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Título del trabajo
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje
Nela a partir de la simulación hidráulica.
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a partir de
la simulación hidráulica.
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a partir de
la simulación hidráulica.
Autor del trabajo: Alfredo León García
Tutor del trabajo: Ing. Wildrey Fernández Amargó
, junio de 2018
Departamento de Ingeniería Hidráulica
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez
Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa
de altos estudios.
Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:
Atribución- No Comercial- Compartir Igual
Para cualquier información contacte con:
Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas.
Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830
Teléfonos.: +53 01 42281503-1419
i
Pensamiento:
“La inteligencia consiste no sólo en el conocimiento, sino también en la destreza de
aplicar los conocimientos en la práctica”.
Aristóteles
ii
Dedicatoria:
Dedico este trabajo de diploma a toda mi familia que me apoyo en estos cinco años de
carrera y en especial a mi mamá Mercedes García, a mi papá Alfredo León, a mi hermano
Alibey León y a quien considero como parte de mi familia Nelly. También la dedico a
todos mis compañeros de carrera que hemos compartido tanto durante todo este tiempo.
iii
Agradecimientos:
Agradezco la realización de este trabajo primeramente a mi tutor porque sin él no hubiera
logrado nada, a mi familia que me brindaron el apoyo, a los trabajadores del INRH en
Sancti Spiritus y Yaguajay, a los profesores del departamento de Ingeniería hidráulica de
la UCLV y a mis compañeros de aula, a todos muchas gracias
iv
Resumen:
A partir de la necesidad de contar con un estudio hidráulico del corredor de drenaje Nela
que sea de utilidad para la toma de decisiones en su reconstrucción, se realiza este
trabajo el cual brinda los mapas de inundación a partir de la simulación hidráulica para
diferentes caudales, con el empleo de ArcGIS y HEC-RAS, para ello se describe el
procedimiento utilizado en la realización del modelo y se concluyó que el corredor se
desborda en varias secciones para caudales relativamente bajos comparados con los
que debe conducir por lo que se recomienda el análisis de este trabajo para emitir criterios
en la elaboración del proyecto final de reconstrucción.
Abstract:
From the need to have a hydraulic study of the Nela drainage corridor that is useful for
decision making in its reconstruction, this work is carried out which provides the flood
maps from the hydraulic simulation for different flows, with the use of ArcGIS and HEC-
RAS, for this the procedure used in the realization of the model is described and it was
concluded that the corridor overflows in several sections for relatively low flows compared
to those that must be driven, so the analysis is recommended of this work to issue criteria
in the elaboration of the final reconstruction project
v
Índice Pensamiento: .................................................................................................................................................................... i
Dedicatoria: ...................................................................................................................................................................... ii
Agradecimientos: ......................................................................................................................................................... iii
Resumen: .......................................................................................................................................................................... iv
Abstract: ............................................................................................................................................................................ iv
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................................ 1
Capítulo I: Revisión bibliográfica sobre las inundaciones y la simulación hidráulica. .......... 6
1.1 Generalidades de las Inundaciones en Cuba y el mundo. ......................................................... 6
1.3 Los Sistemas de información geográfica. ........................................................................................ 12
1.4 Modelo de simulación hidráulica. .......................................................................................................... 14
1.5 Coeficiente de rugosidad de Manning ................................................................................................ 15
1.6 Ejemplos de aplicación de la simulación hidráulica para obtener mapas de
inundaciones con HEC-RAS. ........................................................................................................................... 19
1.7 Características de la zona de estudio. ................................................................................................ 21
Capítulo II: Construcción y ejecución del modelo en ArcGIS y HEC-RAS. ................................. 23
2.1 Metodología de trabajo. .............................................................................................................................. 23
2.2 Pre-proceso en ArcGIS. .............................................................................................................................. 23
2.2.1 Dibujar centro del cauce del canal. .............................................................................................. 24
2.2.2 Limites del cauce. .................................................................................................................................. 25
2.2.3 Trayectoria del flujo.............................................................................................................................. 26
2.2.4 Secciones transversales.................................................................................................................... 28
2.2.5 Agregar tipología del cauce y atributos de las secciones. .............................................. 29
2.2.6 Generar archivo Ras. ........................................................................................................................... 29
2.3 Preparación del modelo hidráulico en HEC-RAS.......................................................................... 30
2.3.1 Introducir de los valores de rugosidad de Manning. .......................................................... 33
2.3.2 Introducir la obra de fábrica. ........................................................................................................... 36
2.3.3 Introducir los datos hidráulicos. .................................................................................................... 38
2.4 Post-proceso en ArcGIS. ............................................................................................................................ 41
Capitulo III: Análisis de los resultados. .......................................................................................................... 44
3.1 Análisis del comportamiento de las inundaciones en los diferentes tramos. .............. 44
3.1.1 Análisis del tramo corredor 1. ......................................................................................................... 44
3.1.2 Análisis del tramo aridanes 2. ......................................................................................................... 48
3.1.2 Análisis del tramo corredor 3. ......................................................................................................... 51
vi
3.2 Análisis del funcionamiento de la obra de fábrica. ...................................................................... 53
Conclusiones. ............................................................................................................................................................... 59
Recomendaciones ..................................................................................................................................................... 59
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................................... 60
Anexos ............................................................................................................................................................................. 62
1 Mapas de inundación de los caudales del tramo corredor 1. .................................................... 62
2 Mapas de inundación de los caudales del tramo aridanes 2. .................................................... 64
3 Mapas de inundación de los caudales del tramo corredor 3. .................................................... 67
1
INTRODUCCIÓN
Las inundaciones son desastres que ocurren con frecuencia y provocan grandes daños
a todas y cada una de las zonas que esta afecta, lo que para ello se requiere de una
predicción rápida y en tiempo real de la magnitud del desastre. Para la determinación de
zonas con riesgo de inundación existen diversas metodologías como estudios con
fotografías aéreas, imágenes por satélite y evaluaciones en el lugar donde se observa la
marca de la anterior avenida y así tomar las precauciones convenientes.
Las inundaciones es uno de los mayores desastres naturales que ocurren sin que el
hombre pueda hacer nada para evitarlo, causando grandes pérdidas económicas y
humanas, sin embargo se puede de alguna manera mitigar los daños, previniendo,
anticipando, y es donde se debe poner mayor interés (Aldo, 2010).
Poco a poco y con el avance de la ciencia, se fueron implementando métodos de
prevención y gestión de las inundaciones, con el fin de evitar al máximo no solo la pérdida
de vidas humanas, sino también pérdidas económicas en bienes materiales (Díaz, 2012).
En nuestro país la defensa civil es quien desarrolla un sistema de alerta temprana para
dar respuesta ante cada situación de desastre (Rodríguez, 2017), además de que se han
realizados disimiles obras con el objetivo de proteger las zonas de inundación un ejemplo
de esto es el corredor de drenaje Nela el cual fue construido en año 1972 para derivar
las aguas pluviales de las áreas de cañeras de la Empresas Agrícolas Aracelio Iglesias y
Obdulio Morales, el central Agro-Industrial Nela, sistema de riego de Mayajigua, la redes
de vías férreas y caminos, centros de acopio y caseríos de la zona Nela, de posibles
inundaciones.
