Iber. For this purpose, It was made the
calibration of the model in the Hec Ras software through of the varying the roughness
layer within the simulation section.
This work allowed to determine the applicability of the two dimensional simulation for
flow of primary lahars of the North flank of the Cotopaxi volcano in the stretch of the
Santa Clara river, corresponding to the Sangolquí, parish in the different vestige
sections of the area to be modeled and comparing the obtained results of the Hec Ras
program with those of Iber.
The result of this research, a study was obtained which can be used into account for
future projects related to the two-dimensional flow simulation of lahars, not only in the
study area, but in other places, In addition, as a result of the simulations in Iber and Hec
Ras, the result of similar simulations in so far as height of water, speeds and flood maps,
but with evident differences in certain sections analyzed and in the simulation time. The
flood maps show risk zones, this could be used for the authorities to take prevention
measures if the Cotopaxi volcano erupts.
1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES
El Volcán Cotopaxi es considerado como uno de los volcanes más activos de la
Cordillera de los Andes, con una elevación de 5897 metros sobre el nivel del mar, que
durante sus erupciones volcánicas dan origen a la formación de lahares producto de la
expulsión y caída de material piroclásticos, ceniza y material incandescente originando
el derretimiento del glaciar. La red hidrográfica del volcán Cotopaxi surge de las
vertientes que conforman las partes altas del cono dando origen a tres drenajes: Norte,
Oriente y Sur. (Ordoñez et al, 2013)
La erupción de 1877 fue representativa en toda la actividad volcánica del Cotopaxi lo
que provocó un flujo de lodo destructivo debido a su alta energía y velocidad de
arrastre, ocasionando un número significativo de pérdidas humanas y materiales a lo
largo de los drenajes principales de dicho volcán. (Lemaire et al, 2017).
El presente estudio se refiere a una simulación mediante la implementación del
paquete computacional Hec-Ras 5 en la simulación numérica bidimensional del flujo de
lahares primarios en el tramo del Río Santa Clara que atraviesa la Parroquia de
Sangolquí y a la respectiva comparación de los resultados obtenidos con el programa
Iber para ver el grado de similitud, brindando ventajas sobre la manipulación de este
software.
2
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 OBJETIVO GENERAL
Identificar la aplicabilidad de la simulación bidimensional de flujo de lahares primarios
en zonas de inundación en la Parroquia de Sangolquí en el río Santa Clara mediante la
utilización del paquete computacional Hec Ras 5, para proporcionar recomendaciones
que permitan representar adecuadamente este patrón de flujo, además de mapas de
inundación que son útiles para medidas de prevención al suscitar una erupción del
volcán Cotopaxi.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
¨ Recopilar información existente sobre los lahares presentes en el volcán
Cotopaxi, mediante registros bibliográficos, libros y publicaciones que permitan
entender a mayor profundidad el tema a realizar.
¨ Aprender el uso de los paquetes computacionales Hec Ras 5 e Iber, mediante
compilación de material referente a estos programas como manuales, videos
para realizar las debidas simulaciones.
¨ Calibrar el modelo numérico a través del levantamiento de vestigios del evento
eruptivo de 1877 en el software Hec Ras 5, para probar la aplicabilidad de la
simulación.
¨ Efectuar la simulación numérica del flujo de lahares primarios en el sector de
Sangolquí del drenaje norte del volcán Cotopaxi, mediante el paquete
computacional Hec Ras 5 e Iber para proceder a realizar el análisis de
resultados obtenidos y comparaciones.
¨ Analizar las ventajas y restricciones del paquete computacional Hec Ras para la
simulación bidimensional del flujo de lahares en zonas planas mediante un
análisis comparativo con los resultados obtenidos del programa Iber.
¨ Elaborar un ejemplo sobre el uso del software Hec Ras en dos dimensiones en
la simulación de lahares, para estudiantes de la carrera que sea aplicable para
la materia de aplicaciones computacionales en hidráulica mediante una
secuencia de pasos y explicaciones.
3
1.3 ALCANCE
El presente trabajo pretende proporcionar a los investigadores recomendaciones que
permitan representar adecuadamente el patrón de flujo bidimensional presente en
zonas planas o de llanura, analizando las ventajas y restricciones del paquete
computacional Hec- Ras 5 en la modelación de este tipo de flujo, en el análisis de
lahares primarios además, de una comparación con los resultados obtenidos de la
simulación realizada en el programa Iber.
La simulación de calibración se considerará un parámetro necesario para la ejecución
de este trabajo debido que se obtendrá el modelo calibrado mediante los coeficientes
de Manning “n” inmersos dentro del tramo simulado el cual se logrará con el paquete
computacional Hec Ras en una modelación en dos dimensiones.
A su vez implementar el nuevo software Hec-Ras 5 antes no utilizado para una
simulación de lahares primarios en zonas de baja pendiente, considerando como zona
de inundación la Parroquia de Sangolquí del Volcán Cotopaxi en dos dimensiones y
con comparación con el producto de una modelación en el software Iber.
Además, esta investigación busca validar el modelo con la aplicabilidad del paquete
computacional Hec-Ras 5 para que pueda ser tomada en cuenta para proyectos futuros
que tenga relación con este tipo de simulación de flujo de lahares y las posibles
sugerencias de uso de este nuevo paquete computacional.
4
1.4 JUSTIFICACIÓN
Para un nuevo estudio de los lahares primarios del Cotopaxi, se ha implementado el
paquete computacional Hec Ras en su nueva versión que permite la simulación
bidimensional del tránsito del flujo en una zona de baja pendiente y cauces anchos.
Además, brinda recomendaciones sobre la aplicación y uso del paquete computacional
para zonas altamente pobladas como es el caso de Sangolquí.
Con esta investigación se justifica la implementación del paquete computacional Hec
Ras 5 en simulaciones bidimensionales de flujo de lahares, y ver el grado de
coincidencia con los resultados obtenidos con el paquete bidimensional Iber.
Para la realización de este proyecto se investiga el manejo del paquete computacional
Hec Ras 5 bidimensional; el funcionamiento de herramientas, parámetros iniciales para
las simulaciones, procesamiento de información, interpretación de resultados.
Adicionalmente se valida el modelo aplicando el paquete computacional Hec Ras 5
para brindar información que pueda ser tomadas en cuenta en futuros proyectos
relacionados con la simulación bidimensional de flujo de lahares. Además de exponer
la utilidad del paquete computacional Hec Ras 5, para la modelación de zonas de
inundación. También pretende proveer mapas de inundación en el tramo de simulado
para las autoridades pertinentes que puedan ser utilizados en caso de una eventual
erupción del volcán Cotopaxi.
5
1.5 ESQUEMA DEL DOCUMENTO
El presente trabajo de investigación está encaminado al análisis del tránsito de lahares
con características bidimensionales usando el paquete computacional Hec-Ras 5 para
zonas de baja pendiente en la parroquia de Sangolquí, en el flanco Norte del volcán
Cotopaxi constando de la siguiente manera:
En el Capítulo uno están detallados los pilares de este proyecto de titulación los cuales
se partirá para la elaboración los cuales son: Introducción, Antecedentes, Objetivos,
Alcance, Justificación.
El capítulo dos consta de dos partes, la primera parte es el marco teórico el cual
presenta sobre los lahares primarios, generalidades del volcán Cotopaxi, historia
eruptiva, análisis de la zona de estudio, ecuaciones fundamentales de la Hidráulica,
ecuaciones bidimensionales del flujo newtoniano y no newtoniano. Mientras que en la
segunda parte describe el estado del arte el cual se refiere aun un detallamiento de las
bibliografías utilizadas.
Capitulo tres explica la simulación numérica en los programas computacionales Hec-
Ras e Iber conformado por la metodología, condiciones de contorno, calibración del
modelo, simulación del tramo de estudio.
Capítulo cuatro, nos permite ver resultados y discusiones de los dos programas
computacionales Hec-Ras e Iber y análisis comparativo entre estos dos.
Capitulo cinco finalmente termina con un resumen en base al proyecto de titulación
elaborado, respectivas conclusiones y trabajas futuros.
6
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1 LAHARES
Son mezclas de residuos (rocas, escombros y sedimentos con agua procedente de la
fusión de glaciar correspondiente del volcán, siendo movidos por la fuerza de la
gravedad ladera abajo, con velocidades que pueden alcanzar los 100 km/h en tramos
con pendientes pronunciadas. (Andrade et al, 2005)
2.1.1 LAHARES PRIMARIOS
La formación de lahares se dan mediante dos mecanismos cuando están directamente
relacionados con el volcán Cotopaxi se los conoce como lahares primarios, mientas que
los lahares secundarios son productos de la mezcla de las cenizas y lluvias. (Andrade et
al, 2005)
Los lahares primarios debido a su rápida y violenta fusión del casquete son los de
mayor peligrosidad con grandes volúmenes de mezclas y alto grado de destrucción.
(Andrade et al, 2005)
Las poblaciones cercanas al volcán en una erupción tienen pocas probabilidades de
supervivencia, ya que dependiendo del volumen del lahar este puede llegar a empujar
objetos como rocas de gran tamaño, autos e inclusive construcciones tan grandes como
edificios, puentes, destruye todo lo que encuentra a su paso. En la figura 2.1, se
muestra un modelo esquemático de la generación de lahares. (Andrade et al, 2005)
Según, (Mothes, 2004) una erupción similar a la del 26 de junio de 1877, del volcán
Cotopaxi, sería de mucha peligrosidad ya que se trataría de poca duración como para
este caso se estima que el derrame de flujos no habría durado más de
7
15 minutos, y que el transcurso de los lahares de entre 30 y 60 minutos causando
graves daños. (Andrade et al, 2005)
FIGURA 2.1. MODELO ESQUEMATIZADO DE LA GENERACIÓN DE LAHARES PRIMARIOS.
Fuente: (Andrade et al, 2005)
2.2 GENERALIDADES DEL VOLCÁN COTOPAXI
El volcán Cotopaxi con una altitud aproximada de 5.897 msnm conocido como el volcán
más activo y peligroso del Ecuador debido su alta intensidad volcánica, origina lahares
con altos volúmenes de agua, materiales volcánicos los cuales son transitados por los
cauces arrastrando todo lo que encuentre a su paso. Localizado a 0° 38´S Y 78 26´O en
la parte superior de la Cordillera Oriental, rodeada de páramos de aproximadamente de
3.000 msnm. (Figura 2.2) (Ordoñez et al, 2013)
8
La red hidrológica que nace del cono formando las 19 lenguas de los deshielos que
constituyen el casquete, costa de tres vertientes en la parte más alta formando tres sub-
redes principales: Norte, Oriente y Sur (Ordoñez et al, 2013).
FIGURA 2.2. VOLCÁN COTOPAXI LOCALIZADO EN LA PARTE SUPERIOR DE LA COORDILLERA ORIENTAL.
Fuente: (Ordoñez et al, 2006)
2.2.1 TAMAÑO DEL GLACIAR Y ESCENARIOS ERUPTIVOS
La red hidrográfica comprende de tres drenajes:
Drenaje Norte: Nace de las vertientes de los glaciares 1-6 (Figura 2.3), lo conforman
los ríos El Salto y Pita, y aguas abajo se unen con los ríos Santa Clara y San Pedro.
Drenaje Oriente: Depende de las vertientes de los glaciares 7-9 (Figura 2.3),
conformando los ríos Tamboyacu y Tambo dando origen al río también llamado Tambo
el cual cruza con la Cordillera Oriental.
Drenaje Sur: De las vertientes 10-19 (Figura 2.3) comprenden los ríos Cutuchi,
Saquimala y Alaques. Tomando en cuenta que las poblaciones más cercanas a
9
estos ríos son las siguientes; Latacunga, Salcedo, Belisario Quevedo, Alaques,
Tanicuchi, Lasso, Pastocalle, Barrancas, José Guango Bajo, Mulaló y San Agustín de
Callo.
FIGURA 2.3. FOTOGRAFÍA DE LAS LENGUAS DEL GLACIAR EN EL CONO DEL VOLCÁN COTOPAXI.
Fuente: (Ordoñez et al, 2006)
2.2.2 BREVE HISTORIA GEOLÓGICA
El volcán se remota alrededor de 500.000 años, con erupciones volcánicas muy
explosivas que desde el flanco norte pueden ser observados los vestigios cubiertos de
ceniza depósitos de tefra y flujos piroplásticos de pómez y ceniza.
2.2.3 EL PERIODO PREHISTÓRICO
2.2.3.1 Fase riolítica del Cotopaxi I
Los restos del volcán Cotopaxi más antiguos están alrededor de 500.000 años de edad,
estos restos se presentan en el flanco sur y sur-occidental en el fondo de
10
las quebradas de los ríos Barrancas, San Lorenzo y Burrrohuaicu, Saquimala. El
Cotopaxi I se caracterizó por sus erupciones de magmas riolíticos.
Según estudios geológicos concluyeron que las erupciones eran de gran magnitud
llegando a 17km hacia el sur-occidental del volcán con extensas caídas de piroclásticos,
pómez y ceniza cubriendo el sur del cono con más 30 Km.
Mientras que si eran explosiones pequeñas daban origen a lavas riolíticas y obsidiana
observándose en sur del cono. (Andrade et al, 2005)
2.2.3.2 La fase andesítica del Cotopaxi I
Las erupciones eran menos pronunciadas con flujos de lava en grandes cantidades y
presencia de pequeñas caídas de ceniza volcánica y sustancias vítreas. Al cañón del río
Pita, hay evidencias de que al menos se pueden observar cinco grandes flujos de lava
andesítica con diferentes espesores alrededor de 23 y 40 km al norte del Volcán.
La edad exacta de la actividad andesítica del volcán Cotopaxi I aún se desconoce, pero
hay evidencias que esto se presenció después de la fase riolítica 420.000 años antes
del presente, luego el volcán tuvo un largo descanso sin actividad volcánica de 350000
años. (Andrade et al, 2005)
2.2.3.3 Un largo descanso del volcán Cotopaxi
En los Andes en zonas cercanas fueron cubiertas de dos importantes Unidades
geológicas de Cangahua Ignibrita debida a la alta actividad, mientras el volcán Cotopaxi
se mantenía en descanso.
La unidad de Cangahua: Ocupa la mayor parte del norte de los Andes dejando
depósitos con espesor de varios metros de color café medio habano conformado
por capas endurecidas de ceniza correspondiente a una duración de 300.000 años.
11
La unidad de Ignimbrita: Se encentran en el valle Interandino, norte desde Tumbaco
hasta sur de Riobamba, siendo un depósito de varios metros de espesor de color gris
claro medio blanco debido a la ceniza y pómez, originadas de una gran erupción que
conforman la caldera de Chalupas a 10 km al sur oeste de volcán Cotopaxi.
2.2.3.4 Vigorosa reactivación: el “Cotopaxi II-A”
Después de 350.000 años se presenció grandes erupciones riolíticas las cuales según
estudios realizados fueron entre 13.200 y 4.500 años antes del presente, al menos
cinco de estas fueron de gran relevancia.
La presencia de la última erupción fue muy catastrófica la cual ocurrió hace 4.500 años
antes del pasado, luego de alrededor de 9000 años se formó un gran edificio volcánico
derrumbándose y produciendo inestabilidad, originando una avalancha de
aproximadamente 2.1 km dando lugar a la formación de un gran lahar llamado “Lahar
del Valle de los Chillos” siendo el más grande que se ha formado debido a la actividad
eruptiva del volcán Cotopaxi. (Andrade et al, 2005)
2.2.3.5 Actividad andesítica actual: el Cotopaxi II B
La erupción volcánica se ha mantenido activa desde el final del catastro Cotopaxi II
hace aproximadamente 4.500 años, al menos con 18 ciclos eruptivos, alrededor de 43
erupciones moderadas y grandes, caídas plinianas, depósitos de tefra o pómez, lava y
un extenso flujo de escombros.
2.2.4 PERIODO HISTÓRICO
Las culturas pre-hispánicas presenciaron las erupciones del Cotopaxi, los cuales no han
sido escritos y estos acontecimientos se han perdido con el tiempo. El Cotopaxi en los
últimos 500 años ha tenido una erupción por siglo, en el siglo XX no se presenció
12
ninguna erupción luego de la del 26 de junio de 1.877 la cual ya son más de 100 años
de su última actividad eruptiva, sabiendo que el volcán se encontraba en plena actividad
cuando llegaron los conquistadores españoles presenciando los acontecimientos de
este hecho. (Andrade et al, 2005)
2.2.4.1 Siglo XVII
En 1742 entre los meses de junio y diciembre se presentó una erupción volcánica
destruyendo todo lo que había a su paso igual que en el año de 1744 con una nueva
erupción provocando el derretimiento del glaciar causando lahares de gran magnitud en
valle de los Chillos y Latacunga. (Andrade et al, 2005)
Mientras que en los años de 1766 y 1768 hubo otras erupciones de grandes
magnitudes que llegaron a derretir los lahares y la lluvia de ceniza llegando hasta Pasto.
(Andrade et al, 2005)
2.2.4.2 Siglo XIX
En el año de 1768 se produjo una actividad volcánica de 86 años duración de erupción
donde ocasionalmente hubo caída de ceniza y explosiones pequeñas, mientras que en
el año de 1853 hubo más actividad llegando a destruir el río Cutuchi.
2.2.4.3 La erupción del 26 de junio de 1877
Se conoce que el Cotopaxi reanudó su activada eruptiva hace 13000 años AP dando
origen a seis explosiones la cual ocurrió hace 4500 millones de años antes del pasado
con presencia de deslizamientos afectando en su mayoría del flanco
Noreste del volcán provocando un lahar de gran tamaño conocido como “Lahar “Lahar
del Valle de los Chillos” esto depósitos fueron encontrados en la provincia de
Esmeraldas. (Andrade et al, 2005)
13
Los últimos 4000 años el volcán ha presenciado ciclos eruptivos de grandes
magnitudes. El volcán al menos cada siglo ha experimentado al menos un proceso
eruptivo, luego de la llegada de los conquistadores españoles en 1534 DC.
Las primeras caídas de ceniza se presentaron a inicios de 1877 manteniéndose hasta
las primeras semanas de junio, el 26 a tempranas horas de la mañana la actividad
aumento alcanzando niveles altos produciendo una gran columna eruptiva de ceniza y
gases.
A la vez se presenció el derretimiento del glaciar provocando flujos de lodo y escombros
alrededor del volcán que fueron descendiendo, destruyendo las infraestructuras y
poblaciones, tanto al flanco Norte y Sur del volcán Cotopaxi, hubo muchas pérdidas
humanas, luego de lo ocurrido el volcán se mantuvo activo produciendo pequeñas
erupciones con expulsión de ceniza y pequeños lahares.
Los relatos históricos de Sodiro 1877 y Wolf 1878 permitieron conocer algunos detalles
de la erupción que ocurrió el 26 de junio de 1877 y el impacto que provocó en las
poblaciones aledañas al volcán. (Andrade et al, 2005)
Con la presencia de lahares llegó a destruir los drenajes de los ríos Pita, Cutuchi y
Tamboyacu, y debido a los vientos afectó las zonas del occidente en las estribaciones
de la Cordillera Occidental y nor-occidente del volcán, en Quito llego a los 6mm de
espesor mientras que Machachi también fue afectando llegando a tener 2 cm de ceniza.
Esta erupción fue llamada “Erupción Tipica” debido a los fenómenos ocurridos. Los
estudios geológicos y volcánicos se han podido observar los diferentes
eventos de lahares que han dejado las erupciones de ceniza, pómez en los años de
1742 y 1768 fueron de más tamaño que la de 1788. (Figura 2.4)
Con estos hechos relatados el Cotopaxi continuó con su actividad volcánica, pero de
una manera moderada durante varios años.
14
FIGURA 2.4. DEPÓSITO QUE DEJARON LOS JUEGOS PIROCLÁSTICOS
Fuente: (Andrade et al, 2005)
En la tabla 2.1, se muestra un resumen de la actividad volcánica del Cotopaxi en los
últimos 2000 años.
TABLA 2.1 RESUMEN DE LA ACTIVIDAD EN LOS ACTUALES 2000 AÑOS DEL VOLCÁN COTOPAXI.
EDAD EMISIONES
CENIZA FLUJOS
PIROCLÁSTICOS LAHARES
FLUJOS DE LAVA
VEI*
1877-80 DC X X 2 2-4
1854 DC X X 1 1 3
1853 DC X 1 1 3
1766-68 DC X X 2 1 3-4
1742-44 DC X X 5 4
1532-34 DC X X 2 1 3
~ 1440 DC X ? ? ? ?
~1250 DC X ? ? ? ?
~1130-50 DC X X 2 4
~1000 DC X X 3
950 DC X X 2 >4
850 DC X X 1 3-4
730-770 DC X X 2 4
?DC X ? ? ? ?
15
?DC X ? ? ? ?
~150-180 DC X X 3 >3 >4
?DC X ? ? ? ?
?DC X ? ? ? ?
~70-100 DC X varios 4
50 AC X X 4
~100-360 AC X ? ? ? ?
~2220 AC X ? ? ? ?
~2510 AC X ? ? ? >4
~3060 AC X ? ? ? ?
Fuente: (Cáceres et al, 2004). Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Otros efectos que se pueden presentar en una erupción del volcán Cotopaxi son los que
se indican a continuación:
2.2.5 SISMOS VOLCÁNICOS
Las erupciones volcánicas están frecuentemente acompañadas de actividad sísmica,
aun cuando no exista erupciones volcánica, es decir en periodos de calma, pero la
mayoría de estos no suelen ser percibidos por la población cercana del volcán. El
Cotopaxi no es la excepción en erupciones pasadas, ha sido habitual que pobladores
de las cercanías sientan sismos antes o durante la erupción. (Andrade et al, 2005)
2.2.6 GASES VOLCÁNICOS
Los gases volcánicos se presentan principalmente durante la erupción, siendo estos de
origen magmático. La constitución generalmente de estos gases es el agua, aunque
existen también otros compuestos que pueden ser letales en altas
concentraciones sobre todo en zonas donde exista baja cantidad de viento. Para el
caso del volcán Cotopaxi, no se han registrado consecuencias de los gases debido a la
lejanía de grandes ciudades del volcán. (Almeida et al, 2006)
16
2.2.7 FLUJOS DE LAVA
Los flujos se producen preponderantemente durante la erupción y son derramados por
el cráter del volcán. Para que se originen flujos de lava es necesario que las rocas
alcancen el estado líquido, para el caso del Cotopaxi esto se da cuando la temperatura
es mayor a 900 °C y la viscosidad de flujo es baja. En el año de 1853 se originó el
último flujo de lava del Cotopaxi, los flujos de este volcán pueden alcanzar distancias de
hasta 16 kilómetros que fueron registrados en la parte accidental del cono (Figura 2.5.).