El cual con el transcurso del tiempo se ha deteriorado producto a la falta de
mantenimiento e indisciplina social de los pobladores. Por tal motivo se le han realizado
una serie de análisis y vistas técnicas por parte de profesionales del Instituto Nacional de
Recursos Hidráulicos (INRH) que han emitido actas de controles técnicos al
departamento de la Defensa Civil del Municipio Yaguajay y al provincial en aras de
solucionar los problemas que presenta el dique.
2
Una última visita se realizó después de intensas lluvias ocurridas tras el paso del huracán
Irma en septiembre del 2017, se identificó grandes problemas en la sección del dique que
propicio el desbordamiento del mismo y pusieron en peligro todas las zonas que este
protege. Este dique no ha sido sometido a un mantenimiento total ni rectificaciones de
los fondos y taludes, unido a una indisciplina social que han modificado en zonas los
taludes del terreno con la construcción de vaquerías cercas constituyen un peligro
eminente para el desborde del mismo.
En la Empresas de Proyectos Hidráulicos Villa Clara Unidad Empresarial de Base (UEB)
Sancti Spíritus del Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos (INRH) se presentó por
parte de la delegación de dicha entidad una tarea técnica donde se pedía una solución a
corto plazo para la estabilidad del corredor de drenaje Nela. Para ello se procedió al
levantamiento, topográfico de la zona (Fernández, 2011).
Con esta decisiones surge la necesidad de proyectar las soluciones para la reparación y
reconstrucción del dique y las áreas interiores las cuales se encuentra socavadas y
rellenas en casi toda la extensión; ¿Sera Necesario Reparar completamente el dique?,
¿Que tramos son los más afectados?, ¿Si no se repara completamente que tramos hay
que reparar? , ¿Existen otras soluciones más factible y de mayor utilidad?, ¿Qué cantidad
de agua pasa entre los diques? Esas y muchas interrogantes surgieron que solo se
solucionan con un análisis profundo sobre las inundaciones que se generan en el corredor
de drenaje Nela,
En la actualidad los proyectistas espirituanos encargados de realizar esta tareas efectúa
una inspección visual ayudada con el levantamiento topográfico y con la experiencia que
tengan, realizan una serie de variantes y cálculos puntuales de los tramos más dañados
y zonas donde ocurren turbulencias y problemas detectadas en las afectaciones visibles
en el recorrido, recolección de datos y experiencias obtenidas por lo moradores u otras
personas que constan la zona y otra variante a lo largo de todo el dique.
Estos cálculos se realizan de forma puntual que mitigan el problema, pero no permite su
evaluación completa, que permita la optimización de la toma de decisión que emita el
ahorro de recursos y la solución del problema. Esto sucede al no contar con una
herramienta que muestre el comportamiento del perfil del flujo en el dique ante los
3
caudales que provocan un desbordamiento de sus márgenes, la cual se necesita para
dar un mejor estudio a las variantes en todo el recorrido del canal para encontrar los
verdaderos problemas. Existen otras soluciones más complejas o nunca utilizadas por lo
complejo, costoso, y poco remunerado en nuestro sistema que es la modelación física a
escala reducida para estudiar el comportamiento hidráulico de la obra fluvial en estudio.
En el mundo moderno se han desarrollado mediante la modelación matemática en
conjunto con los resultados experimentales soluciones prácticas de muchos problemas
hidráulico, pues numerosas estructuras hidráulicas se proyectan, revisan y construyen
solo después de haber efectuado un amplio estudio sobre los modelos matemáticos
(Bateman, 2007).
La complejidad que presenta el cálculo y análisis del régimen hidráulico en los cauces
naturales y artificiales hace necesario recurrir al uso de modelos numéricos que faciliten
esta tarea. La utilización de los modelos se remonta varias décadas, pero ha sido
recientemente cuando los avances informáticos han propiciado la generalización de su
uso, hasta convertirse en una herramienta habitual dentro de las consultoras de
Ingeniería y las administraciones.
.
La investigación tiene como campo de investigcion la hidrología superficila del
corredor de drenaje Nela y como objeto de estudio la modelación hidráulica con el uso
de herramientas computacionales.
Problema de investigación: ¿Cómo obtener un analisis de los perfiles del flujo de agua,
en el cause del corredor de drenaje Nela para diferentes caudales circulantes, mediante
el uso de programas computacionales, que sea de utilidad en la toma de decisiones para
su reconstrucción?
Como solución adelantada a este problema se tiene la siguiente hipótesis: Si se
identifican las zonas en que ocurre el desbordamiento del agua en las márgenes del
corredor de drenaje Nela mediante la simulación hidráulica con la ayuda de software
profesionales, HEC-RAS y ArcGIS, entonces se puede obtener una evaluación general
del funcionamiento del canal y proponer que tramos son necesarias reconstruir.
4
Objetivo general: obtener los mapas temáticos de inundación de diferentes caudales de
circulación, en el cause del corredor de drenaje mediante la simulación hidráulica, que
brinde a técnicos y especialista un análisis detallado del comportamiento hidráulico del
perfil del flujo.
Objetivos específicos:
1. Investigar la bibliografía disponible sobre las inundaciones y la simulación
hidráulica con el empleo de software profesionales.
2. Crear las capas de información en ArcGIS de las características geométricas del
cauce.
3. Crear el modelo hidráulico en HEC-RAS para los distintos perfiles de caudales y
las condiciones de contorno existente.
4. Analizar los resultados de las inundaciones del modelo hidráulico en los diferentes
tramos del corredor.
5. Analizar el funcionamiento de la obra de fábrica.
Estructura del trabajo.
Introducción.
Capítulo I: Revisión bibliográfica sobre las inundaciones y la simulación hidráulica..
Capítulo II: Construcción y ejecución del modelo en ArcGIS y HEC-RAS.
Capítulo III: Análisis de los resultados.
Conclusiones
Recomendaciones.
6
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Capítulo I: Revisión bibliográfica sobre las inundaciones y la simulación
hidráulica.
En este capítulo se realiza una investigación sobre las generalidades de las inundaciones
en Cuba y el mundo además sobre los aspectos necesarios para la simulación hidráulica
en HEC-RAS y todo lo que se debe tener en cuenta para la construcción del modelo,
también se conocerán las características esenciales a tener en cuenta en la zona de
estudio y se analizaran varios trabajos en los que se ha aplicado la simulación hidráulica
para la obtención de mapas de inundaciones con el empleo de HEC-RAS y así establecer
la metodología de trabajo a realizar para lograr buenos resultados en la simulación.
1.1 Generalidades de las Inundaciones en Cuba y el mundo.
Las inundaciones que se producen generalmente por lluvias torrenciales que acompañan
a los ciclones y fenómenos meteorológicos extremos constituyen la causa principal de
catástrofes en algunas zonas. Las inundaciones son provocadas, entre otros factores,
por lluvias intensas, asociadas a otros problemas, tales como: modificaciones del terreno
producidas por prácticas agrícolas inadecuadas, tala de árboles, incendios, urbanización
y otras intervenciones impropias en el medio ambiente o las combinaciones de ellas
(Silva, 1995).Otro factor de ocurrencia de inundaciones devastadoras lo es la rotura de
la cortina de una presa donde toda la zona aguas debajo de esta queda totalmente
destruida debido a la fuerza con que el agua se desplaza,
Las intensas lluvias que provocan inundaciones, desprendimientos y arrastre de suelo
afectan todos los continentes. Estadísticas globales indican que en un lapso de 11 años
desde 1999 hasta 2010 ocurrieron en el mundo 982 grandes inundaciones, donde la zona
más afectada fue Asia con el 44% de los eventos, seguida por América con un 27%. Esto
implico la muerte de más de 225 mil personas en Asia y más de 7 mil en América. A esto
se le suma la pérdida de bienes por más de 135 mil y 24 mil millones de dólares
respectivamente en Asia y América (León et al., 2010.).A continuación en el gráfico 1.1
se exponen los resultados anteriores para una mayor comprensión, y se observe la
diferencia amplia que existe debido principalmente a que tanto en Asia como en América
los fenómenos climáticos extremos como Monzones y huracanes causan severos daños.
7
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Gráfico 1.1: Comportamiento de las inundaciones.
Para las condiciones específicas de Cuba es conocido que en algunas áreas existen
penetraciones del mar debido a la conjunción de la dirección y velocidad del viento, con
relación a la línea de la costa, y la situación de las mareas o por la influencia de ciclones
o fenómenos meteorológicos extremos, también el régimen de precipitaciones del país
posibilita la formación de inundaciones, sobre todo durante el período lluvioso (mayo a
octubre), aunque se han producido inundaciones importantes en la época menos lluviosa
(noviembre a abril) debido a la influencia de frentes fríos (Silva, 1995).
Ocasionalmente tienen lugar lluvias súbitas con una alta intensidad que producen la
abrupta crecida de pequeños arroyos y ríos con la consecuente inundación y destrucción
de todo lo que encuentran a su paso en la llanura o plano de inundación y primeras
terrazas de las corrientes fluviales. Independientemente de la vulnerabilidad del territorio
intensas lluvias ocasionan daños cuantiosos e inclusive cientos de muertes, como ocurrió
al paso del ciclón “Flora” en el año 1963 en las provincias orientales (Silva, 1995).
Este huracán entra a Cuba el 4 de octubre 1963 y afecta las provincias orientales de Las
Tunas, Granma, Holguín y Camagüey. Aunque los vientos no fueron extraordinariamente
44
27
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Comportamiento de las inundaciones
Asia America Resto del mundo
8
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
fuertes, las lluvias (1800 mm en 72 horas) ocasionaron grandes inundaciones y
provocaron 1050 muertes, es aquí donde se marca un punto de inflexión y nace como
iniciativa de Fidel la voluntad hidráulica que procura un desarrollo de la infraestructura
hidráulica de la isla para aprovechar los recursos hídricos disponibles y proteger las zonas
de inundaciones tanto para las vidas humanas como para la economía del país.
Para realizar solo una comparación Cuba ha sido impactada de forma directa o
indirectamente por 28 ciclones tropicales entre 2001 y 2016 8 de ellos con gran
intensidad, provocando cuantiosas inundaciones, y desastres tanto económicos como de
vidas humana donde han fallecido un total de 56 personas, con pérdidas calculadas en
más de 25 mil millones de dólares, las medidas adoptadas por el Sistema de Defensa
Civil permitieron proteger más de 14 millones de personas (CITMA, 2016).
En hecho reciente fue el Huracán Irma que afecto casi todo el país donde la Defensa Civil
evacuó a casi un millón de personas de las zonas bajas, incluidos miles de turistas. El
litoral noroccidental de la isla, desde Matanzas a La Habana, sufrió inundaciones con olas
de entre 6 y 9 metros, adentrándose el agua en algunas zonas de la ciudad más de 500
metros, la ciudad turística de Caibarién recibió el golpe de la tormenta, con olas
adentrándose en la ciudad y dejando sus características casas de una sola planta
completamente anegadas. Las inundaciones empeoraron cuando el huracán se desplazó
hacia el oeste, empujando la tormenta hacia las regiones alrededor de La Habana. La
Defensa Civil de Cuba comunicó que, al 11 de septiembre, se habían registrado diez
víctimas fatales en el país.
Características generales de las inundaciones en Cuba.
Cuba cuenta con una superficie provincial de 104 945 Km2, de estos un territorio
inundable de 26 132 Km2 el cual representa en el 24.9% incluyendo las áreas de espejos
de los embalses. (Silva and Celada, 2001)
La lámina de precipitación media anual ha sido calculada en 1 375 mm, sin embargo, su
distribución espacial no es homogénea, ya que en algunas zonas precipita más de 3 000
mm y en otras alcanza 600 mm al año. La ocurrencia de las lluvias extremas y
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Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
prolongadas también determina el régimen hídrico de los ríos, lo cual origina las mayores
crecidas durante el período lluvioso.(Silva and Celada, 2001)
Según la antigua división político administrativa este es el comportamiento de las
inundaciones en cada provincia del país.
Gráfico 1.2: Comportamiento de las inundaciones en las provincias.(Silva and
Celada, 2001)
La provincia cubana que tiene más territorio inundable es la de Granma (42%) debido a
las inundaciones que se producen en la Llanura del Cauto para condiciones naturales ya
que la construcción de los embalses de los últimos años ha mitigado en parte el problema
(Silva and Celada, 2001).
La Llanura sur y la zona de la costa norte de la provincia de Pinar del Río presentan el
41% de territorio propenso a inundarse y en la provincia de Matanzas el 38% del territorio
es inundable con relación al total nacional. En este caso influye considerablemente el
área ocupada por la Ciénaga de Zapata y la Llanura de Colón fundamentalmente. Por
último, debe señalarse que el territorio del municipio especial de la Isla de la Juventud
tiene 564 km2 (25%), cifra notable si se tiene en cuenta la configuración del país.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Áre
as
de inu
nda
ción
(%)
Provincias
PORCENTAJE DE INUNDACIÓN PROVINCIAL
10
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
1.2 Los modelos digitales del terreno.
El avance tecnológico no solo modifica los procedimientos determinados trabajos, sino
también la precisión de los mismo, en este sentido los Modelos Digitales del Terreno
(MDT) logran que trabajar sobre un mapa a papel con líneas de nivel sirviéndonos
únicamente de reglas y compas sea una imagen obsoleta y poco eficiente en el manejo
de datos georreferenciados.
Los MDT han logrado transformar el concepto estricto de mapa, en la que cada variable
era estudiada de forma diferente, a lograr un enfoque sintético, donde más de una
variable logra integrarse en un sistema capaz de interrelacionarlas, logrando como
resultado un modelo cualitativo como a la vez cuantitativo, este hecho forma parte de una
nueva técnica denominada Cartografía digital, actualmente inmersa en una agresiva
expansión con cada progreso en el ámbito de la informática (García, 2012).