La principal consecuencia que podría causar este efecto es al fusionarse fuera del
cráter con el glaciar del volcán, pero debido a su baja velocidad poca extensión este
proceso es lento e ineficaz, evitando la formación de lahares. (Méndez, 2017)
FIGURA 2.5. FOTOGRAFIA AEREA DE FLUJO DE LAVA DESCENDIENDO POR EL DRENAJE NOR-OESTE DEL VOLCAN COTOPAXI.
Fuente: (Almeida et al, 2006)
2.2.8 DOMOS DE LAVA
Un domo de lava es una acumulación de rocas calientes en una pequeña superficie que
tiene poca estabilidad y tiende a derrumbarse con gran facilidad. Los domos se
producen cuando el magma posee una alta viscosidad, impidiendo que fluya.
17
En el volcán Cotopaxi no se han registrado domos de lava desde los últimos 4.000
años, a pesar de ello no se debe descartar que si se originará este efecto podría darse
graves consecuencias como una fusión notable de glaciar y formarse un volumen
colosal de lahares.
2.2.9 FLUJOS PIROCLÁSTICOS
Los flujos piroclásticos son fenómenos que pueden producirse de manera súbita,
principalmente durante una erupción fuerte y explosiva con velocidades superiores a los
200 kilómetros por hora. Su composición consta de dos partes, una inferior formada por
bloques de escoria, ceniza y fragmentos de roca. Y una superior de gran volumen y
menos densa que esta principalmente conformada casi en su totalidad de ceniza y
gases calientes. (Almeida et al, 2006)
FIGURA 2.6. ESQUEMA DEL ASPECTO DE LOS FLUJOS PIROCLÁSTICOS DEL VOLCÁN COTOPAXI.
Fuente: (Almeida et al, 2006)
En el caso del volcán Cotopaxi, se han encontrado depósitos de bloques de escoria en
sus cercanías, según estudios geológicos (Hall, et.al.,2005), exponiendo que este
fenómeno ha estado presente en casi todas las erupciones del Cotopaxi, en la figura
18
2.6 se muestra un esquema de los aspectos del flujo piroclástico del Cotopaxi. Los
flujos piroclásticos no representan un gran peligro ya que de igual manera se han
registrado distancias de recorrido de 4 a 9 kilómetros, y solo para escenarios de
erupción mayores a 4 se han observado distancias superiores a 20 kilómetros desde el
cráter del volcán, no llegando a afectar ni siquiera a las poblaciones cercanas al volcán.
Sin embargo, el mayor peligro que puede suscitarse es debido al gran volumen y alta
temperatura, teniendo la capacidad de derretir grandes áreas de glaciar produciendo
lahares.
2.2.10 AVALANCHAS DE ESCOMBROS
Una avalancha de escombros es un colapso de rocas debido a la inestabilidad de los
flancos del volcán. Un desplome del flanco y la avalancha pueden ser acompañados o
posteriores a una erupción explosiva. En el Cotopaxi, ha sido
común en todas las erupciones de los 4.500 años. Debido a la violencia de las
avalanchas y magnitud de las mismas, están terminan con todo lo que se encuentre en
su camino. Sin embargo, no se trata de un efecto que se produce súbitamente ya que
presenta señales previas. (Almeida et al, 2006)
2.2.11 LLUVIA DE CENIZA Y PIROCLÁSTICOS
Durante las explosiones volcánicas el material piroclástico denso y de mayor tamaño
siguen trayectorias balísticas cayendo cerca del cráter del volcán, mientras que las
partículas pequeñas, pueden alcanzar grandes alturas, son llevadas por el viento y caen
en lugares lejanos al volcán recorriendo largas distancias. La caída de ceniza forma
capas de varios centímetros e incluso decímetros, cubriendo incluso áreas extensas. La
peligrosidad que presenta una lluvia de ceniza del Cotopaxi depende del volumen del
material, la intensidad y duración de la erupción, además de la velocidad y dirección del
viento, afectando principalmente a las zonas occidentales del volcán. En la figura 2.7 se
indica un esquema de una explosión del volcán Cotopaxi.
19
Las afectaciones que se producen principalmente son a los cultivos con pérdidas
económicas, animales y población con problemas respiratorios. Además, de
edificaciones antiguas debido al peso de la capa de ceniza. (Andrade et al, 2005)
FIGURA 2.7. ESQUEMA DE UNA EXPLOSIÓN VOLCÁNICA DEL COTOPAXI, CON UNA COLUMNA DE CENIZA Y BOMBAS VOLCÁNICAS
Fuente: (Andrade et al, 2005)
2.3 ANÁLISIS DE LA ZONA DE ESTUDIO
La parroquia de Sangolquí ubicada al sur de la provincia de Pichincha, a 20 minutos
aproximadamente de la ciudad de Quito, formada por una población urbana y rural de
alrededor 52057 habitantes, además de contar con una superficie de 49.61 km2.
Sangolquí no es una parroquia importante solo por la población que habita en ella, si
no, por el abundante número de turistas que transitan cada fin de semana por dicha
zona sus condiciones turísticas son de alta calidad ya que posee un clima agradable y
templado. Entre sus principales atractivos se tiene las populares corridas de toros, el
folklor, también es importante para el desarrollo turístico de esta zona. En la figura
20
2.8.se indica una fotografía del parque Turismo y el monumento del general Rumiñahui
ubicados en la parroquia de Sangolquí.
FIGURA 2.8. FOTOGRAFÍA DEL PARQUE TURISMO Y MONUMENTO DEL GENERAL RUMIÑAHUI, PARROQUIA SANGOLQUÍ.
Elaborado: Betancurt-Macas, 2017
La economía corresponde otro factor relevante en esta población ya que en los últimos
años ha tenido un alto crecimiento de industrias tales como fábricas de fibras sintéticas,
vidrio, harinas, textiles, productos farmacéuticos. (GADMC RUMIÑAHUI, 2014)
2.4 INTRODUCCIÓN AL SOFTWARE HEC RAS 5
La nueva versión del software Hec Ras, permite modelar en dos dimensiones dentro del
análisis de flujo no permanente usando las ecuaciones de Saint Venaint u onda difusa
mediante el análisis de flujo en diferentes condiciones, así como también permite una
simulación combinada en una y dos dimensiones. La modelación en 2D, está definida
por el área dibujada en el programa. En la figura 2.9 se muestra la venta de inicio del
programa Hec Ras 5. (Gary et al, 2016)
21
FIGURA 2.9. VENTANA DE INICIO DE SOTWARE HEC RAS 5
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Entre algunos de los ejemplos que puede realizar esta nueva versión del Hec Ras son
las enlistadas a continuación:
· Modelaciones de canales en dos dimensiones.
· Modelación de ríos y zonas de inundación.
· Modelación de un canal en una dimensión y zonas de inundación en dos
dimensiones.
· Modelación de canales en una dimensión, zonas de inundación y estructuras
hidráulicas.
La simulación en dos dimensiones es posible dibujando un polígono que determinará el
área a ser modelada, para posteriormente generar el mallado que puede ser
estructurada o no estructurada según sea el caso, se ingresa las condiciones de borde.
(Lluén, 2015)
2.4.1 VENTAJAS Y CAPACIDADES DE MODELAR EN DOS DIMENSIONES EN HEC RAS 5.
· Puede modelar en 1D, 2D o una combinación de ambos
Se puede realizar modelos en una dimensión, dos dimensiones o una combinación 1D y
2D. La capacidad de combinar 1D/2D dentro del mismo modelo de flujo no permanente,
permite realizar simulaciones en sistemas fluviales más grandes, tanto modelando un
río en 1D y planicies de inundación en 2D, como en 2D toda el área a analizar. (Gary
et al, 2016)
22
· Utiliza las ecuaciones de Saint-Venant u Wave Equations en 2D
El software permite elegir las ecuaciones de wave equations 2D o Saint Venant para
realizar la modelación. Par una modelación y procesamiento de información más rápido
es útil las ecuaciones de wave equations 2D, además de simular en menos tiempo
también tiene mayores propiedades de estabilidad. (Gary et al, 2016)
· Emplea el método de volúmenes finitos
El método de volúmenes finitos permite pasos de tiempo computacionales más grandes
que los métodos implícitos. Además, proporciona un incremento de estabilidad y
robustez en comparación con otros métodos tradicionales como el de elementos finitos
y diferencias finitas. También, puede asociar regímenes de flujo subcrítico, supercrítico
y mixto. (Gary et al, 2016)
· Mallas Computacionales Estructuradas y no Estructuradas
El programa fue diseñado para emplear mallas computacionales estructuradas y no
estructuradas, según sea la necesidad del modelo. Las celdas de un mallado pueden
tener forma de triángulos, cuadrados, rectángulos e incluso de polígonos de 8 lados
como número máximo. El mallado puede tener diferentes formas de celdas y tamaños.
En la figura 2.10. Se muestra un ejemplo de esquemas de una malla estructurada y de
una no estructurada. (Gary et al, 2016)
FIGURA 2.10. ESQUEMAS DE UNA MALLA ESTRUCTURADA Y UNA NO ESTRUCTURADA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
Fuente: (Fernández, 2012)
·
23
· Tabla de propiedades hidráulicas para contornos y celdas computacionales
en Hec Ras 2D
El programa posee una gran ventaja con esta capacidad ya que admite un pre-proceso
de cada celda y contorno de celda con el fin de obtener tablas hidráulicas en el terreno
implícito en la modelación, es decir el pre-proceso, calcula de forma detallada la
relación entre la elevación-volumen para cada celda y las relaciones elevación-
perímetro mojado, elevación-área, elevación-rugosidad, y demás propiedades
hidráulicas para los contornos de la celda, evitando así que con la generación de
tamaño de celdas grandes se pierda detalles del terreno , ya que forma mayores
detalles hidráulicos en cada celda con un tiempo de cálculo más corto. En la figura 2.11
se puede observar un ejemplo del funcionamiento (Lluén, 2015)
FIGURA 2.11. EJEMPLO DEL CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS HIDRÁULICOS EN EL PREPROCESO PARA CADA CELDA DEL MALLADO.
Fuente: (Lluén, 2015)
·
24
· Detalle de Topografía, mapas de inundaciones y animaciones de las
mismas.
Con la utilización de la herramienta Ras Mapper, el programa ha mejorado la
visualización de mapas de inundación, también ofrece animaciones del flujo de agua
durante la inundación (Figura 2.12.). El área de simulación se basa en el terreno
subyacente detallado, no en el tamaño de la celda de la malla para el cálculo
computacional. (Gary et al, 2016)
FIGURA 2.12. EJEMPLO DE UNA ZONA DE INUNDACION EN LA HERRAMIENTA RAS MAPPER.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
25
· Solución de algoritmos empleando multiprocesadores
Hec Ras 2D está diseñado para aprovechar todos los procesadores que tiene el
computador, como se muestra en la figura 2.13., lo cual disminuye los tiempos de
ejecución, dando mayor eficiencia a la modelación. (Lluén, 2015)
FIGURA 2.13. VENTANA PARA LA ELECCIÓN DEL NÚMERO DE PROCESADORES PARA LA SIMULACIÓN.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
· Admite usar procesadores de 32 y 64 Bit
El software tiene la facilidad de trabajar con ordenadores que tengan procesadores de
32 y 64 bit. El procesador de 64 bit ejecutará de manera más rápida y tendrá la
capacidad de manipular conjuntos de datos más grandes.
2.4.2 LIMITACIONES DE LAS CAPACIDADES DE MODELOS EN 2D EN HEC RAS
A continuación, se enlistan las limitaciones actuales del programa para modelos en 2D:
26
· No tiene tanta flexibilidad para añadir estructuras hidráulicas internas dentro de
un área de flujo en dos direcciones.
· No permite realizar modelaciones con transporte de sedimentos debido a la
erosión o deposición en un área 2D.
· No realiza simulaciones de calidad de agua en zonas 2D.
· No es posible conectar estaciones de bombeo a las celdas del área 2D
· No puede ser usada la estructura puente de Hec Ras dentro de un área de flujo
2D.
2.4.3 HERRAMIENTA RAS Mapper
Ras Mapper es una herramienta que aparece en las últimas versiones de Hec Ras,
siendo esta herramienta de gran utilidad, ya que es fundamental contar con un modelo
detallado del terreno el cual permita obtener resultados hidráulicos con mayor grado de
precisión. Tiene como principal función exponer los resultados de la simulación y
representar la zona de inundación. (Figura 2.14.)
Es necesario crear un modelo de terreno en la herramienta Ras Mapper, antes de
realizar cualquier modelo en dos dimensiones o antes de realizar un modelo combinado
en 1D y 2D. (Gary et al, 2016)
FIGURA 2.14. ÍCONO DE INGRESO A LA VENTANA DE LA HERRAMIENTA RAS MAPPER EN EL SOFTWARE HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Además de contar con los beneficios ya mencionados, esta herramienta también
permite interactuar con elementos como la geometría, el modelo digital del terreno y los
27
resultados de la simulación, en forma de representación visual y con tablas de valores
de calado, velocidad o cota.
2.4.4 MODELO DE TURBULENCIA EDDY VISCOSITY (VISCOSIDAD DE
REMOLINO).
Los modelos de turbulencia son de gran importancia ya que permiten una adecuada
modelación de un flujo, principalmente en zonas de recirculación. Hec Ras utiliza el
modelo de turbulencia Eddy Viscosity (Viscosidad de Remolino), basado en la
suposición de Boussinesq, donde la tensión de Reynolds es proporcional a la tasa de
deformación media, denominados modelos de viscosidad de remolinos. Siendo la
turbulencia es un fenómeno complejo de movimiento de fluido caótico y remolinos.
Debido a que las escalas de longitud son muy pequeñas, lo que complica una
resolución con un modelo numérico discreto, por lo cual la mezcla de flujo turbulento se
modela como un proceso de difusión de gradiente. Es así que la velocidad de difusión
se enuncia como el coeficiente de viscosidad, que a su vez se lo configura en la
siguiente ecuación. (Woelke, 2007)
!" = #ℎ%& (2.1)
Dónde:
D= una constante empírica no dimensional
%' = velocidad de corte, que a su vez está en función del radio hidráulico y la pendiente
de energía.
h=
2.5 ECUACIONES FUNDAMENTALES DE LA HIDRÁULICA
Las ecuaciones fundamentales de la hidráulica se enlistan a continuación:
· Ecuación de Continuidad
· Ecuación de Energía
· Ecuación de Cantidad de Movimiento
28
2.5.1 ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
Basado en el principio de conservación de la materia, según este principio la cantidad
neta de masa de flujo que entra es igual a la que debe salir en una unidad de tiempo.
(Sotelo, 1995)
FIGURA 2.15. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA MATERIA
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Este principio se aplica lo mismo a un volumen de control de tamaño diferencial que a
uno finito, de lo cual se deriva la denominada ecuación de continuidad.
La ecuación de continuidad se basa en la vena líquida que se muestra en la figura 2.16.
FIGURA 2.16. VENA LÍQUIDA ECUACIÓN DE CONTINUIDAD.
Fuente: (Sotelo, 1995)
En la tabla 2.2., se indica las ecuaciones de continuidad para los diferentes tipos de
flujo.
29
TABLA 2.2 ECUACIONES DE CONTINUIDAD PARA DIFERENTES TIPO DE FLUJO
TIPO DE FLUJO ECUACIÓN
Flujo Permanente y no
comprensible
(!) = *+,-.),./ Dónde:
( = 01234050
(676)6 = (979)9 7 = 71:;<4050 ) = á>15
?6 = )6!6
Flujo Permanente (no hay
variación en el tiempo) y
Compresible
(!) = *+,-.),./
(676)6 = (979)9
Flujo no Permanente y
Compresible
@7@3 + 1
)0)0C + 1
(0(0C = 0
Fuente: (Sotelo, 1995) Elaborado: Betancurt-Macas, 2017
2.5.2 ECUACIÓN DE ENERGÍA
· Está ecuación se basa en la segunda ley de Newton:
0E = 0F. 5 (2.2)
Dónde:
dF = diferencial de fuerza.
dm = diferencial de masa
a = aceleración
· Es necesario considerar las fuerzas que se oponen al movimiento, ya que son las
que producen un trabajo mecánico equivalente a la energía disipada.
· Establecer el equilibrio dinámico de todas las fuerzas en las direcciones
tangencial (s), normal (n) y binormal (b), que actúan sobre el elemento líquido.
30
Las fuerzas pueden ser superficiales o fuerzas del cuerpo (peso).
Fuerzas Superficiales: Estas fuerzas están conformadas por las fuerzas de presiones
(P) en la dirección del movimiento y las fuerzas de tensiones (H) que varían únicamente
en la dirección normal.
En la figura 2.17. Se muestra un elemento infinitesimal con las componentes de las
fuerzas que actúan sobre él.
FIGURA 2.17. COMPONENTES DE LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE EL ELEMENTO DIFERENCIAL.
Elaborado: Betancurt-Macas, 2017.
Fuente: (Sotelo, 1995)
- Fuerza Superficial resultante de la gradiente de presiones en la dirección
tangencial.
− 6J
KLKM + 6
JK"KN − O KM
KP = KKM QRS
9 T + KRK" (2.3)
Dónde:
− 6J
KLKM: Gradiente de Presiones en la dirección tangencial.
6J
K"KN ∶ Fuerza de resistencia al flujo en la dirección del movimiento.
31
O KMKP: Fuerza de peso.
K KM
RS
9 : Variación de energía Cinética.
KRK": Aceleración del Flujo.
- Fuerza Superficial resultante de la gradiente de presiones en la dirección normal.
− 6J
KLKN − O KN
KP = 0 (2.4)
- Fuerza Superficial resultante de la gradiente de presiones en la dirección
binormal.
− 6J
KLKW − O KW
KP = 0 (2.5)
Una aplicación de la ecuación de energía es la de Bernoulli para flujo permanente, que
se muestra a continuación:
X + YZ + RS
9[ + ℎ\ = 0 (2.6)
2.5.3 ECUACIÓN DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO
Esta ecuación proviene de la segunda ley de Newton en un volumen de control. La
cantidad de movimiento es el producto de la masa de un elemento por su velocidad. Es
decir que la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre una masa de fluido es
igual a la rapidez del cambio del vector lineal de la cantidad de movimiento de la masa
de fluido. La segunda ecuación de Newton está representada en la ecuación (2.5).
E = ](_R)]" (2.7)
32
Las fuerzas pueden ser de dos tipos:
Fuerzas de Cuerpo (Fc): son fuerzas debido al peso del elemento.
Fuerzas Superficiales: estas fuerzas actúan sobre la masa de fluido, y pueden ser
fuerza presiones (Fp) que actúan en la dirección normal de la superficie del elemento de
la masa de fluido y las fuerzas tangenciales (Ft), que son aquellas que actúan
tangencialmente a las caras de la masa. En la figura 2.18, se observa el elemento
diferencial con las fuerzas actuantes (Vilaña, 2017).
FIGURA 2.18. COMPONENTES DE LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE EL ELEMENTO DIFERENCIAL.
Fuente: (Sotelo, 1995)
Elaborado: Betancurt-Macas, 2017.
2.5.3.1 Ecuaciones de Navier-Stokes
Las ecuaciones de Navier-Stokes provienen de la ecuación de cantidad de movimiento,
llegando a tres ecuaciones que son usadas para flujos incompresibles y Newtonianos
es decir que la viscosidad no varía con respecto al tiempo. A continuación, se muestra
las ecuaciones de Navier-Stocks.
Ecuación 1:
33
ρOa-KYKa + b cKSd
KaS + KSdKeS + KS d
KPS f = ( ]d]" (2.8)
Ecuación 2:
(Oe − KYKe + b cKSR
KaS + KSRKeS + KSR
KPSf = ( ]R]" (2.9)
Ecuación 3:
(OP − KYKP + b cKSg
KaS + KSgKeS + KSg
KPS f = ( ]g]" (2.10)
Dónde:
% = velocidad en x
7 = velocidad en y
h= velocidad en z
( = densidad
b = viscosidad dinámica
2.6 DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE FLUIDOS
Un fluido es una sustancia que posee la capacidad de deformarse de manera continua
al estar bajo el efecto de un esfuerzo cortante, que a su vez es la medida ejercida por
la acción de una fuerza paralela al área donde se aplica. (Street & Wylie, 1971)
2.6.1 CLASIFICACIÓN DE FLUIDOS
La reología es la ciencia que estudia a los cuerpos deformables, relacionado con la
sustentación de las partículas y el cambio que sufren en el interior de un flujo.
Conociendo dos tipos de fluidos:
· Fluidos Newtonianos
· Fluidos no Newtonianos
34
FIGURA 2.19. DIAGRAMA REOLÓGICO DE FLUIDOS.
Fuente: (Street & Wylie, 1971)
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2.6.2 FLUIDOS NEWTONIANOS
Los fluidos Newtonianos son aquellos donde el esfuerzo tangencial es directamente
proporcional a la gradiente de velocidad transversal y al esfuerzo que fue sometido.
Entre algunos de los ejemplos de fluidos newtonianos se encuentran líquidos y gases.
H i ]R]e (2.11)
Donde: H= Esfuerzo tangencial 07= diferencial de velocidad 0j = distancia entre dos láminas de flujo laminar
2.6.3 FLUIDO NO NEWTONIANOS
35
En este flujo el gradiente transversal de velocidad no es directamente proporcional al
esfuerzo tangencial aplicado.
La investigación de Bagnold está relacionada con la alta concentración de mezclas de
material sólido y líquido considerando el número adimensional conocido como:
, = Jk√n]opS
d Q]R]eT (2.14)
Dónde:
(M= densidad de las partículas
0qr=diámetro de partículas correspondiente al 50% que pasa x el tamiz.
Considerando:
· N<40: Al fluido como macroviscoso, laminar
· N>450: Fluido granulo inercial, turbulento.
2.6.4 FLUJO TURBULENTO
Estos movimientos turbulentos son objeto de investigación debido a su gran riqueza
conceptual los cuales se les puede encontrar en aplicaciones hidráulicas,
meteorológica, astrofísica, química, geofísica, etc.
En el siglo XIX el estudio científico tuvo un avance significativo mediante los
experimentos de Osborne Reynolds el cual el flujo turbulento lo diferencio
cuantitativamente por medio de un parámetro que se lo conoce como numero de
Reynold (s1 = tu/7).
Las características de este flujo turbulento son:
· Este flujo tiene un movimiento desordenado, aleatorio y caótico de forma
irregular.
· Debido a su alta difusividad en la mezcla aumenta la masa y disipación de
energía en su transporte.
· Inestabilidad en tiempo y tridimensionalidad.
36
· Elevada disipación debido a que los esfuerzos cortantes viscosos desarrollan
deformaciones.
37
2.7 ESTADO DEL ARTE
INVE
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39
CAPÍTULO 3
SIMULACIÓN NUMÉRICA
3.1 METODOLOGÍA
Para este proyecto se realizó una recopilación de información correspondiente
al estudio de lahares del volcán Cotopaxi, los programas Hec Ras en dos
dimensiones e Iber, recolección de la información de ingreso tal como el mdt
(Modelo Digital del Terreno) con un valor de pixel de 3 metros proporcionado por
el Instituto Geográfico Militar, los hidrogramas de entrada tanto en el río Pita
como en el Santa Clara. Además, de la red hidrográfica del drenaje norte del
volcán Cotopaxi, información necesaria para la simulación numérica. También se
efectuó una visita a varios lugares dentro del tramo de simulación en los ríos
santa Clara, Pita y San Pedro.
La Calibración se ejecutó en el software Hec Ras usando los vestigios
levantados en campo correspondientes a la erupción del Cotopaxi de 1877, para
esto se obtuve niveles de calado de siete secciones dentro del área de
simulación, y se compararon con los resultados de la simulación.
Posteriormente se simuló en los paquetes computacionales Hec Ras e Iber, en
el tramo de la zona de Sangolquí para el escenario más probable, luego se
procesó y analizó los resultados obtenidos de las dos modelaciones.
Se comparó los resultados obtenidos del Hec Ras bidimensional con los del Iber,
para las discusiones finales, conclusiones y recomendaciones para trabajos
futuros en la utilización de este software.
40
3.2 CONDICIONES DE CONTORNO
3.2.1 TRAMO DE ESTUDIO
Dentro del tramo de simulación se encuentra los ríos: Santa Clara, Pita y San
Pedro, en la zona de Sangolquí, correspondiente a un área aproximada de 24 km2
que recorre sectores como La Betania, Cashapamba, Selva Alegre, San Rafael
entre otros, es decir lugares altamente poblados, que si se produjera una erupción
se verían seriamente afectados. En la figura 3.1. Se muestra el tramo de
simulación correspondiente a este proyecto.
FIGURA 3.1. TRAMO DE SIMULACIÓN CONFORMADO POR LOS RÍOS SANTA CLARA, PITA Y SAN PEDRO.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
41
Río Santa Clara
El río Santa Clara nace de la quebrada del Rayo en el volcán Pasochoa a 3.740
msnm, para luego tomar el nombre de la quebrada El Cabre transitando una
longitud de 9,5 kilómetros, para después tomar el nombre del Santa Clara
alrededor de la cota 2.800 msnm recorriendo aproximadamente 17 kilómetros
hasta encontrarse con el Río San Pedro (Mothes, 2004)
FIGURA 3.2. FOTOGRAFÍA RÍO SANTA CLARA EN EL SECTOR DE SELVA ALEGRE, TRAMO DE MODELACIÓN.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Para el tramo de simulación correspondiente al Santa Clara, posee una longitud
de alrededor de ocho y medio kilómetros, y con una pendiente al ingreso del tramo
de 1,74 %. En la figura 3.3, se indica el perfil longitudinal del río Santa Clara con
una pendiente media 1,20%.
42
FIGURA 3.3. PERFIL LONGITIDUNAL DEL RÍO SANTA CLARA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Río Pita
El río Pita tiene como aportantes las quebradas Pucarumi, Potrerillo, Tañiloma y
Carnero Machay que transitan alrededor de 6 kilómetros, hasta tomar el nombre
del Pita en la cota 3.745 msnm. Para posteriormente unirse con el río Salto en la
cota 3.230 msnm, y continuar siendo el Pita (Mothes, 2004).
FIGURA 3.4. FOTOGRAFÍA RÍO PITA EN EL SECTOR DE LA BETANIA, TRAMO DE MODELACIÓN.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
43
El tramo de simulación del río Pita correspondiente a este proyecto cuenta con
una longitud de aproximadamente de 10,12 kilómetros y una pendiente de ingreso
de 1,53%. En la figura 3.5, se indica el perfil transversal del río Pita, con una
pendiente media 1,39%.
FIGURA 3.5. PERFIL LONGITIDUNAL DEL RÍO PITA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Río San Pedro
El río San Pedro nace de las estribaciones del volcán Rumiñahui, recorriendo
una distancia de alrededor de 42 kilómetros, hasta cruzarse con el Santa Clara en
la cota 2.445 msnm, para 2 kilómetros aguas abajo encontrarse con el Pita en la
cota 2.432 msnm y llegar hasta un nivel de 2.125 msnm (Mothes, 2004)
Para la simulación de este proyecto, la longitud del tramo del San Pedro
corresponde a unos 4.11 kilómetros aproximadamente, desde su confluencia con
el Santa Clara en el sector de San Rafael, hasta el final de la zona de análisis con
una pendiente de salida del 1,14 %. En la figura 3.7, se indica el perfil transversal
del río Pita, con una pendiente media 1,14%.
44
FIGURA 3.6. FOTOGRAFÍA RÍO SAN PEDRO BETANIA, TRAMO DE MODELACIÓN.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
FIGURA 3.7. PERFIL LONGITUD DEL RÍO SAN PEDRO.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
45
3.2.2 EVENTOS ERUPTIVOS DEL VOLCÁN COTOPAXI E HIDROGRAMAS
DE INGRESO
Los escenarios eruptivos están asociados al V.E.I. (Índice de explosividad
Volcánica), que es una escala que representa el tamaño de una erupción
volcánica. Esta escala tiene valores que van desde 0 hasta 8, y depende de
parámetros como el volumen total de materiales emitidos durante la erupción. A
continuación se describe los probables escenarios eruptivos para el volcán
Cotopaxi. (Andrade, 2005)
3.2.2.1 Escenario 1: Evento Pequeño
Para este escenario se prevé un V.E.I. entre 1-2 es poco explosivo de
características similares al del volcán Tungurahua en la reactivación de 1999, de
tipo estromboliano con una actividad de fuente de lava en el cráter. En este
escenario las emisiones de ceniza serían pequeñas y se verían afectadas zonas
cercanas al volcán, en el caso de producirse flujos piroclásticos o coladas de
lavas estas generarán lahares primarios y secundarios de pequeñas proporciones
que no afectarían poblados. (Andrade, 2005)
FIGURA 3.8. ESQUEMA DEL ESCENARIO 1 EN UNA POSIBLE ERUPCIÓN DEL VOLCÁN COTOPAXI
Fuente: (Andrade, 2005)
46
3.2.2.2 Escenario 2: Evento Moderado
Para este escenario se prevé un V.E.I. entre 2-3 es algo explosiva de
características tipo estromboliana a vulcaniana moderada. En este escenario las
emisiones de ceniza serían permanentes afectando a zonas cercanas al volcán,
además de presentarse flujos piroclásticos de moderados y coladas de lava que
no alcanzarían grandes distancias con una probabilidad de ocurrencia del 30%.
(Ordoñez et al, 2013)
En el caso de presentarse flujos piroclásticos, los lahares alcanzarían volúmenes
considerables, sin embargo, estos estarían en un menor rango a los mostrados el
26 de junio de 1877,no obstante, este fenómeno presentaría graves peligros a
poblaciones ubicadas a lo largo del cauce de los drenajes principales del
Cotopaxi como es el del río Pita. (Andrade, 2005)
FIGURA 3.9. ESQUEMA DEL ESCENARIO 2 EN UNA POSIBLE ERUPCIÓN DEL VOLCÁN COTOPAXI
Fuente: (Andrade, 2005)
47
3.2.2.3 Escenario 3: Evento Grande
Para este escenario se prevé un V.E.I. de 4 que es una explosión de carácter sub-
pliniano similar a la erupción de 1877, este tipo de erupción es común en la
actividad volcánica del Cotopaxi, es un evento explosivo con grandes emisiones
de ceniza que afectaría a zonas cercanas al volcán y además alcanzaría regiones
distantes del cráter. La producción de flujos piroclásticos dará lugar a la formación
de flujos lodo y escombros conocidos como lahares de volúmenes importantes,
los mismos que afectarían seriamente a zonas pobladas cercanas y alejadas, en
especial las asentadas a lo largo de los ríos Pita, Cutuchi y Tamboyacu de los
drenajes norte y sur del volcán. Este escenario es el más probable de ocurrencia
según la historia eruptiva del Cotopaxi en los últimos 2000 años, donde al menos
10 veces se ha presentado, el valor de probabilidad de ocurrencia es de
alrededor del 60%.
FIGURA 3.10. ESQUEMA DEL ESCENARIO 3 EN UNA POSIBLE ERUPCIÓN DEL VOLCÁN COTOPAXI
Fuente: (Andrade, 2005)
48
La acumulación de ceniza en lugares cercanos al volcán obtendría espesores
entre 40-50 cm sobre el suelo, mientras que en áreas alejadas al occidente del
volcán se tendría espesores de 5 a 10 cm, incluso llegando a acumularse
milímetros de ceniza en provincias costeras como Guayas y Manabí.
3.2.2.4 Escenario 4: Evento Muy Grande
Para este escenario se prevé un V.E.I. entre 4-5, se conoce como una erupción
pliniana, con alto grado de explosividad. Las lluvias de ceniza alcanzarían
posiblemente distancias regionales, en zonas menores a 10 kilómetros al volcán
podrían darse formaciones de ceniza entre 1-1.5 m de espesor.
En este escenario es posible que se presenten magmas de tipo riolítico, con flujos
prioclásticos y columnas de ceniza que podrían alcanzar hasta los 15 kilómetros
sobre el volcán, acumulándose principalmente en el occidente y oriente del cráter.
Para este escenario la formación de lahares sería de mayor dimensión que
cualquiera de los escenarios anteriormente descritos, produciéndose tan solo dos
erupciones de magmas dacíticos en los últimos 2000 años, mientras que las
erupciones con magmas riolíticos acontecen después de intervalos de varios
miles de años. (Andrade, 2005)
A pesar del alto grado de peligrosidad que implicaría que se produzca este tipo de
erupción en el volcán Cotopaxi, tan solo se tiene una probabilidad de evolución
una erupción hasta escenario 4 del 10 %.
49
FIGURA 3.11. ESQUEMA DEL ESCENARIO 4 EN UNA POSIBLE ERUPCIÓN DEL VOLCÁN COTOPAXI
Fuente: (Andrade, 2005)
3.2.2.5 Clasificación Reológica de los Lahares
Como se mostró en el Capítulo 2 los lahares son mezclas de sólidos y agua que
se producen luego de una erupción explosiva, que desciende sobre el cono del
volcán causando daños graves en las poblaciones cercanas e incluso a grandes
distancia del cráter. La clasificación de la mezcla agua solido se la puede realizar
mediante el porcentaje de sólidos en función de dos parámetros:
· El volumen de sólidos respecto al volumen total
· Porcentaje de finos (limos y arcillas)
En la figura 3.12 se indica los límites de sedimentación y el segundo límite de
fracturación de mezcla, donde se encuentran dos tipos de flujos nombrados de
50
escombros lodosos con porcentajes de finos mayores al 10 %, mientras que para
flujos con porcentajes menores al 10% de finos se los ha nombrado flujo de
escombros granular, esta clasificación es un modelo conceptual general que no
considera la distribución del tamaño. (Méndez, 2017)
FIGURA 3.12. CLASIFICACIÓN REOLÓGICA CONCEPTUAL DE MEZCLAS DE AGUA Y ESCOMBROS.
Fuente: (Coussot, 1997)
Los lahares generalmente se ubican en una zona limitante entre el
comportamiento de fluidos newtonianos y no newtonianos, siendo esta afirmación
producto de varias investigaciones de laboratorio y con vestigios de eventos
laharíticos pasados. En la figura 3.13 se muestra el esquema de la delimitación de
zonas de comportamiento del flujo newtoniano y no newtoniano, ubicándose en el
eje de las ordenadas el porcentaje de material sólido en la mezcla, mientras que
en el eje de las abscisas el porcentaje de material.
51
FIGURA 3.13. ESQUEMA DE LA DELIMITACIÓN DE LAS ZONAS DE COMPORTAMIENTO NEWTONIANO Y NO NEWTONIANO
Fuente: (Méndez, 2017)
Tipos de Lahares
La clasificación de lahares se puede dar por el comportamiento, teniendo dos
tipos de lahares denominados flujo hiperconcentrado el primero y “debris flow” el
segundo que se describen a continuación.
Flujos Hiperconcentrados: Este tipo de flujos son mezclas fluidas de agua con
densas suspensiones de sedimentos, que puede tener la apariencia de un aceite
sucio de motor, más viscoso que el agua. Son flujos turbulentos que a pesar de
tener un límite plástico, aún parecen fluir como un líquido. Con una estimación en
porcentaje de concentración de sólidos en este tipo de flujo que oscila entre el 20
y 60% (Costa, 1987).
Flujos de Detritos: son flujos acuosos, plásticos y con una alta concentración de
sedimentos y agua, además de un límite plástico elevado. El movimiento de este
flujo se produce debido a las fuerzas inerciales provocadas por la fricción entre
los granos, colisiones entre ellos y el flujo viscoso del fluido. Con concentraciones
52
de sólidos en volumen entre el 50 y 80%, que puede estar conformada por
partículas tan pequeñas como arcillas hasta enormes bloques de material.
3.2.3 ÁREAS Y VOLÚMENES DEL GLACIAR DEL VOLCÁN COTOPAXI
Las áreas y volúmenes del casquete glaciar son de gran importancia porque
representan un alto grado de peligrosidad, ya que de producirse una erupción del
volcán Cotopaxi originará grandes daños a las poblaciones asentadas a lo largo
de los cauces principales, en especial en zonas planas donde probablemente
causen inundaciones afectando edificaciones, cultivos e incluso poniendo en
riesgo las vidas de personas, es así que el tamaño del casquete influye
directamente con los posibles perjuicios a presentarse. (Cáceres et al, 2008)
FIGURA 3.14. ORTOFOTOGRAFÍA DEL VOLCÁN COTOPAXI, TOMADA POR EL IGM EN 1997.
Fuente: (Andrade, 2005)
El clima en los glaciares ecuatorianos tiene variaciones de temperaturas propias
de un clima tropical, con ausencia de estacionalidad térmica y con varios períodos
53
de precipitación. En las zonas del trópico existen un período seco y un húmedo
con una temperatura promedio entre 6°C y 7°C, y con precipitaciones para zonas
secas de 800 mm y las húmedas hasta 2.000 mm, el mayor número de
precipitaciones se presentan entre los meses de abril a junio y en el mes de
noviembre. El clima tropical afecta de forma directa a los glaciares ubicados en
estas zonas debido a este y otros factores como el calentamiento global se ha
observado una reducción considerable del área del casquete de aproximadamente
del 64,10 % entre los años de 1977 a 2016, pasando de una área de 21,80 km2
a 10,49 km2 en la actualidad.
3.2.4 CUANTIFICACIÓN DE LOS VOLÚMENES DEL CASQUETE DEL
GLACIAR EN EL FLANCO NORTE DEL VOLCÁN COTOPAXI
Las primeras estimaciones del tamaño del casquete del glaciar fueron realizados
por Jordan en 1983, evaluando un total de 19 franjas de glaciar denominadas
leguas en el área total del casquete, como se muestra en la figura 3.15. Son cinco
los glaciares correspondientes al drenaje norte, que van desde la dirección
norteste hasta el este. El nombre de los y áreas se detallan en la tabla 3.1, que
se muestra a continuación. (Cáceres et al, 2008)
TABLA 3.1 ÁREAS DE GLACIAR CORESPONDIENTES AL DRENAJE NORTE DEL VOLCÁN COTOPAXI DESDE EL AÑO 1977 HASTA EL 2016.
Número Nombre Área 1977
(m2) Área 1997
(m2) Área 2006
(m2) Área 2011
(m2) Área 2016
(m2)
1 Sindipampa 1´437.000 865.288 751.789 738.831 445.129
2
Carero
Machay 975.100 770.737 580.208 570.208 639.080
3 Potrerillos 982.800 772.697 531.162 522.008 1´001.538
4
Pucahuaycu
Norte 1´203.800 889.490 674.696 663.067 614.787
5 Mudadero 1´170.900 725.944 721.445 709.011 762.871
Área Total 5´769.600 4´024.156 3´259.300 3´203.125 3´463.406
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017 Fuente: (Cáceres, 2017)
54
FIGURA 3.15. DISTRIBUCIÓN DE LAS ÁREAS DE GLACIAR DEL CASQUETE DEL VOLCÁN COTOPAXI.
Fuente: (Cáceres et al, 2008)
55
La relación que existe entre los productos volcánicos y el casquete del glaciar es
crítica, sobre todo cuando estos productos poseen altas temperaturas, ya que se
genera una transferencia de calor, además de mezclarse con grandes volúmenes
de agua que pueden producir flujo de mezclas (agua-sólidos), conocidos como
lahares.
3.3 SIMULACIÓN HEC RAS 2D
3.3.1 CALIBRACIÓN DEL MODELO
3.3.1.1 Recopilación de Vestigio de la Erupción de 1877 en Campo
A inicios del año 2017, se realizó el levantamiento de vestigios de la erupción de
1877 en campo por parte del personal de Instituto Geofísico, para los flancos
norte y sur del volcán Cotopaxi hasta la zona de la central hidroeléctrica
Manduriacu al norte y al sur hasta la central hidroeléctrica San Francisco, con el
fin de recopilar información útil para el proyecto “Simulación Numérica del Flujo de
Lahares Primarios hasta los tramos de Implantación de las Centrales
Hidroeléctricas San Francisco y Manduriacu“ realizado conjuntamente entre la
Escuela Politécnica Nacional y CELEC donde se analizó morfología del terreno,
calados de afectación del lahar. De la recolección de datos de campo se
encontraron siete secciones dentro del tramo de simulación de este documento,
denominadas secciones de vestigio.
TABLA 3.2 NOMBRES, COORDENADAS Y CALADO DE LAS SECCIONES DE VESTIGIO HALLADAS EN EL TRAMO DE SIMULACIÓN.
Nombre Río COORDENADAS SECCIONES (UTM) Calado
Vestigio (2017) X Y X Y
Cashapamba
Basurero Pita 787.156,50 9´963.851,00 787.050,90 9´963.534,00 27
Urb
Cashapamba Pita 786.342,90 9´964.522,06 786.275,90 9´964.088,26 10
Urb La Colina Pita 785.672,90 9´965.267,00 785.704,90 9´964.764,00 12
La Betania Pita 785.672,90 9´965.267,00 785.029,60 9´965.196,00 13
56
Megamaxi Pita 784.191,50 9´966.124,00 783.837,30 9´965.816,00 8
Sangolquí -
Ejido
Santa
Clara 784.627,89 9´963.356,26 784.761,89 9´963.459,26 8
La Armenia -
Cantera San Pedro 783.541,47 9´969.123,94 783.611,09 9´968.950,17 19
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Para la determinación, de las secciones de vestigio se utilizaron los siguientes
criterios que contenga rasgos del lahar de 1877, tener un homogeneidad en la
topografía, mostrar pendientes análogas en los dos márgenes del río, ser
representativos para el tramo del río, ubicarse en la confluencia de dos cauces y
fácil acceso para las mediciones. Esta serie de criterios debe seguirse en el orden
dado.
En la figura 3.16 se muestra la zona de simulación con sus respectivas secciones
de vestigio.
FIGURA 3.16. SECCIONES DE VESTIGIO DENTRO DEL ÁREA DE SIMULACIÓN EN LA ZONA DE SANGOLQUÍ.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
57
3.3.1.2 Reología Asociada al Tramo de Simulación
Como se ha mencionado el tramo de simulación corresponde al flanco norte del
volcán Cotopaxi para la caracterización reológica de este flanco, en el año 2004
en el estudio E.E.I., se realizó una recolección de 15 muestras identificadas del
evento de 1877 en los ríos Pita, El Salto y San Pedro, de esta clasificación se
determinó que existen dos grupos de depósitos según la proximidad al cráter del
volcán, las cuales son zonas proximales y distales, el mayor porcentaje de
muestras corresponde a “flujo de escombros granulares", mientras que solo en
determinados casos se determinaron “flujos hiperconcentrados”. (Méndez, 2017)
En la figura 3.17, se muestra las curvas típicas de flujo “granular” (azul) e
“hiperconcentrado” (rojo).Además, de las curvas de distribución del tamaño de
grano de las muestras recolectadas en la zona proximal, mientras que para la
zona distal se puede observar en la figura 3.18. Esta medición se realizó mediante
el parámetro de caracterización de granos (PHI). (Méndez, 2017)
FIGURA 3.17. CURVAS DE DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE GRANOS PARA LAS MUESTRAS DE LA ZONA PROXIMAL DEL DRENAJE NORTE EN EL VOLCÁN COTOPAXI.