Modelos digitales de elevación.
La información que contiene el MDE puede dividirse en dos formas diferentes: datos
explícitos: se refiere a las alturas y la posición de estas en relación con la ubicación dentro
de la matriz o al sistema de referencia. Son los datos propios contenidos del modelo y
datos implícitos: se refiere a las relaciones espaciales entre los elementos (como por
ejemplo la relación de la altura de un punto respecto a la de otro y la distancia a la cual
están separados) que también pueden considerarse incluidas en el modelo.
La aparición y extensión de los SIG ha hecho posible y necesario la aplicación de un
concepto, concebido ya a finales de la década de los 1950 para modelizar, analizar y
visualizar los fenómenos relacionados con la topografía, o con variables de distribución
continua, de una forma numérica y procesable por ordenadores: Los Modelos Digitales
de Elevación (MDE), los cuales pueden definirse como una representación estadística
del terreno, en forma de números digitales , por medio de un conjunto de puntos con
coordenadas X,Y,Z respecto a un sistema de georreferencia conocido.(Galeno, mayo
2014)
11
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
La obtención de variables del terreno de forma automática a partir de los MDE y los SIG
ha hecho que sus aplicaciones sean muy diversas y una de ellas se el uso en la
simulación de inundaciones. (Galeno, mayo 2014).
Estructura de los datos en los MDE
Es cierto que la unidad básica de un MDE es un valor Z referente a la altitud acompañado
de dos valores más, x e y, que logran configurar la base necesaria de la representación
tridimensional, el problema radica en el diseño del sistema que sea capaz de acoger esta
información, estructurarla y permitir su manipulación. En esta dirección, históricamente
se ha estructurado la información en dos posibles y diferentes formatos en función de su
concepción básica:(García, 2012)
El modelo Vectorial
Contornos
Perfiles
Triángulos: (TIN).
El modelo raster
Matrices.
Polígonos
Obtención de datos topográficos para la construcción de un MDE
Existen una serie de métodos que pueden utilizarse para la elaboración de los MDE que
pueden ser agrupados en dos grandes grupos: métodos directos y métodos indirectos.
Métodos directos:
Altimetría: Altímetros radar o laser transportados por plataformas aéreas o
satélites.
GPS (Global Positioning System): Sistema de localización por triangulación.
Levantamiento topográfico: Estaciones topográficas con salida digital.
Un levantamiento topográfico consiste en representar los elementos singulares del
terreno en un plano. Todos los elementos del terreno quedan definidos por una serie de
12
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
puntos y cada uno de estos puntos representados en un proyecto definen una nube de
puntos, que a la vez define una curva de nivel, que no es otra cosa que la representación
de las diferentes secciones del terreno a un intervalo de altura. La medida de los puntos
es totalmente manual, realizada de técnicos y especialista mediante una específica
instrumentación.(Coppola, 2009)
Este es el procedimiento por el cual se obtuvieron los datos topográficos para este trabajo
a partir de un levantamiento realizado por Unidad Empresarial de Base Investigaciones y
Proyectos Hidráulicos Sancti Spíritus. donde la digitalización de los resultados del
Levantamiento Topográfico se realizaron en escala 1:1 en unidades de AutoCAD, con el
objetivo de poder trabajar con el programa AutoCAD Civil 3D.(Fernández, 2011)
Métodos indirectos: Medida estimada a partir de documentos previos (fuente
secundaria).
Restitución a partir de pares de imágenes.
Digitalización de mapas topográficos.
1.3 Los Sistemas de información geográfica.
Un Sistema de Información Geográfica (SIG, GIS en inglés) es un sistema de información
especializado en el manejo y análisis de información geográfica, dicha información
geográfica es una representación de la realidad estructurada en diferentes capas
superpuestas conteniendo cada una de ellas información independiente respecto a
topografía, hidrografía, formaciones geológicas, tipos de suelo, también puede contener
información de carácter más humano como información sobre ciudades, edificaciones,
vías de transporte, etc. (García, 2012)
Un Sistema de Información Geográfica es una herramienta que permite la integración de
bases de datos espaciales y la implementación de diversas técnicas de análisis de
datos.:(Sarria, 2011)
Elementos de un SIG.
Un SIG está compuesto por (García, 2012):
Software: Los programas informáticos.
13
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Algunos softwares son: Mapinfo, gvSIG, GRASS, y ArcGIS, que es el que utilizare en
este trabajo ya que se tiene buenas experiencias en trabajos de este tipo.
Hardware: Pc o estación de trabajo junto con los periféricos en la captura y
procesado de la información.
Proceso de actualización.
Datos: Representación simplificada del mundo real.
Personal cualificado: El elemento más importante.
Procedimientos: El análisis requiere de procedimientos bien detallados y
consistentes en la producción de resultados precisos y reproducibles.
Los software SIG son ideales en el manejo de información georreferenciada por lo que
para este trabajo se empleara ArcGIS que es un software que reúne entre otras funciones
la aplicación ArcMap, nombre utilizado para identificar la familia estandarte de los
productos SIG de ESRI. ArcGIS se basa en una biblioteca común de componentes
compartidos de software SIG, denominados ArcObjects. ArcGIS se compone de
aplicaciones y un servidor independiente, cada aplicación puede crear, gestionar, analizar
y servir datos almacenados en uno o más formatos.(García, 2012)
HEC-GeoRAS, es una extensión para HEC-RAS, diseñada con el fin de procesar datos
georreferenciados, y en doble dirección, desde un software SIG a HEC-RAS, por la
importancia que adquiere en los procesos de análisis una adecuada y precisa geometría,
o en los procesos de toma de decisiones en una correcta y ordenada disposición de los
datos abstraídos.
El archivo creado con HEC-GeoRAS, contiene un gran número de información, desde el
trazado del dique, secciones transversales, límites entre cauce principal y llanuras de
inundación, coeficientes de rozamiento, tanta información como capas de información se
hayan introducido en nuestro archivo SIG.
HEC-GeoRAS, requiere de un MDE en formato TIN o GRID, que ha de ser continuo y no
poseer zonas vacías de información, dado el caso se necesitara realizar un rellenado de
huecos.
14
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Por lo que en este trabajo utilizaremos el ArcGIS y se extensión HEC- GeoRAS como
herramientas para la creación del modelo a partir de las características del terreno, para
luego y también como una herramienta de post análisis donde se muestren las áreas
donde ocurre el desbordamiento de las márgenes del dique.
1.4 Modelo de simulación hidráulica.
Para la descripción de los perfiles de flujo de agua en cauces naturales existen hoy en
día una gran cantidad de herramientas computacionales que realizan una simulación
apoyadas en modelos numéricos que describen el comportamiento del agua.
Entre los más usados están los modelos hidrodinámicos 1D basados en las ecuaciones
de San Venant (leyes de conservación de la masa y el momento) para calcular la
superficie libre del agua para flujos estacionarios y no estacionarios en canales abiertos.