Fuente: (Méndez, 2017)
58
FIGURA 3.18. CURVAS DE DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE GRANOS PARA LAS MUESTRAS DE LA ZONA DISTAL DEL DRENAJE NORTE EN EL VOLCÁN COTOPAXI.
Fuente: (Méndez, 2017)
Para la clasificación según el tamaño de la partícula se lo efectuo por la
clasificación sorteo malo, en el estudio del 2004 realizado por EEI, lo cual
determina que los flujos provenientes del Cotopaxi son no cohesivos e
hiperconcentrados. En la figura 3.19, se indica la clasificación de los flujos según
el tamaño y sorteo. (Méndez, 2017)
FIGURA 3.19. CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS SEGÚN EL TAMAÑO DE GRANO Y SORTEO.
Fuente: (Méndez, 2017)
59
3.3.1.3 Condiciones de Contorno: Caudales de Ingreso al Tramo de Simulación
Los caudales de ingreso al tramo de simulación se dieron en la secciones
mostradas en la figura 3.20, con un caudal de 9.743,4 m3/s , para el río Santa
Clara , caudal calculado de la sección “Selva Alegre”, mientras que para el Pita
un caudal de 33.930,8 m3/s, proveniente de la sección “Cantera Santa Teresa” en
el río ya mencionado. En la tabla 3.3, se muestra el área mojada de la sección, la
velocidad tomada en campo, el calado y el caudal de ingreso en ambos ríos.
En la figura 3.20, se indica en planta las secciones de ingreso de caudales,
mientras que en las figuras 3.21 y 3.22, los perfiles transversales de dichas
secciones.
TABLA 3.3 CAUDALES DE INGRESO AL TRAMO DE SIMULACIÓN EN LOS RÍOS SANTA CLARA Y PITA.
Nombre Río Calado
(m) Velocidad
(m/s) Ancho de
Sección (m)
Área Mojada
(m2)
Caudal Pico
(m3/s) Cantera Santa
Teresa Pita 23 15 175 2.262 33.930,8
Selva Alegre
Santa
Clara 8 15 172 650 9.743,4
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017 La determinación del caudal Pico se la realizó en con la siguiente ecuación
Río Pita
? = ) ∗ 7 (3.1)
) = 2262 F9 (3.2) 7 = 15 F 3⁄ (3.3) ? = (2.262) ∗ (15) (3.4)
? = 33.930,8 F 3� (3.5)
Río Santa Clara
? = ) ∗ 7 (3.6)
) = 650 F9 (3.7) 7 = 15 F 3⁄ (3.8)
60
? = (650) ∗ (15) (3.9)
? = 9.743,4 F 3� (3.10)
FIGURA 3.20. SECCIONES DE INGRESO DE CAUDAL AL TRAMO DE SIMULACIÓN EN LOS RÍOS SANTA CLARA Y PITA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
61
FIGURA 3.21. SECCIÓN TRANSVERSAL DE INGRESO DE CAUDAL EN EL RÍO SANTA CLARA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
FIGURA 3.22. SECCIÓN TRANSVERSAL DE INGRESO DE CAUDAL EN EL RÍO PITA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
62
Para el ingreso de los caudales de entrada al software, se lo realizó en forma de
hidrograma en los ríos Santa Clara y Pita, con los caudales pico de la tabla 3.3.
En la figura 3.23, se indica cómo se ingresa estos caudales en la simulación para
flujo permanente.
FIGURA 3.23. VENTANA DE INGRESO DE CAUDALES EN EL SOFTWARE HEC RAS 2D PARA LOS RÍOS SANTA CLARA
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
63
3.3.1.4 Rugosidad en el tramo de Simulación
Coeficiente de Rugosidad de Manning El ingeniero Robert Manning en 1980, publico un artículo basado en una
recolección de datos experimentales de los valores, sobre el desarrollo de la
ecuación que permite calcular la velocidad, llegando a una versión simplificada
que se indica a continuación. Sin embargo se debe considerar que esta ecuación
es obtenida de forma empírica. (Oliveras, 2016)
7 = 6N ∗ sℎ
S� ∗ -6/9 (3.11)
Dónde:
V= velocidad en (m/s)
Rh= radio hidráulico en (m)
S= pendiente de la línea de energía (m/m)
n= coeficiente de rugosidad (Manning)
Para la estimación del coeficiente de rugosidad n, no existe un método exacto
pero se puede obtener un valor que permita representar el tránsito del flujo. Vent
Chow recomienda tener en cuenta varios métodos uno de ellos es el de Cowan,
donde analiza varios factores que afectan al coeficiente de rugosidad Manning y
que son representados en la ecuación 3.12 (Oliveras, 2016)
2 = (2r + 26 + 29 + 2 + 2�)F (3.12)
n0 = Valor básico de Manning para un canal abierto
n1 = factor de corrección el efecto de irregularidades en el fondo del cauce
n2 = valor que corrige las variaciones de forma y tamaño de la sección
transversal a lo largo del cauce.
n3 = corrige el efecto por obstrucciones en el cauce.
n4 = por el efecto de la vegetación en el cauce.
m = por la presencia de meandros a lo largo del cauce.
64
Valores de Coeficiente de Rugosidad en el Tramo de Estudio
La rugosidad de la zona de simulación está dividida en trece subáreas, con
valores de Manning para cada una, estos valores fueron determinados posterior
de varias corridas, adicionalmente se probó con varios valores de rugosidad
hasta alcanzar los calados de vestigio hallados en campo. En la figura 3.24, se
muestra las subáreas del coeficiente de rugosidad y en la tabla 3.4 se indica los
valores de las áreas.
FIGURA 3.24. SUBÁREAS DE MANNING PARA EL TRAMO DE SIMULACIÓN, EN LA ZONA DE SANGOLQUÍ.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
65
TABLA 3.4 VALORES DE MANNING PARA LA ZONA DE SIMULACIÓN EN LA PARROQUIA DE SANGOLQUÍ.
Número Valor Manning
1 0,025
2 0,025
3 0,020
4 0,040
5 0,020
6 0,040
7 0,040
8 0,040
9 0,035
10 0,020
11 0,016
12 0,020
13 0,020
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017 Para el ingreso del número de Manning al software Hec Ras, se procede a
crear una nueva capa de uso de suelo en la interfaz Ras Mapper, y en la opción
“Tools” (herramientas), se elige la opción “New Land Cover”, y se procede a
cargar las subáreas en formato *.shp, como se muestra a continuación en la figura
3.25.
FIGURA 3.25. INGRESO DE LA CAPA DE USO DE SUELO PARA EL ÁREA DE SIMULACIÓN EN EL SOFTWARE HEC RAS 2D.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
66
3.3.1.5 Plan de Corridas en la Calibración
Para el plan de corridas de la calibración se efectúo un total de 6 ejecuciones en
el software Hec Ras 2D, para flujo permanente es decir que dentro de estas
simulaciones se fue variando los valores de Manning en el tramo de simulación.
El objetivo de esta simulación es generar la capa de rugosidad en el tramo
analizado, para posteriormente realizar la modelación para flujo no permanente,
este se realiza calibrando el modelo con el evento eruptivo del 26 de junio de
1877, que persigue obtener los calados levantados en campo, ingresando las
condiciones de borde que se mencionaron antes, que permitirá representar esta
erupción.
Para la modelación se utilizó un ordenador con las siguientes características:
· Procesador : Intel ® Core( TM ) i7-6700 CPU @ 3.40GHz 3.41 GHz
· Memoria Instalada (RAM): 32.0 GB (31.9 GB utilizable)
· Tipo de sistema: Sistema Operativo de 64 bits.
FIGURA 3.26. CARACTERÍSTICAS DEL ORDENADOR QUE SE UTILIZÓ PARA LAS SIMULACIONES EN EL SOFTWARE HEC RAS 2D.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
67
Para la calibración se generó un mallado estructurado de 9x9m, con un total de
308.256 celdas, con un caudal pico para el Santa Clara de 9.743,4 m3/s y en el
Pita 33.930,8 m3/s y un tiempo de corrida 26 horas 31 minutos aproximadamente.
En la figura 3.27, se puede observar la ventana de generación del mallado y en la
tabla 3.5 un resumen del plan de corridas en la calibración.
FIGURA 3.27. VENTANA DE GENERACIÓN DEL MALLADO EN EL SOFTWARE HEC RAS 2D.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA 3.5 RESUMEN DE PLAN DE CORRIDA PARA LA CALIBRACIÓN DEL MODELO.
Resumen Plan de Corrida de la Calibración
Tipo de mallado Estructurado
Tamaño de mallado 9x9m
Caudal de Ingreso Santa Clara 9.743,4 m3/s
Caudal de Ingreso Pita 33.930,8 m3/s
Tiempo de Corrida 26 horas 31 min
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
3.3.1.6 Resultados de la Calibración
Para los resultados de la calibración se detallaron los perfiles transversales de
cada una de las secciones de vestigio levantadas en campo, comparando los
68
calados medidos con los obtenidos en la modelación. A continuación se enlistan
las secciones usadas para la calibración.
Cashapamba Basurero
Esta sección ubicada en el río Pita, se encuentra a tres kilómetros aguas abajo
del inicio del área de modelación, con un calado medido en campo de 27 metros
sobre el nivel del cauce, a continuación en la figura 3.28 se puede observar el
perfil de dicha sección con el nivel de resultado de la calibración en el programa
Hec Ras 2D y en la tabla 3.6 los porcentajes de error con los niveles de calado en
los márgenes.
FIGURA 3.28. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA 3.6 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO.
Calados en la Sección Cashapamba Basurero
Nivel MI (msnm) 2.546,13
2510
2520
2530
2540
2550
2560
2570
2580
0 50 100 150 200 250 300 350
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO CALIBRACIÓN (RÍO PITA)
MI
MD
Nivel Máximo de Lahar
Topografía
Nivel Vestigio
69
Calado MI (m) 25,30
Nivel MD (msnm) 2.544,16
Calado MD (m) 23,33
Calado Vestigio (m) 27,00
Porcentaje Error MI (%) 6,31
Porcentaje Error MD (%) 13,59
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Como se muestra en la tabla de 3.6, se observa el calado de vestigio hallado en
la zona con un porcentaje de similitud de 93,81% en el margen izquierdo,
mientras que en el margen derecho posee 86,41% de similitud, lo cual considera
calibrada la sección con un porcentaje de similitud mayor al 90% en al menos una
de las márgenes.
Urbanización Cashapamba
Esta sección ubicada en el río Pita, se encuentra a 4,0 kilómetros aguas abajo del
inicio del área de modelación y a 1,0 km de la sección Cashapamba Basurero, con
un calado medido en campo de 10 metros sobre el nivel del cauce, a continuación
en la figura 3.29 se puede observar el perfil de dicha sección con el nivel de
resultado de la calibración en el programa Hec Ras 2D y en la tabla 3.7 los
porcentajes de error con los niveles de calado en los márgenes.
70
FIGURA 3.29. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA 3.7 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA.
Calados en la Sección Urbanización Cashapamba
Nivel MI (msnm) 2.516,11
Calado MI (m) 12,58
Nivel MD (msnm) 2.514,52
Calado MD (m) 10,99
Calado Vestigio (m) 10,00
Porcentaje Error MI (%) 20,50
Porcentaje Error MD (%) 9,00
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Como se muestra en la tabla de 3.7, se observa el calado de vestigio hallado en
la zona con un porcentaje de similitud de 79,50% en el margen izquierdo,
mientras que en el margen derecho posee 91,0% de similitud, lo cual considera
calibrada la sección con un porcentaje de similitud mayor al 90% en al menos una
de las márgenes.
2500
2505
2510
2515
2520
2525
2530
2535
2540
2545
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA CALIBRACIÓN (RÍO PITA)
MI
Nivel Máximo de Lahar
Topografía
Nivel Vestigio
MI
MD
71
Urbanización La Colina
Esta sección ubicada en el río Pita, se encuentra a 5,3 kilómetros aguas abajo del
inicio del área de modelación y a 1,3 km de la sección Urbanización Cashapamba,
con un calado medido en campo de 12 metros sobre el nivel del cauce, a
continuación en la figura 3.30 se puede observar el perfil de dicha sección con el
nivel de resultado de la calibración en el programa Hec Ras 2D y en la tabla 3.8
los porcentajes de error con los niveles de calado en los márgenes.
FIGURA 3.30. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
TABLA 3.8 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA.
Calados en la Sección Urbanización La Colina
Nivel MI (msnm) 2.505,68
Calado MI (m) 14,88
Nivel MD (msnm) 2.503,95
Calado MD (m) 13,15
Calado Vestigio (m) 12,00
2485
2490
2495
2500
2505
2510
2515
2520
2525
0 100 200 300 400 500 600
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA CALIBRACIÓN (RÍO PITA)
MI
MD
Nivel Máximo de Lahar
Topografía
Nivel Vestigio
72
Porcentaje Error MI (%) 19,38
Porcentaje Error MD (%) 8,75
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Como se muestra en la tabla de 3.8, se observa el calado de vestigio hallado en
la zona con un porcentaje de similitud de 80,62% en el margen izquierdo,
mientras que en el margen derecho posee 91,25% de similitud, lo cual considera
calibrada la sección con un porcentaje de similitud mayor al 90% en al menos una
de las márgenes.
La Betania
Esta sección ubicada en el río Pita, se encuentra a 5,6 kilómetros aguas abajo del
inicio del área de modelación y a 0,3 km de la sección Urbanización La Colina,
con un calado medido en campo de 13 metros sobre el nivel del cauce, a
continuación en la figura 3.31 se puede observar el perfil de dicha sección con el
nivel de resultado de la calibración en el programa Hec Ras 2D y en la tabla 3.9
los porcentajes de error con los niveles de calado en los márgenes.
73
FIGURA 3.31. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN LA BETANIA CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA 3.9 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN LA BETANIA.
Calados en la Sección La Betania
Nivel MI (msnm) 2.495,85
Calado MI (m) 12,35
Nivel MD (msnm) 2.499,66
Calado MD (m) 16,21
Calado Vestigio (m) 13,00
Porcentaje Error MI (%) 4,97
Porcentaje Error MD (%) 19,81
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Como se muestra en la tabla de 3.9, se observa el calado de vestigio hallado en
la zona con un porcentaje de similitud de 95,03% en el margen izquierdo, mientras
que en el margen derecho posee 80,19% de similitud, lo cual considera calibrada
la sección con un porcentaje de similitud mayor al 90% en al menos una de las
márgenes.
2480
2485
2490
2495
2500
2505
2510
2515
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN LA BETANIA CALIBRACIÓN (RÍO PITA)
MI
MD
Nivel Máximo de Lahar
Topografía
Nivel Vestigio
74
Megamaxi
Esta sección ubicada en el río Pita, se encuentra a 7,4 kilómetros aguas abajo del
inicio del área de modelación y a 1,8 km de la sección La Betania, con un calado
medido en campo de 8 metros sobre el nivel del cauce, a continuación en la figura
3.32 se puede observar el perfil de dicha sección con el nivel de resultado de la
calibración en el programa Hec Ras 2D y en la tabla 3.10 los porcentajes de error
con los niveles de calado en los márgenes.
FIGURA 3.32. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN MEGAMAXI CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA 3.10 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN MEGAMAXI.
Calados en la Sección Megamaxi
Nivel MI (msnm) 2.475,28
Calado MI (m) 8,73
Nivel MD (msnm) 2.476,76
Calado MD (m) 10,21
Calado Vestigio (m) 8,00
Porcentaje Error MI (%) 8,34
2464
2466
2468
2470
2472
2474
2476
2478
2480
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN MEGAMAXI CALIBRACIÓN (RÍO PITA)
MI MD
Nivel Máximo de Lahar
Topografía
Nivel Vestigio
75
Porcentaje Error MD (%) 21,63
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Como se indica en la tabla de 3.10, se observa el calado de vestigio hallado en la
zona con un porcentaje de similitud de 91,66% en el margen izquierdo, mientras
que en el margen derecho posee 78,37% de similitud, lo cual considera calibrada
la sección con un porcentaje de similitud mayor al 90% en al menos una de las
márgenes.
Sangolquí-Ejido
Esta sección ubicada en el río Santa Clara, se encuentra a 3,0 kilómetros aguas
abajo del inicio del área de modelación, con un calado medido en campo de 8
metros sobre el nivel del cauce, a continuación en la figura 3.33 se puede
observar el perfil de dicha sección con el nivel de resultado de la calibración en el
programa Hec Ras 2D y en la tabla 3.11 los porcentajes de error con los niveles
de calado en los márgenes.
FIGURA 3.33. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN SANGOLQUI-EJIDO CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2490
2492
2494
2496
2498
2500
2502
2504
2506
2508
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN SANGOLQUI EJIDO CALIBRACIÓN (RÍO SANTA CLARA)
MI MD
Nivel Máximo de Lahar
Topografía
Nivel Vestigio
76
TABLA 3.11 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN SANGOLQUÍ-EJIDO.
Calados en la Sección Sangolquí-Ejido
Nivel MI (msnm) 2.502,02
Calado MI (m) 10,01
Nivel MD (msnm) 2.501,78
Calado MD (m) 9,76
Calado Vestigio (m) 8,00
Porcentaje Error MI (%) 20,04
Porcentaje Error MD (%) 18,03
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Después de haber realizado varias simulaciones, el resultado con esta sección no
permitió alcanzar el porcentaje de similitud requerido, por lo cual se procedió a
analizar esta sección donde se recopiló que aguas debajo de esta sección se
encuentra en régimen supercrítico con un número de Froudee de 1,50 ,mientas
que aguas abajo un Froudee de 0,88, y en dicha sección con un valor de 0,93
muy cercano al valor crítico, por lo cual será difícil obtener un valor de calado
estable que permita comparar con el valor obtenido en campo.
La Armenia-Cantera
Esta sección ubicada en el río San Pedro, se encuentra a 0,70 kilómetros aguas
arriba del final del tramo, con un calado medido en campo de 19 metros sobre el
nivel del cauce, a continuación en la figura 3.34 se puede observar el perfil de
dicha sección con el nivel de resultado de la calibración en el programa Hec Ras
2D y en la tabla 3.12 los porcentajes de error con los niveles de calado en los
márgenes.
77
FIGURA 3.34. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA CON LOS RESULTADOS DE LA CALIBRACIÓN.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA 3.12 RESULTADOS DE CALADOS EN LA SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA.
Calados en la Sección La Armenia Cantera
Nivel MI (msnm) 2.418,81
Calado MI (m) 18,36
Nivel MD (msnm) 2.419,08
Calado MD (m) 18,62
Calado Vestigio (m) 19,00
Porcentaje Error MI (%) 3,38
Porcentaje Error MD (%) 1,99
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Como se indica en la tabla de 3.12, se observa el calado de vestigio hallado en la
zona con un porcentaje de similitud de 96,62% en el margen izquierdo, mientras
que en el margen derecho posee 98,01% de similitud, lo cual considera calibrada
la sección con un porcentaje de similitud mayor al 90% en al menos una de las
márgenes.
2395
2400
2405
2410
2415
2420
2425
2430
2435
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN LA ARMENIA - CANTERA CALIBRACIÓN (RÍO SAN PEDRO)
MI
MD
Nivel Máximo de Lahar
Topografía
Nivel Vestigio
78
En la tabla 3.13, se puede observar un resumen de la calibración del modelo
con las siete secciones de vestigio en el tramo de simulación, donde 6 de 7 se
encuentran calibradas, por lo cual el modelo se considera calibrado.
TABLA 3.13 RESUMEN DE LAS SECCIONES DE VESTIGIO EN LA CALIBRACIÓN DEL MODELO.
NOMBRE SECCIÓN CALADO DE
VESTIGIO
CALIBRACIÓN
CALADO % ERROR VESTIGIO
MI MD MI MD
Cashapmaba Basurero 27 25,30 23,33 6,31 13,59
Urb. Cashapmaba 10 12,58 10,99 20,50 9,00
Urb. La Colina 12 14,90 13,15 19,38 8,75
La Betania 13 12,40 16,21 4,97 19,81
Megamaxi 8 8,73 9,81 8,34 18,43
Sangolquí - Ejido 8 10,00 9,76 20,04 18,03
La Armenia- Cantera 19 18,36 18,62 3,38 1,99
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
3.3.2 SIMULACIÓN DEL TRAMO DE ESTUDIO EN EL SOFTWARE HEC RAS
2D
Para la simulación de resultados se la realizó en flujo no permanente para el
escenario tres siendo este el más probable a desarrollarse en el volcán Cotopaxi,
como ya se había mostrado en el subtema 3.2.2 buscando representar el probable
fenómeno. Es así que la corrida se ejecutó con dicho escenario con los pasos que
se muestran a continuación en el software Hec Ras.
Ingreso de la Topografía en el Hec Ras
La topografía ingresada en el software debe estar en los formatos (*.tif,*.flt,*.adf),
para la simulación se usó un DTM (Modelo Digital del Terreno), con un tamaño de
celda de 3 metros por 3 metros.
79
En la modelación numérica en Hec Ras 2D, se procedió a realizar la
determinación de una superficie de DTM de ingreso mayor al área de simulación
debido correspondiente a esta área que se observa en la figura 3.35.
FIGURA 3.35. SUPERFICIE DE INGRESO AL PROGRAMA HEC RAS 2D.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
A continuación se indica los procedimientos para generar la topografía dentro del
programa Hec Ras:
FIGURA 3.36. ÍCONO DE ACCESO A LA INTERFAZ RAS MAPPER EN EL SOFTWARE HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
80
La herramienta Ras Mapper permite el manejo de sistemas de información
geográfica, entonces para ingresar la topografía de la simulación se debe cargar
en esta interfaz el DTM del área analizada, en la figura 3.37 se observa la
ventana de esta herramienta, donde se procedió a crear un nuevo terreno
(ingresar topografía al Ras Mapper), Para tener mayor rapidez de ejecución se
recomienda no cargar grandes superficies para ser simuladas.
FIGURA 3.37. ÍCONO PARA CREAR NUEVO TERRENO EN LA VENTANA DE LA HERRAMIENTA RAS MAPPER.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
En la creación de un nuevo terreno en la interfaz Ras Mapper se debe tener
presente ajustar la proyección espacial del nuevo terreno que permitirá ingresar la
topografía de la zona de simulación, en la figura 3.38 se indica la ventana de la
herramienta Ras Mapper ingresada la topografía para la modelación.
81
FIGURA 3.38. TOPOGRAFÍA INGRESADA EN LA HERRAMIENTA RAS MAPPER, HEC RAS 2D.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
Geometría, Mallado y Condiciones de Borde de la Zona de Simulación
Para dibujar el área de simulación se ingresa a la herramienta “Visión y Edición
de Geometría”, en esta herramienta del Hec Ras 2D permitirá dibujar y editar el
área de simulación. En la figura 3.39 se muestra el acceso a la ventana
“Geometric Data”, y en la figura 3.40 se visualiza el polígono de modelación
(superficie aproximada de 24 km2) que fue dibujado con la herramienta “2d flow
area “, también señalado en la figura.
82
FIGURA 3.39. ÍCONO DE INGRESO A LA VENTANA DE EDICIÓN Y VISIÓN DE GEOMETRÍA, HEC RAS 2D.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
FIGURA 3.40. VENTANA DE LA GEOMETRIÁ DEL ÁREA DE SIMULACIÓN, HEC RAS 2D.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Luego se procedió a generar la malla que fue utilizada para este caso, se realizó
una malla estructurada con un tamaño de celda de 9m*9m, como se observa en
la figura 3.41, además se muestra la ventana de ingreso del tamaño de celda.
83
Para acceder a esta ventana se da click derecho en el polígono, y se selecciona la
herramienta “Edit 2D Flow Area”, inmediatamente aparece la ventana mostrada en
la figura.
FIGURA 3.41. VENTANA DE GENERACIÓN DEL MALLADO EN LA ZONA DE SIMULACIÓN, HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Las condiciones de borde deben ser dibujadas con la herramienta “Storage Area
for new Boundary Condition Location”, que significa nueva condición de frontera
para un área de almacenamiento. Se dibujó los ingresos de hidrogramas tanto en
el río Santa Clara como en el Pita además de la salida en el río San Pedro como
se puede observar en la figura 3.42.
84
FIGURA 3.42. CONDICIONES DE BORDE EN EL TRAMO DE SIMULACIÓN, HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Condición de Contorno: Ingreso de Hidrogramas en las entradas de los ríos
Santa Clara y Pita
En el ingreso de los hidrogramas en los ríos Santa Clara y Pita, se realizó a través
de la herramienta “Edit “, después al icono “Unsteady Flow Data”, tal como se
indica en la figura 3.43.
85
FIGURA 3.43. CONDICIONES DE BORDE EN EL TRAMO DE SIMULACIÓN, HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
En la figura 3,46, se muestra la ventana de acceso donde se introdujo los
hidrogramas de ingreso, siendo los mismos productos de la modelación realizada
en el proyecto “Simulación Numérica del Flujo de Lahares Primarios hasta los
tramos de Implantación de las Centrales Hidroeléctricas San Francisco y
Manduriacu “realizada en el año 2017 entre la EPN-TECH y CELEC. Los
hidrogramas de ingreso se pueden observar en las figuras 3.44 y 3.45.
FIGURA 3.44. HIDROGRAMA DE INGRESO AL RÍO SANTA CLARA
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Fuente: CELEC-EPNTEC
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0 50 100 150 200
Cau
dal
(m
3/s
)
Tiempo (min)
Hidrograma de Ingreso - Río Santa Clara
86
FIGURA 3.45. HIDROGRAMA DE INGRESO AL RÍO PITA
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Fuente: CELEC-EPNTECH
El caudal pico en el hidrograma de ingreso al río Santa Clara es de 9.255,90 m3/s
y su duración de 200 minutos, mientras que para el caso del río Pita es de
25.377,11 m3/s y 120 minutos.
FIGURA 3.46. VENTANA DE INGRESO DE LAS CONDICIONES DE BORDE EN LA SIMULACIÓN.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
0 20 40 60 80 100 120 140
Cau
dal
(m
3/s
)
Tiempo (min)
Hidrograma de Ingreso - Río Pita
87
En la figuras 3.47 y 3.48, se observa los hidrogramas de entrada a los ríos Santa
Clara y Pita respectivamente ya ingresados en el programa, además para
introducir estos hidrogramas se debe considerar en que unidades se encuentra
el mismo, para ello existe el botón “Data time interval”, donde se puede cambiar
el intervalo a segundos, minutos u horas según sea el caso.
FIGURA 3.47. HIDROGRAMA DE ENTRADA AL RÍO SANTA CLARA EN EL SOFTWARE HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
88
FIGURA 3.48. HIDROGRAMA DE ENTRADA AL RÍO PITA EN EL SOFTWARE HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Salida en el Río San Pedro
La salida del tramo, se dio en el río San Pedro para ello se tomó la pendiente
del cauce aguas debajo de la salida con un valor del 1,14 % que se obtuvo al
89
realizar un perfil longitudinal en un programa de sistemas de información
geográfica. En la figura 3.49, se describe el ingreso de la pendiente aguas debajo
del tramo modelado.
FIGURA 3.49. HIDROGRAMA DE ENTRADA AL RÍO PITA EN EL SOFTWARE HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
90
Ingreso de los Coeficientes de Rugosidad
Los coeficientes de rugosidad se ingresan en la ventana Ras Mapper en el ícono
“Tools”, luego a “New Land Cover “y se procedió a cargar la capa de rugosidad
en formato *.shp resultado de la calibración realizada, en la figura 3.50 se describe
la herramienta, el ícono para ingresar los coeficientes y en la figura 3.51 y en la
3.52, se observa la capa de coeficientes de rugosidad ya en el polígono
modelado.
FIGURA 3.50. VENTANA EN RAS MAPPER, PARA CARGAR LOS COEFICIENTES DE RUGOSIDAD EN LA ZONA DE SIMULACIÓN.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
91
FIGURA 3.51. VENTANA PARA INGRESAR LOS VALORES DE MANING.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
FIGURA 3.52. CAPA DE COEFICIENTES DE RUGOSIDAD EN EL POLÍGONO MODELADO.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
92
Preparación de la Corrida
Para la preparación de la corrida se ingresó a la herramienta “Unsteady Flow
Analysis” (Análisis de Flujo no Permanente), como se observa en la figura 3.53, al
acceder a este ícono se desplegará la ventana de preparación de la corrida
mostrada en la figura 3.53, así por ejemplo se indica que deben estar habilitadas
los siguientes “Programs to Run” (Programas a correr) enlistados a continuación.
· Geometry Preprocessor ( Procesador de Geometría)
· Unsteady Flow Simulation (Simulación de Flujo Inestable)
· Post Processor ( Post Procesador)
· Floodplain Mapping ( Mapeo de la Inundación)
Para desarrollar la corrida se debe hacer clikc en el botón “Compute” (Calcular),
como se muestra en la figura 3.54.
FIGURA 3.53. VENTANA DE ACCESO PARA LA PREPACIÓN DE LA MODELACIÓN PARA FLUJO NO PERMANENTE.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
93
FIGURA 3.54. VENTANA DE ACCESO PARA LA PREPACIÓN DE LA MODELACIÓN PARA FLUJO NO PERMANENTE.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
Cuando la corrida se esté desarrollando con normalidad va a aparecer la ventana
que se muestra en la figura 3.55.
94
FIGURA 3.55. VENTANA DE PROCESO DE CORRIDA EN EL SOFTWARE HEC RAS PARA FLUJO NO PERMANENTE.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
95
Presentación de Resultados
En la presentación de resultados en dos dimensiones en el programa Hec Ras
usa la interfaz Ras Mapper, dando los siguientes resultados hidráulicos:
· Calado
· Nivel de Flujo
· Velocidad
· Hidrograma de Salida
Para obtener el hidrograma de salida se accede a la herramienta “Plot Stage
and Flow Hydrographs” (Gráfico de escenarios e hidrogramas de flujo)
indicada en la figura 3.56.
FIGURA 3.56. VENTANA DE INGRESO PARA VISUALIZACIÓN DEL HIDROGRAMA DE SALIDA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
Ingresando en la barra de herramientas al ícono “Type” (Tipo), se da click e la
opción “SA/2D Flow Area – BCLines” (Área de flujo SA / 2D - Líneas BC),
después de elegir esta opción se desplegará el hidrograma de salida en el río
San Pedro como se observa en la figura 3.57.
96
FIGURA 3.57. VENTANA CON HIDROGRAMA DE SALIDA EN EL RÍO SAN PEDRO.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
Para los otros datos de salida como calado, velocidad y nivel de flujo se accede
a la ventana Ras Mapper y en la parte superior izquierda aparece la pestaña
“Results”, donde también se ubican los resultados, dando click en cada una de
estas opciones se puede visualizar los mapas de inundación, tal y como se
muestra en la figura 3.58.
FIGURA 3.58. VENTANA DE RESULTADOS DE LA CORRIDA CALADOS, VELOCIDADES Y NIVELES DE FLUJO.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
97
Para observar los perfiles longitudinales de los ríos Santa Clara, Pita y San
Pedro a través de la opción de “perfile Lines” con el símbolo en forma de “+”se
debe dibujar el perfil, en la figura 3.59, se muestra el perfil longitudinal del río Pita
y en la figura 3.60 la tabla de valores de dicho perfil.
FIGURA 3.59. PERFIL LONGITUDINAL DEL RÍO PITA EN LA INTERFAZ RAS MAPPER.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
FIGURA 3.60. TABLA DE VALORES DE PERFIL LONGITUDINAL DEL RÍO PITA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
98
3.3.2.1 Plan de Corridas en el Software Hec Ras
Para el plan de corridas de la simulación se efectúo un total de 2 corridas en el
software Hec Ras 2D, para flujo no permanente sin turbulencia, y con turbulencia
de igual manera 2 ejecuciones. En las tablas 3.14 y 3.15 respectivamente se
muestra los resúmenes de dichas corridas.
El objetivo de esta simulación es dar como resultados valores de calado,
velocidad, niveles de flujo, hidrogramas y el mapa de inundación en la zona
modelada. Para la modelación se utilizó el mismo ordenador usado en la
calibración.
Para la simulación sin y con turbulencia se generó un mallado estructurado de
9x9m, con un total de 308.256 celdas, con un caudal pico para el Santa Clara de
9.255,9 m3/s y en el Pita 25.377,1 m3/s y un tiempo de corrida 26 horas 31
minutos para un modelo sin turbulencia y de 34 horas y 47 minutos con
turbulencia. En la tabla 3.14 y 3.15, se indica los parámetros del plan de corrida
para estas simulaciones.
TABLA 3.14 RESUMEN DE PLAN DE CORRIDA PARA LA MODELACIÓN SIN TURBULENCIA DEL MODELO EN EL SOFTWARE HEC RAS.
Resumen Plan de Corrida sin Turbulencia en el Software Hec Ras
Tipo de mallado Estructurado
Tamaño de mallado 9x9m
Caudal de Ingreso Santa Clara 9.255,9 m3/s
Caudal de Ingreso Pita 25.377,1 m3/s
Tiempo de Corrida 29 horas 13 min
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA 3.15 RESUMEN DE PLAN DE CORRIDA PARA LA MODELACIÓN SIN TURBULENCIA DEL MODELO EN EL SOFTWARE HEC RAS.
Resumen Plan de Corrida con Turbulencia en el software Hec Ras
Tipo de mallado Estructurado
Tamaño de mallado 9x9m
Caudal de Ingreso Santa Clara 9.255,9 m3/s
Caudal de Ingreso Pita 25.377,1 m3/s
99
Tiempo de Corrida 34 horas 47 min
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
3.4 SIMULACION IBER
3.4.1 SIMULACIÓN DEL TRAMO DE ESTUDIO EN EL SOFTWARE IBER
El paquete computacional Iber utilizado en la simulación bidimensional de los
lahares se considera que este programa nos brinda tres módulos para trabajar
que son el hidrodinámico, turbulencia y transporte de sedimentos, donde el
modulo hidrodinámico se utiliza para obtener los parámetros calibración mientras
que el módulo de turbulencia influye en la simulación de lahares y está
relacionado con el método de volúmenes finitos que es el más completo con lo
referente a campos de la dinámica de fluidos y se utilizarán los siguientes pasos
que se explicarán a continuación.
Para empezar a simular en el programa Iber se utilizó el modelo digital del terreno
del tramo de estudio que es la topografía en formato RASTER, guardado como
ASCII, mapa de uso de suelo de la zona de estudio en formato ASCII en donde
cada pixel es un número entero el cual, corresponde un determinado uso de suelo
y a la vez otro archivo *.csv que constará el número de modelo digital del uso de
suelo y la ortofoto que consta de dos archivos: *.tif que es la foto propiamente
dicha y *tfw es el archivo de georreferenciación.
Con toda esta información necesaria se simula siguiendo los pasos presentados a
continuación:
· Iniciar el programa Iber
Primero se guarda el proyecto donde se asigna el nombre del archivo que tendrá
la simulación correspondiente en este caso será “Tesis” en una carpeta la cual
abarcará toda la información respectiva para la modelación bidimensional.
100
FIGURA 3.61. VENTANA PARA GUARDAR PROYECTO CORRESPONDIENTE AL PRIMER PASO DE LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL EN EL PROGRAMA IBER.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
· Geometría y mallamado en Iber
Se procede a crear la geometría automáticamente a partir del modelo digital de
MDT del terreno utilizando la opción RTIN la cual consiste en dividir la superficie
en triángulos rectángulos en diferentes tamaños, los cuales son planos inclinados.
Considerando que mientras exista mayor número de triángulos la aproximación de
la geometría con la topografía será mayor y a la vez el tiempo de simulación.
FIGURA 3.62. TRIÁNGULOS QUE SE ACOPLAN A LA GEOMETRÍA DE LA TOPOGRAFÍA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
101
· Crear la geometría con RTIN
Para generar la geometría se utilizó la opción el RTIN, la cual se encuentra en el
despliegue de la barra de herramientas Iber.
FIGURA 3.63. VENTANA DONDE SE CREA RTIN PARA CARGAR LA TOPOGRAFÍA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Se deberá tomar en cuenta los siguientes parámetros:
La tolerancia se encuentra de 0.1 - 0.3 dependiendo de la magnitud del proyecto a
simular, tomando en cuenta que la tolerancia es la diferencia máxima que existe
entre el MDT y la geometría que se va a crear, mientras más pequeña sean los
triángulos se parecerá más a la geometría.
El lado máximo es la longitud mayor del triángulo más grande de la geometría
creada, donde la geometría comienza con triángulos de lado igual al tamaño
máximo verificando que la diferencia entre el MDE es mayor que la tolerancia
Siendo el caso mayor este va disminuyendo al tamaño del triángulo hasta llegar a
que esta diferencia sea igual o menor a la tolerancia
102
FIGURA 3.64. VENTANA DE ARCHIVO RTIN CONSIDERANDO LOS PARÁMETROS A LLENAR.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Luego de llenar los parámetros de tolerancia, lado máximo y mínimo saldrá un
aviso indicando que este archivo se importa al programa Iber luego de hacer clic
en “Aceptar”, luego saldrá otro aviso con la opción si se desea colapsar lo cual se
refiere a que se unirán las líneas y puntos que tengan duplicidad y se pondrá clic
en aceptar.
A partir de la versión 2.0 Iber, saldrá una ventana dándo la opción de que si se
quiere generar la malla de la geometría colapsada. Nuestra opción debe ser NO
que más adelante habrá otras opciones de mallado.
FIGURA 3.65. VENTANA DE OPCIÓN PARA MALLAR LA GEOMETRÍA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
103
· Asignar condiciones iniciales
Para imponer las condiciones iniciales de todo será la opción de (calado=0) a
todas las superficies, luego se asigna y se marca todo el modelo.
Para la verificación de las respectivas condiciones iniciales y que esté
correctamente seleccionada se va a la opción dibujar è colores donde mostrara
la condición inicial como se muestra en la figura 3.66.
FIGURA 3.66. ÁREA A SIMULAR DEL RÍO SANTA CLARA DE LA PARROQUIA DE SANGOLQUÍ CON LAS CONDICIONES INICIALES Y CON OPCIÓN DE VISTA SUAVE.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
104
· Asignar la condición de contorno
En esta parte se ingresa el hidrograma de entrada del río Santa Clara y del Río
Pita individualmente, desplegando la opción de caudal total donde se ingresa los
hidrogramas de entrada como se ve en la figura 3.67.
FIGURA 3.67. VENTANA DE INGRESO DE HIDROGRAMAS DE ENTRADA CORREPONDIENTE AL RÍO SANTA CLARA Y RÍO PITA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
Los hidrogramas de entrada utilizados en este modelo fueron tomados del
proyecto de “Simulación númerica del flujo de lahares primarios hasta los tramos
105
de implantación de las Centrales Hidroeléctricas San Francisco y Manduriacu” que
se presentan en la figuras 3.68 y 3.69 correspondientemente.
FIGURA 3.68. HIDROGRAMA DE ENTRADA CORRESPONDIENTE AL RÍO PITA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
FIGURA 3.69. HIDROGRAMA DE ENTRADA CORRESPONDIENTE AL RÍO SANTA CLARA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
0 20 40 60 80 100 120 140
CA
UD
AL
(M3
/S)
TIEMPO (MIN)
HIDROGRAMA DE ENTRADA DEL RÍO PITA
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0 20 40 60 80 100 120
CA
UD
AL
(M3
/S)
TIEMPO (MIN)
HIDROGRAMA DE ENTRADA DEL RÍO SANTA CLARA
106
Luego de haber ingresado cada hidrograma de los ríos Santa Clara y Pita
nombradas como entrada 1 y 2 correspondientemente, se selecciona una sección
de cada tramo de río.
FIGURA 3.70. SELECCIÓN DE ENTRADA CORRESPONDIENTE AL RÍO SANTA CLARA Y PITA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
El valor 2 que se pondrá en la ventana de selección, significa que se quitará de la
selección todas las líneas que formen 2 superentiendes mostrado en la figura
3.71.
FIGURA 3.71. ASIGNACIÓN DE ENTRADA DEL RÍO SANTA CLARA Y RÍO PITA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
107
FIGURA 3.72. DEMOSTRACIÓN DE LÍNEAS QUE MUESTRAN LAS DOS SUPERFICIES.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
· Asignar la condición de salida
Primero se selecciona “Salida 2D” en régimen “supercrítico” debido a que la
pendiente del río es bastantemente pronunciada como se observa en la figura
3.73.
FIGURA 3.73. VENTANA PARA LA SELECCIÓN DE LA SALIDA 2D EN REGIMEN SUBCRÍTICO.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
108
Se selecciona en nuestro caso la zona del río San Pedro que es por donde será la
salida del caudal, verificando que la condición de contorno sean las correctas
como se puede observar en la figura 3.74.
FIGURA 3.74. SELECCIÓN DE SALIDA CORRESPONDIENTE AL RÍO SAN PEDRO.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
· Criterios de mallado
La función RTIN que se utilizó para la geometría, donde cada triangulo servirá
como elemento de la malla, tomando en cuenta que para realizar el mallado se
deberá indicar que no sea dividid en varios elementos sino crear un elemento
similar a cada superficie de la geometría.
FIGURA 3.75. VENTANA DE SELECCCIÓN DE MALLA NO ESTRUCTURADA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
109
· Generar la malla
Al mandar a generar la malla nos indicará la cantidad y la forma de elementos de
la respectiva malla.
FIGURA 3.76. VENTANA DE MALLA YA GENERADA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
· Asignación automática de usos de suelos
Para la asignación del uso de suelos la información referente a este deberá estar
en una misma carpeta un documento en formato raster y el otro documento con
extensión *.csv el cual consta el tipo de suelo que corresponde al valor del raster.
Luego se procede a carga el archivo GRID y el archivo raster con información del
suelo, lo que dibujará quedando de la siguiente manera como se observa en la
figura 3.77.
110
El raster consiste en que cada celda contiene información en nuestro caso un
número del 1 al 13 el cual identificará el uso del suelo.
Luego se procede a asignar el uso del suelo è coeficiente de manning el nombre
asignado que corresponde al del mismo del documento con extensión *.csv
FIGURA 3.77. SIMULACIÓN CON EL USO DE SUELO RESPECTIVO.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
· Asignar datos del problema
Estos datos del problema constan del tiempo de simulación en nuestro caso será
de 12.000 segundos debido a que es el tiempo desde la entrada hasta la salida
del área de simulación, también se colocará el tiempo que muestre los resultados
el cual ser de 60 segundos.
111
FIGURA 3.78. VENTANA CORRESPONDIENTE A DATOS DEL PROBLEMA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
· Lanzar la simulación
Luego de haber realizado los respectivos pasos procedemos al cálculo del
modelo.
· Ver resultados del proceso
112
En esta ventana se observará un resumen de la simulación constando el tiempo
que empezó y finalizó el proceso.
FIGURA 3.79. VENTANA DE PROCESO FINALIZADO CON VENTANA DE RESULTADOS DEL HIDROGRAMA DE SALIDA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
· Visualización de resultados
Saldrá la opción post-proceso el cual permitirá obtener los resultados en los
diferentes tiempos que deseamos.
113
FIGURA 3.80. VENTANA DE POS POST-PROCESO PARA OBETENER LOS RESULTADOS DE LAS SECCIONES DE VESTIGIOS YA MENCIONADOS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
· Mostrar animación
FIGURA 3.81. DESARROLLO DE SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL CON PROGRAMA IBER EN DIFERENTES LAPSOS DE TIEMPOS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
3.4.1.1 Plan de Corridas en el Software Iber
114
Luego de haber finalizado las corridas correspondientes con la calibración en el
programa Hec-Ras y obteniendo los resultados de la modelación bidimensional,
hidrogramas de salida en el área de simulación de la parroquia de Sangolquí y
hacer validar el coeficiente n de manning, considerando los siguientes parámetros
para la simulación:
· Los lados de los polígonos utilizados en la geometría RTIN en nuestra
simulación bidimensional varían entre 12m y 9m y una tolerancia de 0.1.