Estas ecuaciones diferenciales se resuelven mediante discretización numérica usando
frecuentemente los métodos de diferencias finitas, y en algunos casos mediante
elementos finitos o volúmenes finitos en un esquema implícito. Por otra parte, en los
modelos hidrodinámicos 2D las ecuaciones de conservación de la masa y el momento
son expresadas en dos dimensiones y los resultados se calculan en cada punto la malla
en el dominio de solución. Los modelos 2D pueden resolverse utilizando al método de
elementos finitos (Galeno, mayo 2014).
Entre los programas de modelos numéricos para la simulación hidráulica en canales
naturales y ríos más usados se encuentran SSIMM, FLUENT, CFX y FLOW-3D emplean
los tres componentes del vector velocidad (modelos numéricos tridimensionales);
RiCOM, Hydro-2de, River2d, MIKE-21, RMA-2, FESWMS y FLOW-2D son modelos
basados en la hipótesis del flujo bidimensional, y AULOS, MIKE-11 y HEC – RAS, y sobre
este último abordaremos en este trabajo ya que este es un modelo numérico de dominio
público(Rodríguez, 2017).
El modelo HEC-RAS.
Dentro de los médelos hidrodinámicos está el HEC-RAS el cual ha sido desarrollado por
el Hydrologic Engineerig Center del U.S Army Corps Of Engineers, de los Estados
15
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Unidos, siendo unos de los modelos hidráulicos más utilizados en la modelación
hidráulica de cauces.
HEC-RAS es una herramienta que ha venido evolucionando, en su versión 5.0 cuenta
con una extensión que permite simular el flujo de agua combinando modelos 1D/2D, así
como totalmente 2D; basa su aplicación en las ecuaciones de Onda Difusiva y Sant
Venant (a criterio del usuario) las cuales resuelve mediante el algoritmo de Volúmenes
Finitos Implícitos. Una de las novedades de esta nueva versión, es que incorpora la
ventana de interface RAS Mapper en la cual el usuario integra el modelo digital del
terreno, como paso inicial para la modelización del flujo.(Chero, 2015)
Versión HEC-RAS
Modelo. 1D
Modelo. Cuasi2D
Modelo 2D
Flujo permanente
Flujo no permanente
Análisis de transporte
de sedimentos
Análisis de
calidad de agua
2.2 x x
3.1.3 x x x
4.1.0 x x x x x x
5.0 x x x x x x x
Tabla 1.1: Evolución del tipo de modelización y herramientas de análisis de HEC-
RAS.
Para el funcionamiento del HEC-RAS (River Analysis System) se debe tener en cuenta
datos geométricos estos son diversas secciones transversales a los largo del cauce o
cauces considerados, este modelo calcula la pendiente de ese tramo, otro datos es el
caudal este puede ser un solo valor constante o variable en el tiempo.(Rodríguez, 2017)
1.5 Coeficiente de rugosidad de Manning
En la actualidad, con los modelos matemáticos de simulación hidráulica de inundaciones,
es posible manejar hipótesis suficientemente realistas o previsibles que nos ofrezcan
cierto grado de confianza y seguridad a la hora de tomar decisiones, ya sea en la
ordenación del territorio en torno a nuestros ríos o para exigir criterios de diseño de obras
e infraestructuras capaces de soportar y funcionar adecuadamente en situaciones de
emergencia. No obstante, una amplia investigación bibliográfica relacionada con el tema
demuestra que la forma de la superficie del agua depende, en gran medida, del valor de
16
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
la pendiente del fondo, la geometría de la superficie del terreno y la estimación de la n de
Manning. (Bruga et al., 2010)
Este último, se considera como el principal parámetro que se debe calibrar en la
simulación, ya que no existe ningún método exacto para su selección, pues depende de
muchos elementos que están relacionados entre sí, como son: rugosidad superficial,
vegetación, irregularidad del canal, alineación del canal, sedimentación y socavaciones,
obstrucciones, tamaño y forma del canal, nivel de agua y caudal, cambios estacionales,
material en suspensión y carga del fondo.(Bruga et al., 2010)
Estimación del coeficiente de rugosidad en el canal.
El valor de n es muy variable y depende de una cantidad de factores: rugosidad de la
superficie, vegetación, irregularidades del cauce, alineamiento del canal, depósitos y
socavaciones, obstrucciones, tamaño y forma del canal, nivel y caudal, cambio
estacional, material suspendido y transporte del fondo. Para estimar el valor de n hay
cinco caminos:
1. Comprender los factores que afectan el valor de n y así adquirir un conocimiento básico
del problema y reducir el ancho campo de suposiciones.
2. Consultar un cuadro de valores típicos de n para canales de varios tipos.
3. Examinar y hacerse familiar con la aparición de algunos canales típicos cuyos
coeficientes de rugosidad son conocidos y están registrados en fotos, por ejemplo.
4. Determinar el valor de n a través de un procedimiento analítico basado en la
distribución teórica de la velocidad en la sección transversal de un canal y sobre los datos
de medidas de velocidad o de rugosidad.
5. Uso de ecuaciones empíricas.
El profesor Ven Te Chow en su obra clásica “Hidráulica en Canales Abiertos” estudia tres
métodos de evaluar el coeficiente de Manning.
1. Consultar una tabla de valores típicos de n para varios tipos de canales.
17
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
2. Examinar y comparar el canal en estudio con la apariencia de ciertos canales típicos
cuyos coeficientes de rugosidad son conocidos.
3. Considerar el valor de n como el resultado de la acción combinada de una serie de
factores que lo afectan. Esta forma es llamada como el método de Cowan.
Método de Cowan:
n = m (n0 + n1 + n2 + n3 + n4)
Condiciones del canal Valor
Material del Lecho Tierra
Roca cortada
Grava fina
Grava Gruesa
n0 0.02
0.025
0.024
0.028
Grado de irregularidad
perímetro mojado
Despreciable
Leve
Moderado
Alto
n1 0.000
0.005
0.01
0.02
Variaciones de las
secciones.
Graduales
Alternándose ocasionalmente
Alternándose frecuentemente
n2 0.00
0.005
0.010-0.015
Efecto relativo de las
obstrucciones
Despreciable
Leve
Apreciable
Alto
n3 0.000
0.010-0.015
0.020-0.030
0.040-0.060
Densidad de vegetación Baja
Media
Alta
Muy alta
n4 0.005-0.010
0.010-0.025
0.025-0.050
0.050-0.100
Sinuosidad y frecuencias
de Meandros
Leve
Apreciable
Alto
m 1.00
1.15
1.30
Tabla 1.2: Estimación del coeficiente de Manning según método de Cowan.
18
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Tabla de valores típicos.
Según V.T. Chow, el coeficiente de Manning se puede determinar en las siguientes tablas
A continuación, se muestra solo la tabla para determinar los coeficientes de rugosidad de
acorde a las características del canal de estudio.
Tipo de canal Mínimo Medio Máximo
Cursos menores (Ancho superficial<30m) a) De llanuras o planicies (Baja pendiente)
Limpios, rectos, a capacidad plena sin vados o charcas profundas Idem, con más piedras y malezas Limpio, con curvas, algunas pozas y bancos de arena Idem, con algo de maleza y piedras Idem, a niveles bajos y secciones y pendientes irregulares Idem anterior, pero más pedregoso Tramos descuidados con malezas, pozas profundas Tramos con mucha maleza, pozas profundas o cauces de crecidas con árboles y arbustos
b) De montañas (Alta pendiente), sin vegetación en el canal, riberas usualmente empinadas, árboles y arbustos sumergidos a lo largo de las riberas Fondo: grava, ripio y pocos bolones Fondo: ripio y grandes bolones
Planicies de inundación a) Pastizales, sin matorrales
Pasto pequeño Pasto alto
b) Áreas cultivadas Sin cosechas Cultivo crecido: plantación en surcos Cultivo crecido: plantación a campo traviesa
c) Matorrales Matorrales dispersos, grandes malezas Pocos matorrales y árboles, en invierno Pocos matorrales y árboles, en verano Mediana y gran cantidad de matorrales, en invierno Mediana y gran cantidad de matorrales, en verano
d) Árboles Sauces densos, en verano, recto Tierra despejada con pastos y troncos de árboles, sin brotes Idem, con gran cantidad de brotes y arbustos Troncos o postes, pocos árboles caídos, pequeños cultivos, nivel de crecidas bajo las ramas Idem, pero el nivel de crecidas alcanza las ramas
0.025 0.033 0.035 0.040 0.045 0.050 0.075 0.030 0.040 0.025 0.030 0.020 0.025 0.030 0.035 0.035 0.040 0.045 0.070 0.110 0.030 0.050 0.080 0.100
0.030 0.035 0.040 0.045 0.048 0.050 0.070 0.100 0.040 0.050 0.030 0.035 0.030 0.035 0.040 0.050 0.050 0.060 0.070 0.100 0.150 0.040 0.080 0.100 0.120
0.033 0.040 0.045 0.050 0.055 0.060 0.080 0.150 0.050 0.070 0.035 0.050 0.040 0.045 0.050 0.070 0.060 0.080 0.110 0.160 0.200 0.050 0.080 0.120 0.160
Cursos mayores (Ancho superficial>30m) .El valor de n es menor que para el caso de corrientes menores similares, ya que las riberas ofrecen menor resistencia efectiva a) Sección regular sin rocas o matorrales b) Secciones irregulares y rugosas
0.025 0.035
0.060 0.100
Tabla 1.3: Valores del coeficiente de rugosidad n de Manning cauces naturales.
19
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Para la estimación de los coeficientes de rugosidad en cada parte del trazado del dique
se realizarán visitas técnicas con la intención de identificar la vegetación o superficie
presente en este aspecto se abordará posteriormente a la hora de realizar el modelo para
la simulación hidráulica.
1.6 Ejemplos de aplicación de la simulación hidráulica para obtener mapas de
inundaciones con HEC-RAS.
Son disimiles los trabajos, principalmente tesis de grado, donde se ha aplicado el modelo
HEC-RAS para la simulación hidráulica logrando un análisis de las inundaciones en
ciertas y determinadas zonas, por lo que continuación se presentan resúmenes de varios
trabajos nacionales y extranjeros donde se determinaron las superficies de inundación
para zonas vulnerables.
El primer trabajo que expondremos fue el realizado en España por Virginia Díaz
de la Cruz en noviembre de 2012 donde realizo un análisis hidrológico e hidráulica
de la cuenca del Plat de Sant Jordi (MALLORCA) para obtener una evaluación
preliminar de aquellas zonas del territorio que tengan riesgo potencial de
inundación o bien que la materialización de ese riesgo sea probable dentro de los
términos indicados en la Directiva Europea de Inundaciones. En cuanto a la
modelación hidráulica utilizo el modelo digital del terreno ya creado, y la
metodología de trabajo con HEC-RAS fue de un pre-proceso para la cual es
necesario instalar en ArcGis una extensión llamada Hec-GeoRas, una segunda
donde los resultados de la primera y HMS se introducen en HEC-RAS y una
tercera y última fase de exportación y visualización de resultados de nuevo en
ArcGis.
Obteniendo como resultado que los problemas de inundación que se dan en la
cuenca del Pla de Sant Jordi se manifiestan cada vez que se produce un evento
de precipitaciones un poco elevado, son estacionarios y rara vez se pueden
prever. Esto hace que sea un problema muy presente en la vida de los habitantes
del Pla, ya que les afecta directamente de diversas formas: anegando campos de
cultivos, vías de comunicación, el aeropuerto de Son Sant Joan y además, se ha
convertido en un problema de salud pública ya que proliferan insectos y aves.
20
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Cabe señalar que en este trabajo además de HEC-RAS se utilizó Iber 2D debido
a que en ese tiempo todavía HEC-RAS no realizaba análisis 2D y también a causa
de que las zonas eran bastante llanas el modelo realizado en HEC-RAS no dieron
resultados tan buenos, demostrándose las limitaciones en esos tiempos del
modelo unidimensional.
El trabajo realizado por Edwin A. Ortiz de Colombia en 2015 donde realizo un
análisis hidrológico e hidráulico de con el objetivo de Determinar el caudal pico y
las cotas de inundación en la Cauce seco de la Urbanización Ciudad Blanca del
municipio de San Gil del departamento de Santander aplicando para la modelación
hidráulica el HEC-RAS empleando el Hec-GeoRas como una herramienta de
vinculo para los datos del MDT, para después de obtener el modelo visualizar los
resultados en ArcGis.
Como resultados obtenidos está el poder establecer las cotas de la lámina de
agua, que en general se conocen como las cotas de inundación, luego todas estas
se pueden obtener en el perfil longitudinal que arroja la modelación en HEC-RAS
y además se pueden determinar también en todas y cada una de las secciones
transversales del cauce.
Por ultimo me voy a referir al trabajo de diploma realizado el año pasado por Liante
Rodríguez donde propone un procedimiento de simulación hidráulica a partir del
software ArcGIS y HEC-RAS. Para establecer este procedimiento se tomó como
caso de estudio el río Sagua la Chica donde se establece un primer trabajo en
ArcGis para la creación de todas las características de la zona de estudio después
el trabajo en HEC-RAS y finalmente a partir de los resultados de este un último
trabajo en ArcGis donde se observan las zonas de inundación.
Como se puede analizar en todos los trabajos la metodología empleada fue similar por lo
que se puede resumir que el trabajo vinculado entre los softwares SIG y los programas
de modelación hidráulica es lo ideal a la hora de determinar zonas de inundación.
posibilitando realizar la simulación hidráulica de cualquier cauce a partir de contar con los
datos iniciales necesarios.
21
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
1.7 Características de la zona de estudio.
Como se ha expresado anteriormente el corredor está ubicado en el norte de la provincia
Sancti Spíritus, en el municipio de Yaguajay, al este y sureste del Poblado de Nela, aguas
abajo de la Presa Aridanes y su función principal es proteger al poblado de Nela de unos
1000 habitantes y al extinto ingenio del mismo nombre de los embates de las aguas,
crecidas del aliviadero de la presa Aridanes, la cuenca hidrográfica del arroyo Aguacate
y de otra pequeña cuenca al norte de Mayajigua.