· Se utilizó la malla no estructurada de de 9mx 9m para que adopte de
manera más detallada la forma del área a simular.
· El tiempo máximo de simulación es de 12000 segundos y un intervalo para
obtener resultados de 60 segundos.
TABLA 3.16 RESUMEN DEL PLAN DE CORRIDA DE LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL EN EL PROGRAMA IBER.
Plan de corridas del modelo de simulación Iber
Tipo de mallado No estructurado
Tamaño de mallado 9m*9m
Número de nodos 169296
Número de elementos 336173
Caudal de ingres río Santa Clara 9.255,9053
Caudal de ingreso río Pita 25.377,11
Tiempo de corrida 4 horas 30 min
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017 Debido al tiempo de simulación y al área de modelación se necesitó un equipo
computacional con características muy destacadas par que se pueda realizar la
simulación y tenga la capacidad de acuerdo a los parámetros que se utilizaron
para la corrida la cual se detallará a continuación.
· Sistema Operativo: Windows 10 Pro
· Modelo HP Z840 Workstation
· Procesador: Intel ® CPU E5-2687W v4 @ 3.00GHz 3.00 GHz
· Memoria instalada (RAM): 256 GB
· Número de Procesador: 24
115
Se considera como principales características es la memoria RAM ya que
mientras mayor sea tendrá mejor rendimiento en la modelación y también se debe
considerar de mayor importancia la tarjeta de video para la visualización de
resultados al momento de la etapa de prost proceso que ya se explicó en la figura
3.82 y más que tenga compatibilidad con el programa Iber para poder obtener un
trabajo de buen rendimiento.
FIGURA 3.82. PROPIEDADES DEL EQUIPO COMPUTACIONAL UTILIZADO PARA LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL EN PROGRAMA IBER.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
116
CAPÍTULO 4
RESULTADOS Y DISCUSIONES
4.1 INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se realizó la simulación en una zona ubicada en la
parroquia de Sangolquí mediante una recopilación de información principalmente
de los datos correspondientes a las secciones de vestigio ubicadas en la zona
simulada tal como se muestra en la figura 4.1. Para la calibración se consideró los
datos levantados en campo del evento de 1877 dentro del polígono simulado, para
luego ejecutar la calibración en el software Hec Ras , comparando los calados de
las siete secciones de vestigio halladas dentro de la zona de simulación con los
obtenidos en dicho software. En la figura 4.1, se puede observar el polígono de
simulación con las secciones de vestigio.
Con la geometría ya calibrada se ejecutó la simulación numérica no permanente
con el programa Iber y Hec Ras, para la obtención de resultados de velocidad,
calado número de Froudee y energía en los diferentes vestigios tomados en
cuenta dentro de la simulación como son: Cashapamba basurero, Urbanización
Cashapamba, Urbanización Colina, Sangolquí ejido, La Betania, Megamaxi, La
armenia cantera.
Para posteriormente realizar las respectivas comparaciones entre los dos
paquetes computacionales, tanto en calados, velocidades, hidrogramas de salida,
volúmenes de salida, caudales pico y el mapa de inundación de cada programa
para la zona simulada.
117
FIGURA 4.1. VESTIGIOS EN LA ZONA A MODELAR PARROQUIA SANGOLQUÍ
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
4.2 RESULTADOS SIMULACIÓN HEC RAS 2D
4.2.1 Resultados Sin Turbulencia
Los resultados de la simulación bidimensional en Hec Ras 2D para flujo no
permanente en el escenario tres, se encuentran presentados en calados,
velocidades y niveles de flujo en cada sección de vestigio y además del
hidrograma y mancha de inundación en la zona de Sangolquí.
118
En la figura 4.2, se muestra el hidrograma de salida en el paquete computacional
Hec Ras, con un caudal pico de 27.216,9 m3/s y un volumen de salida de
49´717.470 m3 y en la tabla 4.1 los valores de dicho hidrograma. Los resultados
de Calados, velocidades y niveles de flujo se muestran en las tablas y figuras
que están a continuación.
FIGURA 4.2. HIDROGRAMA DE SALIDA SIN TURBULENCIA EN EL RÍO SAN PEDRO DE LA CORRIDA BIDIMENSIONAL EN EL SOFTWARE HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA 4.1 VALORES DEL HIDROGRAMA DE SALIDA DE LA SIMULACIÓN EN HEC RAS, RÍO SAN PEDRO.
Tiempo (min) Caudal (m3/s)
0 0
18 0
36 0
54 24.096,1
59 27.216,9
72 16.038,6
90 5.179,2
108 1.853,6
126 733,4
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
0 50 100 150 200 250 300
Cau
dal
(m
3/s
)
Tiempo (min)
Hidrograma de Salida-Escenario 3 (Río San Pedro )
119
144 408,3
162 246,2
180 189,1
198 175,1
216 170,7
234 168,5
250 167,6
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017. Calados
En la figura 4.3 se indica el mapa de calados presente en la zona de Sangolquí,
en la tabla 4.2 los calados promedios de cada sección.
FIGURA 4.3. MAPA DE CALADOS DE LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL SIN TURBULENCIA EN EL PROGRAMA HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
120
TABLA 4.2 VALORES DE CALADOS EN LAS SECCIONES DE VESTIGIO EN EL TRAMO DE MODELACIÓN, HEC RAS.
Nombre de la Sección Calado (m)
Cashapamba Basurero 21,34
Urb. Cashapamba 10,92
Urb. La Colina 12,18
La Betania 12,69
Megamaxi 9,94
Sangolquí - Ejido 9,27
La Armenia Cantera 16,49
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
En la tabla 4.2, se describe los valores de calado para las secciones de vestigio
es así que varía desde 9,27 m en la sección Sangolquí Ejido, mientras que la
sección con mayor calado es la de Cashapamba Basurero en el río Pita con un
valor de 21,34 m. En el anexo 2 se encuentra el mapa de calados y niveles de
flujo resultados de la simulación.
Velocidades
En la figura 4.4 se puede observar el mapa de velocidades presente en el
polígono modelado y en la tabla 4.3 las velocidades en cada sección.
TABLA 4.3 VALORES DE VELOCIDADES EN LAS SECCIONES DE VESTIGIO EN EL TRAMO DE MODELACIÓN, HEC RAS.
Nombre de la Sección Velocidad (m/s)
Cashapamba Basurero 9,16
Urb. Cashapamba 19,39
Urb. La Colina 8,13
La Betania 16,94
Megamaxi 15,89
Sangolquí - Ejido 17,32
La Armenia Cantera 12,86
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
En la tabla 4.3, se muestra los valores de velocidades para las secciones de
vestigio con el valor más bajo en la sección Urbanización La Colina con 8,13 m,
121
mientras que la sección con mayor velocidad es la de Urbanización Cashapamaba
en el río Pita con un valor de 19,39 m. En el anexo 2 se encuentra el mapa de
velocidades resultado de la simulación.
FIGURA 4.4. MAPA DE VELOCIDADES DE LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL SIN TURBULENCIA EN EL PROGRAMA HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
Velocidad (m/s))
122
4.2.2 Resultados Con Turbulencia
Los resultados de la simulación bidimensional en Hec Ras 2D para flujo no
permanente en el escenario tres con turbulencia, son presentados en mapas y
tablas de niveles de flujo, velocidades y calados a lo largo del polígono simulado.
En la figura 4.5, se muestra el hidrograma de salida en el paquete computacional
Hec Ras, con un caudal pico de 19.610,7 m3/s y un volumen de salida de
49´142.350 m3 y en la tabla 4.4 los valores de dicho hidrograma. Los resultados
de Calados, velocidades y niveles de flujo se muestran en las tablas y figuras
que se muestran a continuación.
FIGURA 4.5. HIDROGRAMA DE SALIDA CON TURBULENCIA EN EL RÍO SAN PEDRO DE LA CORRIDA BIDIMENSIONAL EN EL SOFTWARE HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 50 100 150 200 250 300
Cau
dal
(m
3/s
)
X (m)
Hidrograma de Salida - Escenario 3 (Río San Pedro)
123
TABLA 4.4 VALORES DEL HIDROGRAMA DE SALIDA DE LA SIMULACIÓN EN HEC RAS, RÍO SAN PEDRO.
Tiempo (min) Caudal (m3/s)
1 0,0
19 0,0
37 0,0
55 0,0
72 19.610,7
73 19.537,7
91 11.373,9
109 5.686,4
127 2.909,0
145 1.530,1
163 910,7
181 583,2
199 390,4
217 277,9
235 216,5
251 189,8
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017. Calados
En la figura 4.6 se indica el mapa de calados presente en el polígono modelado y
en la parte inferior derecha los valores de calado por colores para una mejor
visualización de dicho mapa, en la tabla 4.5 los calados promedios de cada
sección.
TABLA 4.5 VALORES DE CALADOS EN LAS SECCIONES DE VESTIGIO EN EL TRAMO DE MODELACIÓN, HEC RAS.
Sección Calado (m)
Cashapamba Basurero 35,58
Urbanización Cashapamba 17,74
Urbanización La Colina 16,22
La Betania 14,02
Megamaxi 9,22
La Armenia Cantera 19,98
Sangolquí Ejido 12,35
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
124
En la tabla 4.5, se describe los valores de calado para las secciones de vestigio
con el valor de calado más bajo en la sección Megamaxi con un valor de 9,22 m,
mientras que la sección con mayor calado es la de Cashapamba Basurero en el
río Pita con 35,58 m. En el anexo 3 se encuentra el mapa de calados y niveles de
flujo resultados de la simulación.
FIGURA 4.6. MAPA DE CALADOS DE LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA EN EL PROGRAMA HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
125
Velocidades
En la figura 4.7 se indica el mapa de velocidades presente en el polígono
modelado y en la parte inferior derecha los valores de variación de velocidades
por colores para una mejor visualización de dicho mapa, en la tabla 4.6 los
calados promedios de cada sección.
FIGURA 4.7. MAPA DE VELOCIDADES DE LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL EN EL PROGRAMA HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
Velocidad (m/s))
126
TABLA 4.6 VALORES DE VELOCIDADES EN LAS SECCIONES DE VESTIGIO EN EL TRAMO DE MODELACIÓN, HEC RAS.
Nombre de la Sección Velocidad (m/s)
Cashapamba Basurero 9,40
Urbanización Cashapamba 14,66
Urbanización La Colina 12,34
La Betania 12,58
Megamaxi 15,45
La Armenia Cantera 11,16
Sangolquí Ejido 12,29
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
En la tabla 4.6, se muestra los valores de velocidades para las secciones de
vestigio con el valor más bajo en la sección Cashapamba Basurero con 9,40 m,
mientras que la sección con mayor velocidad es la de Megamaxi en el río Pita con
un valor de 15,45 m. En el anexo 3 se encuentra el mapa de velocidades
resultado de la simulación.
4.3 RESULTADOS SIMULACIÓN IBER
4.3.1 Resultados Sin Turbulencia
Al finalizar la simulación bidimensional se obtuvo el hidrograma de salida en el
programa Iber mostrado en la figura 4.8 observando el caudal pico
correspondiente a 21.108,537 m3/s.
127
FIGURA 4.8. HIDROGRAMA DE SALIDA GENERADO POR LAS TRES CORRIDAS RESPECTIVAS PARA LA MODELACIÓN BIDIMENSIONAL.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA 4.7 VALORES TOMADOS DE LOS RESULTADOS DEL CAUDAL DE SALIDA VS TIEMPO OBTENIDAS DE LA CORRIDA EN EL PROGRAMA IBER.
Tiempo (s) Caudal (m3/s)
3.240,039 3.974,995
3.300,032 7.753,953
3.360,017 10.402,860
3.420,006 9.839,125
3.480,008 16.134,100
3.540,012 18.388,887
3.600,020 19.730,849
3.660,006 20.104,535
3.720,018 19.662,203
3.780,012 20.239,187
3.840,013 20.576,867
3.900,037 20.745,968
3.960,030 21.181,433
4.020,009 20.676,561
4.080,039 21.443,015
4.140,006 20.595,907
4.200,003 20.496,332
4.260,025 19.832,999
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 50 100 150 200 250
Cau
dal
(m
3/s
)
Tiempo (min)
Hidrograma de Salida-Escenario 3 (Río San Pedro )
128
4.320,042 19.760,969
4.380,003 19.549,796
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
De las corridas realizadas se obtuvo caudales picos muy similares como se
observa en la tabla 4.8 y sus respectivos volúmenes de los hidrogramas
obtenidos que se presentan a continuación.
TABLA 4.8 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS DE CAUDALES PICO Y VOLUMEN DE LOS HIDROGRAMAS DE SALIDA.
Número de Simulación Caudal Pico (m3/s) Volumen (m3)
Corrida 21.108,537 49´039.722,64
Corrida_1 23.016,182 49´079.235,46
Corrida_2 21.443,015 48’969.326,04
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Con la opción de Post proceso ya explicada anteriormente en la Figura 3.80 se
obtiene los mapas que nos permiten observar los resultados de velocidad, calado,
número de Froude y energía de forma visual mediante la escala de colores en las
respectivas secciones realizadas en los diferentes vestigios que son los que se
serán detalladas cada sección a continuación y mapas respectivamente.
Calados
En la tabla 4.9 se detalla los resultados de calados de los vestigios de las
secciones ya nombradas y en la figura 4.9 tenemos un mapa que presenta la
variación de valores mediante la escala de colores y en la parte de anexo 4
tenemos la gráfica de sección transversal respectiva de cada sección.
Con valores de calado que fluctúan entre 0,01 a 35,362 m, observando la escala
de colores del mapa las secciones de vestigios Cashapamba Basurero 00,1 a
3,938 m; Urbanización Cashapamba 7,866 a 11,794 m; Urbanización La Colina
7,866 a 11,794 m; La Betania 3,938 a 7,866 m; Megamaxi 0,01 a 3,938 m;
Armenia 0,01 a 3,938 m; Sangolquí-Ejido 0,01 a 3,938 m.
129
FIGURA 4.9. MAPA DE CALADOS CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL SIN TURBULENCIA EN EL PROGRAMA IBER.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
130
TABLA 4.9 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HDRÁULICOS DE CALADOS SIN TURBULENCIA OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER.
Nombre de la Sección Calado (m)
Cashapamba Basurero 21,34
Urb. Cashapamba 10,92
Urb. La Colina 12,18
La Betania 12,69
Megamaxi 9,94
Sangolquí - Ejido 9,27
La Armenia Cantera 16,49
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Como se observa en la tabla 4.9 ya presentada se observan valores que oscilan
de 9,27 a 21,34 m de las secciones Sangolquí – Ejido y Cashapamba Basurero
respectivamente.
Velocidades
La tabla 4.10 detalla los resultados de velocidades de los vestigios y en la figura
4.10 tenemos un mapa que presenta la variación de valores mediante la escala
de colores.
TABLA 4.10 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HDRÁULICOS DE VELOCIDADES SIN TURBULENCIA OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER.
Nombre de la Sección Velocidad (m/s)
Cashapamba Basurero 13.137
Urb. Cashapamba 18.816
Urb. La Colina 7.681
La Betania 16.075
Megamaxi 16.381
Sangolquí - Ejido 12.927
La Armenia Cantera 17.498
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
En la tabla 4.10 detalla los diferentes valores de velocidades de los vestigios que
van desde 7,681 a 18,816 m/s de las secciones Urbanización La Colina y
Urbanización Cashapamba respectivamente.
131
FIGURA 4.10. MAPA DE VELOCIDADES CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL SIN TURBULENCIA EN EL PROGRAMA IBER.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
Con valores de velocidad que fluctúan entre 0,000391 a 87,013 m/s, observando
la escala de colores del mapa las secciones de vestigios toman un color azul
marino lo cual están entre los valores de 0,000391 a 96,684 m/s.
132
Número de Froude
En la tabla 4.11 se detalla los resultados de número de Froude de los vestigios y
en la figura 4.11 tenemos un mapa que presenta la variación de valores mediante
la escala de colores.
Con valores de número de Froudee que fluctúan entre 0 a 56,176, observando la
escala de colores del mapa las secciones de vestigios toman un color azul marino
lo cual están entre los valores de 0 a 6,2418.
FIGURA 4.11. MAPA DE VALORES DE NÚMERO DE FROUDEE CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
133
TABLA 4.11 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HDRÁULICOS DE NÚMERO DE FROUDE OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER.
Nombre de la Sección Número de Froudee
Cashapamba Basurero 0,2975
Urb. Cashapamba 3,2848
Urb. La Colina 2,9938
La Betania 1,5461
Megamaxi 1,4312
Sangolquí – Ejido 5,6241
Armenia Cantera 3,1826
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
En la tabla 4.11 detalla los diferentes valores de número de Froude de los
vestigios que van desde 0,2975 a 5,6241 de las secciones Cashapamba y
Sangolquí –Ejido respectivamente.
Energía
En la tabla 4.12 se detalla los resultados de valores de energía de los vestigios y
en la figura 4.12 tenemos un mapa que presenta la variación de valores mediante
la escala de colores.
En al figura 4.12, se indica con valores energía que fluctúan entre 2.393,6 a
2.572,6 m, observando la escala de colores del mapa las secciones de vestigios
Cashapamba Basurero 2.512,8 a 2.532,8 m; Urbanización Cashapamba 2.492,9 a
2.512,8 m; Urbanización La Colina 2.492,9 a 2.512,8 m; La Betania 2.473 a
2.492,9 m; Megamaxi 2.453,1 a 2.473 m; Armenia 2.393,3 a 2.413,2 m;
Sangolquí-Ejido 2.492,9 a 2.512,8 m.
En la tabla 4.12 detalla los diferentes valores de Energía de los vestigios que van
desde 2.405,47 a 2.532,98 m de las secciones Armenia Cantera y Cashapamba
Basurero respectivamente.
134
FIGURA 4.12. MAPA DE VALORES DE ENERGÍA CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
135
TABLA 4.12 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HIDRÁULICOS DE ENERGÍA OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER.
Nombre de la Sección Energía (m)
Cashapamba Basurero 2.532,98
Urb. Cashapamba 2.508,20
Urb. La Colina 2.494,22
La Betania 2.487,22
Megamaxi 2.469,58
Sangolquí – Ejido 2.500,08
Armenia Cantera 2.405,47
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
4.3.2 Resultados Con Turbulencia
Para la simulación numérica de modelo de turbulencia se utilizará los mismos
parámetros como es la geometría mediante el RTIN con lados del polígono de
12m y 9m respectivamente y la tolerancia de 0.1m, igual se utilizara la malla no
estructurada de 9m*9m.
Los hidrogramas de entrada y las condiciones de contorno se mantendrán las
mismas utilizadas en la simulación bidimensional de modelo hidrodinámico,
además se añadirá el modelo de turbulencia k - ɛ de Rastogi y Rodi usado en esta
simulación.
136
FIGURA 4.13. VESTIGIO EN LA ZONA A MODELAR PARROQUIA SANGOLQUÍ.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
De la simulación se obtuvo el hidrograma de salida con un caudal pico de
alrededor de 21.503,4 m3/s y un volumen de 49´049.633.23 m3, el tiempo de
simulación de 12000 segundos como se muestra en la tabla 4.13.
TABLA 4.13 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS DE CAUDALES PICO Y VOLUMEN DE LOS HIDROGRAMAS DE SALIDA CON TURBULENCIA.
# Caudal Pico (m3/s) Volumen ( m3)
Turbulencia 21.503,355 49´049.633,23
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
137
FIGURA 4.14. HIDROGRAMA DE SALIDA CORRESPONDIENTE A LA SIMULACIÓN BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA.
Elaborado: Betancurt - Macas, 2017
TABLA 4.14 VALORES TOMADOS DE LOS RESULTADOS DEL CAUDAL DE SALIDA VS TIEMPO OBTENIDAS DE LA CORRIDA EN EL PROGRAMA IBER CON TURBULENCIA.
Tiempo (s) Q salida (m3/s)
3.240,044 3.792,526
3.300,054 7.602,280
3.360,006 8.968,240
3.420,051 13.452,087
3.480,039 15.220,280
3.540,027 17.689,654
3.600,038 18.728,875
3.660,022 19.554,236
3.720,016 19.594,831
3.780,016 20.371,388
3.840,037 20.623,067
3.900,035 20.642,298
3.960,039 21.212,812
4.020,013 20.647,861
4.080,024 21.503,355
4.140,003 20.437,991
4.200,038 20.493,848
4.260,022 19.788,575
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
0
5000
10000
15000
20000
25000
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Cau
dal
Sal
ida
(m^3
/s)
Tiempo (s)
HIGROGRAMA DE SALIDA
138
De igual manera con la opción de Post proceso ya explicada anteriormente en la
Figura 3.52 nos permite observar los resultados de forma visual mediante la
escala de colores en las diferentes secciones de vestigio obteniendo los valores
velocidad, calado, número de Froudee, energía y turbulencia que serán
detalladas.
Calados
En la tabla 4.15 se detalla los resultados de calados de los vestigios y en la figura
4.15 tenemos un mapa que presenta la variación de valores mediante la escala
de colores y en la parte de anexo 5 tenemos la gráfica de sección transversal
respectiva de cada sección.
FIGURA 4.15. MAPA DE CALADOS CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA EN EL PROGRAMA IBER.
Elaborado por: Betancurt - Macas, 2017.
139
Con valores de calado que fluctúan entre 0,01 a 35,339 m, observando la escala
de colores del mapa las secciones de vestigios Cashapamba Basurero 11,786 a
15,712 m; Urbanización Cashapamba 7,866 a 11,786 m; Urbanización La Colina
7,860 a 11,786 m; La Betania 3,935 a 7,860 m; Megamaxi 3,938 a 7,866 m;
Armenia 11,786 a 15,712 m; Sangolquí-Ejido 3,935 a 7,866 m
TABLA 4.15 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HIDRÁULICOS DE CALADOS OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER.
Nombre de la Sección Velocidad (m/s)
Cashapamba Basurero 9,776
Urbanización Cashapamba 14,750
Urbanización La Colina 13,119
La Betania 12,158
Megamaxi 15,969
Sangolquí Ejido 12,947
La Armenia Cantera 14,389
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017. En la tabla 4.15 detalla los diferentes valores de calados de los vestigios que van
desde 9,2234 a 35,5835 m de las secciones Megamaxi y Cashapamba Basurero
respectivamente.
Velocidades
En la tabla 4.16 se detalla los resultados de velocidades de los vestigios y en la
figura 4.16 tenemos un mapa que presenta la variación de valores mediante la
escala de colores.
En la figura 4.16 se muestra con valores de velocidad que fluctúan entre
0,00019746 a 133,55 m/s, observando la escala de colores del mapa las
secciones de vestigios toman un color azul marino lo cual están entre los valores
de 0,00019746 a 14,84 m/s.
140
FIGURA 4.16. MAPA DE VELOCIDADES CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA EN EL PROGRAMA IBER
Elaborado por: Betancurt - Macas, 2017.
141
TABLA 4.16 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HIDRÁULICOS DE VELOCIDADES OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER.
Nombre de la Sección Velocidad (m/s)
Cashapamba Basurero 12,7675
Urb. Cashapamba 18,8071
Urb. La Colina 19,3998
La Betania 16,3409
Megamaxi 15,9688
Sangolquí - Ejido 12,9469
Armenia Cantera 17,4477 Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
En la tabla 4.16 detalla los diferentes valores de velocidades de los vestigios que
van desde 12,7675 a 19,3998 m/s de las secciones Cashapamba Basurero y
Urbanización La Colina respectivamente.
Energía
En la tabla 4.17 detalla los resultados de valores de energía de los vestigios y en
la figura 4.17 tenemos un mapa que presenta la variación de valores mediante la
escala de colores.
En la figura 4.17, se indica con valores de energía que fluctúan entre 2.303,3 a
2.572,6 m, observando la escala de colores del mapa las secciones de vestigios
Cashapamba Basurero 2.512,8 a 2.532,8 m; Urbanización Cashapamba 2.492,9 a
2.512,8 m; Urbanización La Colina 2.492,9 a 2.512,8 m; La Betania 2.473 a
2.492,9 m; Megamaxi 2.453,1 a 2.473 m; Armenia 2.393,3 a 2.413,2 m;
Sangolquí-Ejido 2.492,9 a 2.512,8 m.
142
FIGURA 4.17. MAPA DE VALORES DE ENERGÍA CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA
Elaborado por: Betancurt - Macas, 2017.
143
TABLA 4.17 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HDRÁULICOS DE ENERGÍA OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER.
Nombre de la Sección Energía (m)
Cashapamba Basurero 2.532,98
Urb. Cashapamba 2.508,20
Urb. La Colina 2.494,22
La Betania 2.487,22
Megamaxi 2.469,58
Sangolquí – Ejido 2.500,08
Armenia Cantera 2.405,47
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
En la tabla 4.11 detalla los diferentes valores de Energía de los vestigios que van
desde 2.405,47 a 2.532,98 m de las secciones Armenia Cantera y Cashapamaba
Basurero respectivamente.
Número de Froude
En la tabla 4.18 se detalla los resultados del de los vestigios y en la figura 4.18
tenemos un mapa que presenta la variación de valores mediante la escala de
colores.
144
FIGURA 4.18. MAPA DE VALORES DE NÚMERO DE FROUDE CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA.
Elaborado por: Betancurt - Macas, 2017.
145
Con valores de número de Froudee que fluctúan entre 0 a 78,6 m, observando la
escala de colores del mapa las secciones de vestigios toman un color azul marino
lo cual están entre los valores de 0 a 8,7333.
TABLA 4.18 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS HDRÁULICOS DE NÚMERO DE FROUDE OBTENIDOS DEL PROGRAMA IBER.
Nombre de la Sección Número de Froude
Cashapamba Basurero 0,2975
Urb. Cashapamba 3,2848
Urb. La Colina 2,9938
La Betania 1,5461
Megamaxi 1,4312
Sangolquí - Ejido 5,6241
Armenia Cantera 3,1826
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
En la tabla 4.18 detalla los diferentes valores de número de Froude de los
vestigios que van desde 0,2975 a 5,6241 de las secciones Cashapamba
Basurero y Sangolquí – Ejido respectivamente.
4.4 ANÁLISIS COMPARATIVO HEC RAS 2D E IBER.
Para el análisis comparativo de los resultados obtenidos de las simulaciones
realizadas en los paquetes computacionales Hec Ras en dos dimensiones e Iber,
se los ha dividido en sin turbulencia y con turbulencia, analizando los valores de
calado, velocidad, hidrogramas de salida y volúmenes.
4.4.1.1 Comparación Sin Turbulencia
Calados
Para la comparación de calados entre los dos programas se debe analizar las
tablas 4.2 y 4.9, donde se observa que la similitud de calados en secciones como
Urbanización Cashapamba, Urbanización La Colina, La Betania, Megamaxi,
146
Sangolquí – Ejido, La Armenia Cantera es más del 90% como se muestra en la
tabla 4.20, mientras que para la sección Cashapamba Basurero posee tan solo un
porcentaje del 60,27%.
TABLA 4.19 COMPARACIÓN DE CALADOS ENTRE LOS PROGRAMAS HEC RAS E IBER.
Nombre de la Sección Calado Hec Ras
(m) Calado Iber
(m) Porcentaje de
Similitud
Cashapamba Basurero 21,34 35,40 60,27
Urb. Cashapamba 10,92 10,50 96,20
Urb. La Colina 12,18 12,18 100,00
La Betania 12,69 13,20 96,16
Megamaxi 9,94 10,16 97,85
Sangolquí - Ejido 9,27 9,39 98,64
La Armenia Cantera 16,49 16,93 97,40
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017. Velocidades
Para la comparación de velocidades entre los dos programas se debe analizar las
tablas 4.3 y 4.10, donde se observa que la similitud de velocidades en secciones
como Urbanización Cashapamba, Urbanización La Colina, La Betania, Megamaxi,
Sangolquí – Ejido, La Armenia Cantera es más del 90% como se muestra en la
tabla 4.21, mientras que para la sección Cashapamba Basurero posee tan solo un
porcentaje del 69,73%.
TABLA 4.20 COMPARACIÓN DE VELOCIDADES ENTRE LOS PROGRAMAS HEC RAS E IBER.
Nombre de la Sección Velocidad Hec
Ras (m/s) Velocidad Iber
(m/s) Porcentaje de Similitud (%)
Cashapamba Basurero 9,16 13,14 69,73
Urb. Cashapamba 19,39 18,82 97,03
Urb. La Colina 8,13 7,68 94,46
La Betania 16,94 16,08 94,87
Megamaxi 15,89 16,38 96,98
Sangolquí - Ejido 17,32 17,50 98,99
La Armenia Cantera 12,86 12,93 99,45
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
147
Caudal Pico y Volumen de Salida
Los caudales pico poseen un porcentaje de similitud del 78,8% para una
simulación sin turbulencia, como se muestra en la tabla 4.22, mientras con
respecto al volumen de salida cuenta con una semejanza del 93,5%.
TABLA 4.21 COMPARACIÓN DE CAUDALES PICO Y VOLUMENES ENTRE LOS PROGRAMAS HEC RAS E IBER.
Software Caudal Pico
(m3/s) Porcentaje de Similitud (%) Volumen (m3)
Porcentaje de Similitud (%)
Hec Ras 2D 27.216,85 78,8
49´717.470,0 98,50
Iber 21.443,02 48´969.326,0
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017. Mapa de Inundación en la Zona de Estudio
FIGURA 4.19. MAPA DE VALORES DE TURBULENCIA CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL SIN TURBULENCIA.
148
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017. En la figura 4.20 se visualiza las dos manchas de inundación dentro del polígono
modelado, con una coincidencia casi en su totalidad, tan solo habiendo tres zonas
de pequeñas áreas donde no existe semejanza.
4.4.1.2 Comparación Con Turbulencia
Calados
Para la comparación de calados entre los dos programas se debe analizar las
tablas 4.6 y 4.16, donde se observa que la similitud de calados en secciones como
Urbanización Cashapamba, Urbanización La Colina, La Betania, Megamaxi,
Sangolquí – Ejido, Cashapamba Basurero es más del 90% como se muestra en
la tabla 4.23, mientras que para la sección La Armenia Cantera posee un
porcentaje del 87%.
TABLA 4.22 COMPARACIÓN DE CALADOS ENTRE LOS PROGRAMAS HEC RAS E IBER, CON TURBULENCIA.
Nombre de la Sección Calado Hec Ras
(m) Calado Iber
(m) Porcentaje de Similitud
Cashapamba Basurero 35,58 35,58 100,0
Urbanización Cashapamba 17,74 17,79 99,7
Urbanización La Colina 16,22 15,77 97,3
La Betania 14,02 14,03 100,0
Megamaxi 9,22 9,22 100,0
La Armenia Cantera 19,98 17,38 87,0
Sangolquí Ejido 12,35 11,45 92,8
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017. Velocidades
Para la comparación de velocidades entre los dos programas se debe analizar las
tablas 4.3 y 4.10, donde se observa que la similitud de velocidades en secciones
como Urbanización Cashapamba, Urbanización La Colina, La Betania, Megamaxi,
Sangolquí – Ejido, Cashapamba Basurero es más del 90% como se muestra en
la tabla 4.24, mientras que para la sección La Armenia Cantera posee tan solo un
porcentaje del 77,57%.
149
TABLA 4.23 COMPARACIÓN DE VELOCIDADES ENTRE LOS PROGRAMAS HEC RAS E IBER, CON TURBULENCIA.
Sección Velocidad Hec
Ras (m/s) Velocidad Iber (m/s) Porcentaje de Similitud (%)
Cashapamba Basurero 9,40 9,78 96,17
Urbanización Cashapamba 14,66 14,75 99,39
Urbanización La Colina 12,34 13,12 94,03
La Betania 12,58 12,16 96,63
Megamaxi 15,45 15,97 96,74
La Armenia Cantera 11,16 14,39 77,57
Sangolquí Ejido 12,29 12,95 94,96
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
Caudal Pico y Volumen de Salida
Los caudales pico poseen un porcentaje de similitud del 78.8% para una
simulación sin turbulencia, como se muestra en la tabla 4.25, mientras con
respecto al volumen de salida cuenta con una semejanza del 93.5%.
TABLA 4.24 COMPARACIÓN DE CAUDALES PICO Y VOLUMENES ENTRE LOS PROGRAMAS HEC RAS E IBER.
Software Caudal Pico
(m3/s) Porcentaje de Similitud (%) Volumen (m3)
Porcentaje de Similitud ( %)
Hec Ras 2D 19.610,7 91,2
49´142.350,0 99,8
Iber 21.503,4 49´049.633,2
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
Mapa de Inundación en la Zona de Estudio
Como se puede observar en la figura 4.21 la similitud entre los mapas de
inundación de la simulación con turbulencia es alta a lo largo del tramo modelado,
solo con ciertas zonas que difieren muy poco.
150
FIGURA 4.20. MAPA DE VALORES DE TURBULENCIA CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL CON TURBULENCIA.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
151
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
5.1 CONCLUSIONES
¨ Varios autores clasifican a los lahares del Cotopaxi en el drenaje norte como
flujos hiperconcentrados y granulares, que a su vez pueden ser representados
como un fluido dilatante, con características parecidas a las de un fluido
newtoniano, lo cual permite concluir que es factible realizar la modelación
numérica haciendo uso de la ecuación de Manning en agua, que es utilizada
en los dos paquetes computacionales para este trabajo, lo cual indica que
estos dos programas pueden modelar flujo de lahares.
¨ Suponiendo que el levantamiento de vestigios en la zona simulada represente
totalmente la erupción del volcán Cotopaxi suscitada en 1877, se puede inferir
que la calibración efectuada en el software Hec Ras tiene un alto grado de
precisión ya que de las siete secciones analizadas tan solo una no obtuvo un
porcentaje mayor al 90% de coincidencia entre los calados hallados en campo
con los producto de la corrida en dicha calibración.
¨ Los coeficientes de Manning utilizados para la calibración para este presente
trabajo van en un rango de 0.016 a 0.040 por lo que si aprobaría debido a que
para la parroquia de Sangolquí del tramo del río Santa Clara
geomorfológicamente es una zona plana.
¨ Las características y propiedades de la nueva versión del software Hec Ras,
son de gran utilidad para los investigadores ya que no solo se puede realizar
modelaciones unidimensionales como en versiones anteriores sino que
también da la posibilidad de ejecutar modelaciones bidimensionales y mixtas
entre una dimensión y dos dimensiones. Además, de contar con una
152
herramienta interactiva y entretenida que facilita la visualización de resultados
como es la interfaz Ras Mapper.
¨ En la simulación en el programa Hec Ras la superficie de rugosidad, es
introducida al igual que en el programa Iber a través de una capa de uso de
suelo mediante la herramienta Ras Mapper.
¨ El tiempo de simulación del modelo efectuado en el programa Hec-Ras para
flujo sin turbulencia, fue aproximadamente cuatro veces mayor en comparación
al programa Iber, esto puede deberse a que en Hec Ras el mallado generado
fue estructurado, mientras que en Iber se trata de un mallado no estructurado.
¨ El tiempo de simulación del modelo efectuado en el programa Iber para flujo
con turbulencia, fue aproximadamente de cinco días mientras que para el
software Hec Ras tan solo de 34 horas, posiblemente porque en los dos
programas se usa diferente modelo de turbulencia, como es en el caso de Iber
el k-ε y para Hec Ras el modelo Eddy Viscosity (Viscosidad de remolino).
¨ Examinando las dos simulaciones sin turbulencia efectuadas en los paquetes
computacionales Hec Ras e Iber, se obtuvo que la similitud en resultados de
estos dos programas en calado, velocidad y mapa de inundación tienen
porcentajes de semejanza mayores al 90% en casi todas las secciones,
mientras que para el caudal pico del hidrograma de salida tan solo existe un
porcentaje de 78.8% y para el volumen de salida de 98.5%, lo que representan
gran similitud.
¨ En casos con turbulencia, los análisis de las dos simulaciones
computacionales Hec Ras e Iber, se encontró que la similitud en resultados de
estos dos programas en calado, velocidad y mapa de inundación tienen
porcentajes de semejanza mayores al 90% en casi todas las secciones,
mientras que para el caudal pico del hidrograma de salida existe un porcentaje
de 91.2% y para el volumen de salida de 98.8%, esto indica que los dos
programas tienen un comportamiento similar en los modelos con turbulencia.
153
¨ Entre las principales ventajas que se hallaron en el paquete computacional
Hec Ras en dos dimensiones, es que brinda de forma didáctica la realización
de la simulación, además de tener accesibilidad a integrar imágenes, shapes,
exportados desde un programa de manejo de sistemas de información
geográfica para la recopilación de resultados después de la modelación. Entre
las restricciones presentes en este paquete computacional es que no permite
la incorporación de estructuras hidráulicas en la modelación bidimensional,
haciendo necesario tener una modelación combinada, otra desventaja es que
para un flujo no turbulento el tiempo de simulación sobrepasa cuatro veces
más a la realizada en Iber.
¨ El tamaño de malla que se elija es relevante ya que mientras más fina es, la
misma se requiere un tiempo de cálculo representativo y viceversa,
determinando que los resultados serán más exactos y con un alto nivel de
detalle, y para un mejor estudio de la geometría, la simulación fue realizada de
manera no estructurada para que se adapte de mejor manera a la topografía y
con una malla de 9x9m debido a su extensa área a modelar.
¨ El proceso de cálculo en el programa Iber y Hec Ras es por del método de
volúmenes finitos que requiere la resolución de ecuaciones diferenciales,
obteniendo resultados casi muy aproximados entre los dos paquetes
computacionales.
¨ En programa Iber genera más resultados hidráulicos como es el caso de
calados, velocidades, número de Froude, energía, cota de agua, Manning,
caudal específico entre otras, mientras que el programa Hec Ras brinda
resultados únicamente de calado y velocidad por lo cual en este estudio solo
se compararon estos dos parámetros hidráulicos.
154
5.2 TRABAJOS FUTUROS Y RECOMENDACIONES
· Se recomienda la realización de las simulaciones, en ordenadores con
hardware de alto desempeño como una tarjeta de video de gran capacidad
que permita una visualización de los resultados de las simulaciones que se
necesita en la modelación.
· Se recomienda que al ingresar los datos de hidrogramas de entrada nos
percatemos que se encuentren debidamente ordenados y sin errores, es
decir con punto en la separación de decimales para que no tenga
problemas durante la ejecución de la corrida.
· Es recomendable realizar al menos dos simulaciones en el tramo estudiado
ya que evitara errores en los resultados presentados, debido a la
manipulación incorrecta del software por parte del investigador en el
ingreso de condiciones de borde entre otros.
· Para trabajos futuros se debe realizar simulaciones en el programa Hec
Ras con tamaños de mallados superiores al usado en este trabajo, ya que
permitirá analizar las diferencias de resultados tanto de calados, como en
volúmenes y velocidades.
· Para investigaciones futuras se recomienda que no solo se realicen
modelaciones con flujo de lahares sino con otro de tipo de fluidos como
agua y que puedan ser comparados igualmente,
· Se recomienda realizar simulaciones en el paquete computacional Hec Ras
con la combinación entre flujo unidimensional y bidimensional, con la
implementación de estructuras para observar la aplicabilidad de este tipo
de modelos.
155
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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157
ANEXOS .