Este corredor consta de dos diques separados uno del otro entre 100-150 metros de
longitud y paralelos hasta la costa cubriendo un área aproximada a150 Ha. El dique
izquierdo tiene 14 km de largo y el izquierdo 11 km, ambos faltos de mantenimiento y
reparación. Esta obra tiene más de 40 años de explotación, debido a ello el cauce ha ido
creando meandros muy pronunciados, algunos ya corren transversales, impactando a los
diques y creando erosiones. La topografía del corredor es muy llana, con poca pendiente
y un pequeño drenaje pluvial por el centro del mismo.
Para comprender un poco el porqué de la existencia de este corredor se debe
principalmente a que en el caso de la densidad de la red fluvial o densidad de
cauces, que expresa la relación entre la longitud total (en kilómetros), de los cauces
permanentes e intermitentes que drenan una cuenca respecto al área de la misma, se
calculó su valor para todo el territorio provincial, dio como resultado que en los sectores
del nordeste y el sudeste, existe una escasa red de drenaje natural por lo que tuvo que
reconstruirse mediante un complejo sistema de drenaje (Dominguez et al., 2008).
Los resultados utilizados en la evaluación del relieve para las actividades agropecuaria
reflejan la estrecha relación que existe entre la organización de los sistemas fluviales y
los restantes factores físico-geográficos, tales como la litología, la carsificación, la altitud
de la cuenca y otras especificidades del relieve local, la distribución de las precipitaciones,
entre otras, y como en las llanura septentrional está caracterizada por su escasa
pendiente, suelos impermeables, poca altitud respecto al nivel del mar y la cercanía de
las alturas del nordeste a la costa, la formación de escurrimientos se dificulta,
atravesándola solo pequeños arroyos, muchos de ellos intermitentes, que nacen en las
alturas y tienen cuencas muy reducidas debido a la carsificación y la ocurrencia de lluvias
torrenciales (Dominguez et al., 2008).
23
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Capítulo II: Construcción y ejecución del modelo en ArcGIS y HEC-RAS.
En este capitulo se creara el modelo hidraulico a analizar apartir del empleo de ArcGIS y
su extencion HEC-GeoRAS para establecer las caracteristicas del terreno para luego
obtener la simulación hidráulica en HEC-RAS y su posterior post proceso en ArcGIS.
2.1 Metodología de trabajo.
Tomando como referencia la metodología empleada en trabajos anteriores se hace una
propuesta de procedimiento para la creacion del modelo hidráulico del corredor de
drenaje Nela a partir del cual se obtendran los mapas temáticos de inundción para los
distintos caudales de análisis.
Figura 2.1: Metodología a emplear para la simulación hidráulica.
2.2 Pre-proceso en ArcGIS.
Para el análisis de la zona de estudio se cuenta con el archivo TIN brindado por el IPH
que es el necesario para crear las capas de información, que son el nivel básico que
representa una determinada fracción de la realidad. Por lo que ya podemos empezar a
trabajar con la extensión HEC-GeoRAS. Su manejo es sencillo pero laborioso, lo único
Pre-proceso en ArcGIS
Cargar el TIN de la zona de
estudio
Extensión HEC-GeoRAS
Dibujar
centro del
cauce del
canal
Límites del
cauce
Trayectoria
del flujo
Secciones
transversales
Se exportan los resultados
TRABAJO EN HEC-RAS
Introduce los valores de
Morning
Introducir datos hidráulicos
Crear el Plan de simulación
Se exportan los resultados
TRABAJO EN ArcGIS
Se crea un Nuevo
análisis
Se convierte del
formato sdf a
extensión xml
Se seleccionan los
perfiles
La simulación de las
inundaciones de cada
perfil
Introduce las obras de fábrica
24
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
que debemos hacer es ir aplicando en orden todas las herramientas del menú RAS
Geometry (como su propio nombre indica, queremos crear una geometría del cauce para
después importarla a HEC-RAS). Destacar que, en este caso, queremos la geometría de
varias ramas del canal por lo que hay que realizar el procedimiento adecuado para los
diferentes tramos.
Figura 2.2: Menú pre-proceso de la extensión HEC-GeoRAS.
Estas herramientas nos permiten crear varias capas que manualmente hay que digitalizar
con los elementos que se nos pide, las cuatro capas principales son: Stream Centerline,
capa donde digitalizamos el centro del canal que deseemos. Banks lines, capa donde
marcamos cuales van a ser los límites del cauce del rio, Flow Patch Centerlines, es
utilizada para identificar los centros de masas de las llanuras de inundación y del cauce
principal y la más importante, XS Cut lines, donde generamos una capa de secciones
transversales al río que nos permitirán ver la geometría del fondo del canal.
2.2.1 Dibujar centro del cauce del canal.
Para dibujar el cauce del canal se selecciona Stream Centerline que es la capa
representante de la línea central del canal. Para editar esta capa de información se han
de tener en cuenta las siguientes consideraciones:
Stream Centerline ha de ser creado en el sentido del flujo, desde aguas arriba
hacia aguas abajo.
25
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Al crear con el Editor él, ó los tramos de río sobre el modelo, asignaremos a cada
tramo el binomio nombre de tramo y nombre del río, cuya denominación ha de ser
única.
Todos los tramos estarán conectados mediante Junctions (Confluencias).
En el caso de estudio se dividió en tres tramos, dos en el cauce del corredor y uno que
es el que recolecta las aguas provenientes del aliviadero de la presa Aridanes.
Figura 2.3: Tramos creados.
2.2.2 Limites del cauce.
La capa Banks Lines define los límites del cauce principal con la zona correspondiente
a la ribera de inundación. Para su edición se han de tener en cuenta las siguientes
consideraciones:
Los Banks lines pueden ser discontinuos.
La orientación de los Banks Lines no importa, su digitalización puede hacerse en
la misma dirección del flujo, en contra de la dirección del flujo, puede ser realizado
en un único trazado o de forma discontinua.
26
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Su incorporación como capa de información puede ser opcional, en el caso de
no crearla, habrá de ser implementada en HEC-RAS.
En nuestro caso particular los Banks Lines están definidos por una altura próxima a los
bordes superiores de los diques que son quien definen las alturas tolerables del agua
para que no acurra desbordamiento.
Figura 2.4: Representación del trazado de los límites del cauce
2.2.3 Trayectoria del flujo.
La capa de información Flow Path Centerlines, es utilizada para identificar los centros
de masas de las llanuras de inundación y del cauce principal, además de las direcciones
principales de flujo. Si ya se ha creado la capa Stream Centerline, nos dará la opción de
poder copiar la información referente al canal, teniendo solo que digitalizar dos líneas
Límites del flujo
27
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
más que harán referencia a la llanura izquierda y derecha del canal principal. Al crear
esta capa de información, se tendrán en cuenta las siguientes consideraciones:
Flow Path a de digitalizarse en el sentido del flujo.
La digitalización de las líneas ha de ser continua para cada uno de los tramos
creados.