158
ANEXO 1
FOTOGRAFÍAS DE LA ZONA DE ESTUDIO, PARROQUIA SANGOLQUÍ
159
FOTOGRAFÍA DEL DE LA SECTOR LA COLINA, PARROQUIA SANGOLQUÍ
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
FOTOGRAFÍA DEL RÍO PITA EN EL SECTOR LA BETANIA
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
160
FOTOGRAFÍA DEL SECTOR LA BETANIA, PARROQUIA SANGOLQUÍ
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
FOTOGRAFÍA DEL SECTOR CASHAPAMBA, PARROQUIA SANGOLQUÍ
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
161
FOTOGRAFÍA DEL SECTOR SELVA ALEGRE, PARROQUIA SANGOLQUÍ
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
162
ANEXO 2
MAPAS DE RESULTADOS EN HEC RAS Y SECCIONES TRANSVERSALES DE VESTIGIO SIN TURBULENCIA
163
MAPA DE CALADOS CORRESPONDIENTE AL TRAMO DE SIMULACIÓN EN HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Calado (m)
164
MAPA DE NIVELES DE FLUJO CORRESPONDIENTE AL TRAMO DE SIMULACIÓN EN HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Nivel de Flujo (msnm)
165
MAPA DE VELOCIDADES CORRESPONDIENTE AL TRAMO DE SIMULACIÓN EN HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Velocidad (m/s)
166
SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO CON
NIVEL DE LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN CASHAPAMBA
BASURERO – ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar
(msnm)
0,0 2.571,5
24,8 2.563,0
51,3 2.551,8
84,5 2.543,2
110,2 2.543,2
135,5 2.543,2
158,7 2.543,2
181,2 2.544,3
203,1 2.542,6
227,5 2.542,4
250,5 2.542,3
274,6 2.542,3
297,9 2.542,3
321,6 2.549,6
334,1 2.555,6
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2510
2520
2530
2540
2550
2560
2570
2580
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO ESCENARIO 3 (RÍO PITA- HEC RAS )
MI
MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
167
SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA CON NIVEL DE LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN URBANIZACIÓN
CASHAPAMBA– ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar
(msnm)
0,0 2.539,5
32,2 2.539,0
62,1 2.537,6
88,8 2.519,4
121,1 2.511,8
152,1 2.508,0
181,5 2.506,4
216,9 2.503,6
249,2 2.506,6
285,2 2.507,9
313,0 2.511,0
345,4 2.518,3
376,0 2.527,2
409,1 2.534,9
438,9 2.539,4
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
2500
2505
2510
2515
2520
2525
2530
2535
2540
2545
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA ESCENARIO 3 (RÍO PITA- HEC RAS )
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
168
SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA CON
NIVEL DE LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN URNANIZACIÓN LA
COLINA – ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar
(msnm)
0,0 2.511,6
31,1 2.508,3
66,0 2.504,1
103,3 2.503,8
149,9 2.503,5
195,0 2.503,2
237,7 2.503,0
271,7 2.502,8
308,5 2.502,7
342,3 2.502,6
371,0 2.502,5
398,9 2.516,9
435,2 2.516,2
478,1 2.518,3
504,0 2.519,2
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
2485
2490
2495
2500
2505
2510
2515
2520
2525
0 100 200 300 400 500 600
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA ESCENARIO 3 (RÍO PITA- HEC RAS )
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
169
SECCIÓN LA BETANIA
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN LA BETANIA CON NIVEL DE LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN LA BETANIA
ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar
(msnm)
0,0 0,0
49,0 49,0
10,6 10,6
15,5 152,5
19,6 195,6
23,8 234,8
28,1 283,1
333,4 333,4
381,0 381,0
417,7 417,7
467,2 467,2
511,1 511,1
563,8 563,8
609,1 609,1
647,2 647,2
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
2480
2485
2490
2495
2500
2505
2510
2515
2520
2525
0 100 200 300 400 500 600 700
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN LA BETANIA ESCENARIO 3 (RÍO PITA- HEC RAS )
MI
MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
170
SECCIÓN MEGAMAXI
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN MEGAMAXI CON NIVEL DE LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN MEGAMAXI
ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar
(msnm)
0,0 2.475,0
36,2 2.475,3
73,2 2.475,5
110,8 2.475,7
148,8 2.475,8
187,1 2.475,9
220,8 2.476,1
258,2 2.476,2
292,3 2.476,3
322,0 2.476,4
350,7 2.476,5
382,6 2.476,6
417.8 2.476,7
450,6 2.476,7
469,4 2.476,7
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
2466
2468
2470
2472
2474
2476
2478
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN MEGAMAXI ESCENARIO 3 (RÍO PITA- HEC RAS )
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
171
SECCIÓN SANGOLQUÍ - EJIDO PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN SANGOLQUÍ EJIDO CON NIVEL DE
LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN SANGOLQUÍ EJIDO
ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar
(msnm)
0,0 2.519,9
31,9 2.520,3
66,8 2.523,7
94,3 2.514,4
12,.0 2.505,2
156,2 2.501,6
188,3 2.501,6
220,5 2.501,5
250,5 2.501,4
281,7 2.501,3
312,7 2.506,1
343,7 2.517,0
376,1 2.522,7
408,7 2.523,3
437,0 2.521,3
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
2490
2495
2500
2505
2510
2515
2520
2525
2530
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN SANGOLQUI - EJIDO ESCENARIO 3 (RÍO SANTA CLARA - HEC RAS )
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
172
SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA CON NIVEL DE LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA
ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar
(msnm)
0,0 2.424,4
14,4 2.418,2
27,3 2.416,8
42,2 2.416,8
53,2 2.416,8
67,7 2.416,9
84,3 2.416,9
98,4 2.416,9
113,8 2.416,9
126,4 2.416,9
141,5 2.416,9
154,3 2.416,9
168,2 2.419,5
181,3 2.428,8
187,2 2.431,2
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
2395
2400
2405
2410
2415
2420
2425
2430
2435
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN LA ARMENIA -CANTERA ESCENARIO 3 (RÍO SAN PEDRO - HEC RAS )
MI
MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
173
ANEXO 3
MAPAS DE RESULTADOS EN HEC RAS Y SECCIONES TRANSVERSALES DE VESTIGIO CON TURBULENCIA
174
MAPA DE CALADOS CORRESPONDIENTE AL TRAMO DE SIMULACIÓN EN HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Calado (m)
175
MAPA DE NIVELES DE FLUJO CORRESPONDIENTE AL TRAMO DE SIMULACIÓN EN HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
Nivel de Flujo (msnm)
176
MAPA DE VELOCIDADES CORRESPONDIENTE AL TRAMO DE SIMULACIÓN EN HEC RAS.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
Velocidad (m/s)
177
SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO CON
NIVEL DE LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN CASHAPAMBA
BASURERO – ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar (msnm)
0,0 2.571,5
24,8 2.563,0
51,3 2.554,6
82,8 2.554,6
104,8 2.554,7
130,2 2.554,9
151,6 2.554,9
175,0 2.555,2
181,2 2.555,6
182,4 2.55,.0
182,9 2.556,4
1840 2.556,5
184,8 2.556,6
186,1 2.556,6
187,1 2.556,6
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2510.00
2520.00
2530.00
2540.00
2550.00
2560.00
2570.00
2580.00
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO ESCENARIO 3 (RÍO PITA- HEC RAS )
MI
MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
178
SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA CON NIVEL DE LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN URBANIZACIÓN
CASHAPAMBA– ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar (msnm)
0,0 2.539,5
30,4 2.539,0
61,7 2.537,7
88,8 2.520,7
119,6 2.520,7
152,1 2.520,8
184,2 2.520.7
218,0 2.521,4
250,1 2.520,5
286,2 2.517,8
316,0 2.516,2
349,4 2.519,5
381,1 2.528,6
416,2 2.536,4
438,9 2.539,4
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2500
2505
2510
2515
2520
2525
2530
2535
2540
2545
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA ESCENARIO 3 (RÍO PITA- HEC RAS )
MI
MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
179
SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA CON
NIVEL DE LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN URNANIZACIÓN LA
COLINA – ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar
(msnm)
0,0 2.511,6
29,3 2.508,5
65,4 2.508,3
101,5 2.507,8
148,4 2.507,0
196,5 2.507,1
243,1 2.506,7
277,4 2.507,2
313,7 2.507,3
345,2 2.507,3
375,3 2.507,4
400,8 2.517,2
441,5 2.516,6
480,9 2.518,4
504,0 2.519,2
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2485
2490
2495
2500
2505
2510
2515
2520
2525
0 100 200 300 400 500 600
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA ESCENARIO 3 (RÍO PITA- HEC RAS )
MI
MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
180
SECCIÓN LA BETANIA
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN LA BETANIA CON NIVEL DE LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN LA BETANIA
ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar
(msnm)
0,0 0,0
49,0 49,0
10,.6 104,6
152,5 152,5
195,6 195,6
234,8 234,8
283,1 283,1
333,4 333,4
381,0 381,0
417,7 417,7
467,2 467,2
511,1 511,1
563,8 563,8
609,1 609,1
647,2 647,2
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2480
2485
2490
2495
2500
2505
2510
2515
2520
2525
0 100 200 300 400 500 600 700
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN LA BETANIAESCENARIO 3 (RÍO PITA- HEC RAS )
MI
MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
181
SECCIÓN MEGAMAXI
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN MEGAMAXI CON NIVEL DE LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN MEGAMAXI
ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar
(msnm)
0,0 2.475,1
35,4 2.475,3
73,2 2.475,5
111,5 2.476,0
147,2 2.476,5
182,4 2.476,7
212,9 2.476,7
250,1 2.476,2
283,0 2.475,8
315,0 2.478,0
343,8 2.478,1
373,0 2.477,5
406,5 2.476,8
443,8 2.476,7
469,4 2.477,0
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2464
2466
2468
2470
2472
2474
2476
2478
2480
0 100 200 300 400 500
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA ESCENARIO 3 (RÍO PITA- HEC RAS )
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
182
SECCIÓN SANGOLQUÍ - EJIDO PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN SANGOLQUÍ EJIDO CON NIVEL DE
LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN SANGOLQUÍ EJIDO
ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar
(msnm)
0,0 2.519,9
30,8 2.520,3
63,5 2.523,7
91,6 2.515,8
119,4 2.505,8
153,3 2.505,1
185,3 2.504,8
218,3 2.504,6
248,8 2.504,5
281,7 2.504,9
311,7 2.505,7
341,6 2.516,5
376,1 2.522,7
408,2 2.523,4
437,0 2.521,3
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2490
2495
2500
2505
2510
2515
2520
2525
2530
0 100 200 300 400 500
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA ESCENARIO 3 (RÍO PITA- HEC RAS )
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
183
SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA CON NIVEL DE LAHAR – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA
ESCENARIO 3.
X (m) Nivel Lahar
(msnm)
0,0 2.424,4
13,3 2.420,1
27,3 2.420,2
42,2 2.420,3
53,2 2.420,5
67,7 2.420,4
85,5 2.420,6
100,2 2.421,0
116,1 2.421,2
129,3 2.421,1
146,1 2.420,9
158,6 2.421,0
172,8 2.423,1
186,0 2.430,9
187,2 2.431,2
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2395
2400
2405
2410
2415
2420
2425
2430
2435
0 50 100 150 200
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA ESCENARIO 3 (RÍO PITA- HEC RAS )
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
184
ANEXO 4
MAPAS DE RESULTADOS EN IBER Y SECCIONES TRANSVERSALES DE VESTIGIO SIN TURBULENCIA
185
MAPA DE CAUDALES ESPECIFICOS CORRESPONDIENTE AL MODELO CALIBRADO.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Con valores de caudal especifico que fluctúan entre 1,116e^-06 a 953,97 m2/s,
observando la escala de colores del mapa las secciones de vestigios
Cashapamba Basurero 211,99 a 317,99 m2/s; Urbanización Cashapamba 211,99
a 317,99 m2/s; Urbanización La Colina 211,99 a 317,99 m2/s; La Betania 106 a
211,99 m2/s; Megamaxi 106 a 211,99 m2/s; Armenia 211,99 a 317,99 m2/s;
Sangolquí-Ejido 1,116e^-06 a 106 m2/s.
186
MAPA DE COTAS DE AGUA CORRESPONDIENTE AL MODELO CALIBRADO.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Con valores de cota de agua que fluctúan entre 2.397,1 a 2.599,2 m^2/s,
observando la escala de colores del mapa las secciones de vestigios
Cashapamba Basurero 2.531,8 a 2.554,3 m; Urbanización Cashapamba 2,486,9 a
2.509 m; Urbanización La Colina 2.486,9 a 2.509 m; La Betania 2.486,9 a 2.509
m; Megamaxi 2.464,5 a 2.486,9 m; Armenia 2.419,5 a 2.442 m; Sangolquí- Ejido
2.486,9 a 2.509 m que son valores importantes en medidas de mitigación.
187
MAPA DE VALORES DE MANNING CORRESPONDIENTE AL TRAMO DE SIMULACIÓN
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Con valores de manning que fluctúan entre 0,016 y 0,04, observando la escala de
colores del mapa las secciones de vestigios Cashapamba Basurero 0,0213 a
0,024; Urbanización Cashapamba 0,0186 a 0,0213; Urbanización La Colina
0,0373 a 0,04 ; La Betania 0,0373 a 0,04; Megamaxi 0,0186 a 0,0213; Armenia
0,032 a 0,0346; Sangolquí-Ejido 0,0186 a 0,0213.
188
SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO CON
NIVEL DE LAHAR PROGRAMA IBER- ESCENARIO 3
Elaborado por: Betancurt – Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCION CASHAPAMBA BASURERO – ESCENARIO 3
X Nivel Calado
(msnm)
60,956 2.551,790
64,276 2.551,820
104,160 2.552,260
110,636 2.552,340
139,188 2.552,950
142,362 2.553,020
178,616 2.553,180
181,819 2.553,320
221,554 2.555,170
229,916 2.555,480
260,977 2.556,180
318,162 2.556,730
321,575 2.556,760
353,295 2.556,840
Elaborado por: Betancurt – Macas, 2017.
2510
2520
2530
2540
2550
2560
2570
2580
0.000 50.000 100.000 150.000 200.000 250.000 300.000 350.000 400.000
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO ESCENARIO 3 (RÍO PITA - IBER)
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
189
SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA
CON NIVEL DE LAHAR PROGRAMA IBER – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt – Macas, 2017
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCION URBANIZACIÓN
CASHAPAMBA - ESCENARIO 3
X Nivel Lahar (msnm)
99,485 2.517,430
102,605 2.517,410
119,232 2.517,410
124,342 2.517,350
140,632 2.517,110
145,751 2.517,030
161,029 2.516,770
162,032 2.516,760
235,106 2.523,760
244,265 2.522,870
261,667 2.519,510
266,751 2.518,150
290,032 2.514,570
295,099 2.514,030
319,674 2.511,480
Elaborado por: Betancurt – Macas, 2017.
2500
2505
2510
2515
2520
2525
2530
2535
2540
2545
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN URBNIZACION CASHAPAMBA ESCENARIO 3 (RÍO PITA - IBER)
MI
MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
190
SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA CON
NIVEL DE LAHAR PROGRAMA IBER – ESCENARIO 3
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCION URBANIZACIÓN LA
COLINA - ESCENARIO 3
X Nivel Lahar (msnm)
131,995 2.506,010
136,512 2.505,490
156,384 2.503,160
159,486 2.503,190
181,099 2.503,270
182,105 2.503,290
205,220 2.503,430
205,223 2.503420
231,273 2.502,600
239,290 2.502,320
265,364 2.503,270
269,389 2.503,330
325,696 2.503,750
329,707 2.504,220
449,215 2.503,470
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2485
2490
2495
2500
2505
2510
2515
2520
2525
0 100 200 300 400 500 600
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN URBANIZACON LA COLINA ESCENARIO 3 (RÍO PITA - IBER)
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
191
SECCIÓN LA BETANIA
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN LA BETANIA CON NIVEL DE
LAHAR PROGRAMA IBER – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN LA BETANIA
ESCENARIO 3
X Nivel Lahar
(msnm)
0,000 2.497,610
6,268 2.497,710
69,858 2.497,140
74,957 2.497,110
130,674 2.497,220
131,614 2.497,200
219,701 2.496,520
225,396 2.496,250
264,957 2.496,380
266,396 2.496,450
349,970 2.497,200
351,722 2.497,240
384,340 2.497,220
386,465 2.497,190
430,758 2.497,170
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2480
2485
2490
2495
2500
2505
2510
2515
2520
2525
0 100 200 300 400 500 600 700
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN LA BETAÑA ESCENARIO 3 (RÍO PITA - IBER)
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
192
SECCIÓN MEGAMAXI PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN MEGAMAXI CON NIVEL DE LAHAR
PROGRAMA IBER – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN MEGAMAXI
ESCENARIO 3
X Nivel Lahar (msnm)
0,000 2.475,400
5,836 2.475,440
47,765 2.475,500
48,813 2.475,490
111,858 2.475,850
116,516 2.475,880
168,132 2.475,980
175,944 2.475,910
219,713 2.475,580
224,372 2.475,650
271,959 2.475,360
279,258 2.475,380
324,363 2.478,810
330,765 2.478,750
471,230 2.476,630
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2466
2468
2470
2472
2474
2476
2478
2480
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN MEGAMAXI ESCENARIO 3 (RÍO PITA - IBER)
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
193
SECCIÓN SANGOLQUÍ EJIDO PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN SANGOLQUI – EJIDO CON NIVEL
DE LAHAR PROGRAMA IBER – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN SANGOLQUI - EJIDO
ESCENARIO 3
X Nivel Lahar (msnm)
0,0000 2.502,9199
1,4591 2.502,9500
20,9822 2.502,7900
27,5342 2.502,7100
55,7299 2.503,3401
62,0415 2.503,5000
98,0130 2.502,7400
104,5640 2.502,1899
123,2790 2.501,5300
144,5150 2.502,8201
149,5030 2.503,3401
158,0380 2.503,9600
159,6910 2.504,0701
167,4970 2.504,7500
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2490
2492
2494
2496
2498
2500
2502
2504
2506
2508
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN SANGOLQUI EJIDO ESCENARIO 3 (RÍO SANTA CLARA - IBER)
MI
MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
194
SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN ARMENIA CANTERA CON NIVEL
DE LAHAR PROGRAMA IBER – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCION SANGOLQUI - EJIDO
ESCENARIO 3
X Nivel Lahar (msnm)
17,5529 2.415,880
26,7885 2.415,410
37,303699 2.415,240
41,731201 2.415,300
60,568802 2.414,400
92,909203 2.415,940
93,917099 2.415990
126,721 2.417,190
131,117 2.416,800
160,995 2.414,040
161,095 2.414,070
192,351 2.428,280
194,63901 2.429,070
199,25 2.429,740
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2395
2400
2405
2410
2415
2420
2425
2430
2435
0 50 100 150 200 250
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA ESCENARIO 3 (RÍO SAN PEDRO - IBER)
MI
MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
195
ANEXO 5
MAPAS DE RESULTADOS EN IBER Y SECCIONES TRANSVERSALES DE VESTIGIO CON TURBULENCIA
196
MAPA DE CAUDAL ESPECÍFICO CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL.CON TURBUNLENCIA
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Con valores de caudal especifico que fluctúan entre 1,9796e^-06 a 408,14 m2/s,
observando la escala de colores del mapa las secciones de vestigios
Cashapamba Basurero 272,09 a 317,44 m2/s; Urbanización Cashapamba 272,09
a 317,44 m2/s; Urbanización La Colina 272,09 a 317,44 m2/s; La Betania 226,74 a
272,09 m2/s; Megamaxi 45,34 a 90,69 m2/s; Armenia 272,09 a 317,44 m2/s;
Sangolquí-Ejido 1,9796e^-06 a 45,34 m2/s.
197
MAPA DE COTA DE AGUA CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL.CON TURBUNENCIA
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Con valores de cota de agua que fluctúan entre 2.397,1 a 2.596,7 m, observando
la escala de colores del mapa las secciones de vestigios Cashapamba Basurero
2.530,2 a 2.554,3 m; Urbanización Cashapamba 2.485,9 a 2.508,1 m;
Urbanización La Colina 2.485,9 a 2.508,1 m; La Betania 2.485,9 a 2.508,1 m;
198
Megamaxi 2.463,7 a 2.485,9 m; Armenia 2.419,5 a 2.441,6 m; Sangolquí-Ejido
2.485,9 a 2.508,1 m.
MAPA DE VALORES DE MANNING CORRESPONDIENTE AL MODELO BIDIMENSIONAL.CON TURBUNENCIA
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017
Con valores de manning que fluctúan entre 0,016 y 0,04, observando la escala de
colores del mapa las secciones de vestigios Cashapamba Basurero 0,0213 a
0,024; Urbanización Cashapamba 0,0186 a 0,0213; Urbanización La Colina
0,0373 a 0,04 ; La Betania 0,0373 a 0,04; Megamaxi 0,0186 a 0,0213; Armenia
0,032 a 0,0346; Sangolquí-Ejido 0,0186 a 0,0213.
199
SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO CON NIVEL DE LAHAR PROGRAMA IBER – ESCENARIO 3
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO - ESCENARIO 3
X Nivel Lahar (msnm)
60,9559 2.551,8547
64,2763 2.551,8831
104,15955 2.552,2629
110,63566 2.552,3171
155,43369 2.553,0852
188,1651 2.553,4414
229,91559 2.555,5022
280,75552 2.556,4302
290,96555 2.556,5293
321,57507 2.556,7532
331,81543 2.556,8003
353,2948 2.556,8406
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2510
2520
2530
2540
2550
2560
2570
2580
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN CASHAPAMBA BASURERO - ESCENARIO 3 (RÍO PITA - IBER)
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
200
SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN URBANIZACIÓN CASHAPAMBA CON NIVEL DE LAHAR PROGRAMA IBER - ESCENARIO 3
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN URBANIZACIÓN
CASHAPAMBA - ESCENARIO 3
X Nivel Lahar (msnm)
97,239 2.517,750
99,485 2.517,440
119,232 2.517,360
124,342 2.517,220
160,019 2.516,520
161,029 2.516,500
182,318 2.516,820
185,352 2.517,060
235,106 2.523,540
244,265 2.522,620
261,667 2.519,420
266,751 2.518,110
323,763 2.512,060
331,028 2.513,030
332,075 2.513,090
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2500
2505
2510
2515
2520
2525
2530
2535
2540
2545
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN URBANIZACION CASHAPAMBA ESCENARIO 3 (RÍO PITA - IBER)
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
201
SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN URBANIZACIÓN LA COLINA CON
NIVEL DE LAHAR PROGRAMA IBER – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN URBANIZACIÓN LA
COLINA - ESCENARIO 3
X Nivel Lahar (msnm)
131,995 2.506,009
136,512 2.505,488
168,858 2.503,1047
170,869 2.503,1201
205,220 2.503,3623
205,223 2.503,3542
231,273 2.502,5835
239,290 2.502,3079
320,682 2.503,2991
325,696 2.503,7385
371,836 2.506,9607
373,839 2.506,991
409,007 2.503,7053
410,010 2.503,7095
458,335 2.503,6448
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2485
2490
2495
2500
2505
2510
2515
2520
2525
0 100 200 300 400 500 600
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN URBANIZACON LA COLINA ESCENARIO 3 (RÍO PITA - IBER)
MI
MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
202
SECCIÓN LA BETANIA
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN LA BETANIA CON NIVEL DE LAHAR PROGRAMA IBER – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN LA BETANIA
ESCENARIO 3
X Nivel Lahar
(msnm) 0,000 2.497,550
6,268 2.497,650
32,311 2.497,710
33,431 2.497,710
69,858 2.497,090
74,957 2.497,040
102,196 2.497,490
106,258 2.497,520
130,674 2.497,280
131,614 2.497,260
252,861 2.495,840
252,864 2.495,840
307,714 2.496,560
313,679 2.496,440
430,758 2.497,170
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2480
2485
2490
2495
2500
2505
2510
2515
2520
2525
0 100 200 300 400 500 600 700
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN LA BETAÑA - ESCENARIO 3 (RÍO PITA - IBER)
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
203
SECCIÓN MEGAMAXI
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN MEGAMAXI CON NIVEL DE LAHAR PROGRAMA IBER – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN LA MEGAMAXI ESCENARIO 3
X Nivel Lahar (msnm)
0,000 2.475,390
5,836 2.475,430
41,744 2.475,540
47,765 2.475,490
82,692 2.475,630
85,656 2.475,650
128,148 2.475,910
134,076 2.475,950
244,787 2475,760
250,578 2.475,480
287,121 2.475,560
287,435 2.475,570
448,590 2.476,230
451,055 2.476,300
471,230 2.476,630
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2466
2468
2470
2472
2474
2476
2478
2480
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN MEGAMAXI - ESCENARIO 3 (RÍO PITA - IBER)
MI
MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
204
SECCIÓN SANGOLQUÍ EJIDO PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN SANGOLQUÍ – EJIDO CON NIVEL
DE LAHAR PROGRAMA IBER – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN SANGOLQUÍ- EJIDO
ESCENARIO 3
X Nivel Lahar (msnm)
0,000 2.502,910
1,459 2.502,940
5,814 2.502,900
9,987 2.502,820
19,070 2.502,820
20,982 2.502,780
53,605 2.503,260
55,730 2.503,380
88,024 2.503,100
95,980 2.502,650
105,935 2.502,140
113,179 2.502,320
136,279 2.502,050
141,039 2.502,390
167,497 2.504,700
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2490
2492
2494
2496
2498
2500
2502
2504
2506
2508
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN SANGOLQUI EJIDO ESCENARIO 3 (RÍO SAN PEDRO - IBER)
MI MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar
205
SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA
PERFIL TRANSVERSAL DE LA SECCIÓN ARMENIA CANTERA CON NIVEL DE LAHAR PROGRAMA IBER – ESCENARIO 3.
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
TABLA DE NIVELES DE LAHAR EN LA SECCIÓN ARMENIA CANTERA ESCENARIO 3.
X Nivel de lahar (msnm)
17,553 2.415,890
26,789 2.415,430
37,304 2.415,270
41,731 2.415,320
55,105 2.414,930
57,212 2.414,810
72,435 2.413,580
75,561 2.413,620
115,964 2.417,720
120,307 2.417,490
150,209 2.414,040
160,865 2.414,070
176,361 2.417,570
Elaborado por: Betancurt-Macas, 2017.
2395
2400
2405
2410
2415
2420
2425
2430
2435
0 50 100 150 200 250
Co
ta (
msn
m)
X (m)
SECCIÓN LA ARMENIA CANTERA (RÍO SAN PEDRO)
MI
MD
Topografía
Nivel Máximo de Lahar