Las líneas Flow Path nunca podrán cortarse entre sí.
La capa de información Flow Path puede ser opcional.
Figura 2.5: Representación de las llanuras de inundación
Una vez han sido digitalizados los Flow Path tendremos que identificar cada línea dentro
de la capa de información donde se habrá de indicar si la línea representa el canal
(¨Chanel¨), llanura izquierda (¨Left ¨) o llanura derecha (¨Right ¨).
Trayectoria del flujo en el cauce y llanuras
28
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
2.2.4 Secciones transversales.
Cross- Sections o secciones transversales es uno de los principales insumos para HEC-
RAS. Las secciones transversales son representadas mediante líneas de corte, que son
utilizadas para extraer los datos de elevación del terreno creando un número finito de
perfiles del terreno a lo largo de todo el canal. La intersección de las líneas de corte con
otras capas de información de Ras como Stream Centerlines, Banks Lines ó Flow Path
son utilizadas para calcular en HEC-RAS atributos tales como los Banks Stations (lugar
geométrico de todos los puntos que separan las llanuras de inundación del canal),
downstreams reach lengths (distancia entre secciones transversales) y n. Manning. Por
lo tanto, la creación de un número adecuado de cortes transversales a de producir una
buena representación del lecho del cauce y llanura aluvial.
En la digitalización de las secciones transversales se han de tener en cuenta las
siguientes consideraciones:
Las líneas que representan las secciones transversales, han de ser en la medida
de lo posible perpendiculares al flujo.
Se digitalizarán las líneas de izquierda a derecha, en el sentido natural del flujo,
de aguas arriba hacia aguas abajo, además, si existiese en el cauce un estructura,
por ejemplo de tipo puente o alcantarilla, será una buena práctica asegurarse de
definir una sección transversal aguas arriba y otra aguas abajo de dicha estructura.
Las secciones transversales nunca podrán cortarse entre ellas.
Las secciones transversales de forma individual solo podrán cortar con Stream
Centerline una sola vez, al igual que el resto de capas creadas con anterioridad.
Las secciones transversales nunca podrán exceder los límites del MDE.
Las secciones transversales fueron creadas cada 50 m colocando secciones adicionales
en la obra de fábrica ubicado casi al final del trazado. Con la herramienta Construct XS
Cut Lines se colocan la longitud y el intervalo de las secciones, con ayuda de XS Cut
Lines se dibujan las secciones transversales a lo largo del perfil del canal editándolas
posteriormente para cumplir con las consideraciones.
29
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Figura 2.6: Secciones transversales del canal.
2.2.5 Agregar tipología del cauce y atributos de las secciones.
Una vez se han creado todas las capas se debe agregar la tipología al cauce principal,
con ayuda de la herramienta Stream Centerline Attributes, y los atributos de las secciones
transversales, como son River, Banks, Flowpaths, XS Cut Lines/
2.2.6 Generar archivo Ras.
Después de haber verificado que todas las capas y tablas generadas en los pasos
anteriores están seleccionadas, (ya que, si no se ha trabajado en una única sesión, al
cerrar ArcMap y volver a abrirlo, encontraremos el menú vacío), se hará clic en Ras
Geometry/ Layer Setup. Una vez realizada esta operación seleccionaremos Ras
30
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Geometry/ Extrac Gis Data, en donde será obligatorio introducir la ruta y nombre del
archivo a exportar.
Figura 2.7: Exportación del archivo RAS
2.3 Preparación del modelo hidráulico en HEC-RAS.
Se inicia ahora la fase de estudio hidráulico, utilizando para este trabajo el software Hec-
Ras 5.0.0, elegido por ser capaz de realizar cálculos de perfiles de superficies de flujos
de agua estables e inestables. Luego de crear un nuevo proyecto en HEC-RAS será
necesario en primer lugar importar el archivo geométrico creado con Hec-GeoRas, dicho
archivo podremos obtenerlo si hacemos clic en la interfaz Hec-Ras en Geometric data
sobre File/ Import Geometry Data/ Gis format. Seleccionando el archivo a importar, se
despliega la ventana Import Geometry Data, compuesta por varias pestañas, la primera
Intro, donde debemos seleccionar el sistema de unidades en el que vamos a trabajar
(Sistema internacional), la segunda River Reach Stream, mostrará los tramos creados
existiendo la posibilidad de seleccionar los tramos a nuestro antojo (todos los tramos) , la
tercera pestaña Cross Sections and IB Nodes incluye toda la información existente en
31
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
las secciones y que deberemos de comprobar que todos sus elementos se encuentren
seleccionados, de lo contrario habrá que regresar a ArcMap y generar un archivo nuevo.
a)
b)
Figura 2.8: a) Geometría importada en HEC –RAS alejada, b) Geometría importada
en HEC-RAS donde se observa la confluencia de los tramos.
32
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Es necesario sobre las secciones creadas realizar un filtrado de puntos, ya que Hec-Ras
tolera un máximo de 500 puntos por sección, cifra muy superior la obtenida con el modelo
digital que logra extraer un punto por celda. Esta disminución selectiva de puntos se logra
haciendo clic dentro del editor de geometría en Tools/ Cross Section Point Filter, y
dentro de la ventana deberemos añadir todas las secciones. Al pulsar sobre Filter Point
Son Selected XS pondremos en marcha el algoritmo encargado de realizar el filtrado de
puntos, que en ocasiones indicará un mayor número de puntos eliminados respecto de
los conservados, no será motivo de peligro o alarma puesto que el mismo algoritmo
evitará que se produzca cualquier tipo de deformación en la sección.
Figura 2.9: Filtrado de puntos.
También un último paso para dejar las secciones listas para continuar, en este caso en
particular, se agregan levees al punto más elevado de los diques a cada lado, que definen
el cauce de cada sección, trabajo bien engorroso pero necesario porque en la geometría
de las secciones fuera del cauce, al ser una sección compuesta por dos diques, se
33
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
encuentran puntos más bajos que en el propio cause y entonces el programa comenzara
llenando todas las zonas bajas fuera o dentro por lo que no traerá resultados razonables.
2.3.1 Introducir de los valores de rugosidad de Manning.
Los valores de rugosidad empleados para cada sección, en el cauce del canal fueron
calculados según el método de Cowan antes expuesto, y para las llanuras de inundación
se les estimaron valores de 0.06 correspondiente a la existencia de pocos matorrales y
árboles en condiciones normales. Las determinaciones de los parámetros necesarios
para el cálculo de la rugosidad fueron identificados a través de un recorrido realizado a
la zona de estudio arrogando os siguientes resultados:
Los primeros 450 m del tramo corredor 3 desde aguas abajo se caracteriza por un
material del lecho de tierra con un grado de irregularidad del perímetro mojado de
moderado, donde las secciones varían ocasionalmente y la vegetación es baja
obteniendo un valor de rugosidad de 0.045 para las secciones que componen este región
En las secciones que se encuentran desde los 450 m hasta los 1200 m mantienen
características similares lo que la vegetación es más elevada y se categoriza como media
dando un resultado de 0.065. En el resto de las secciones se mantienen las
características lo que existe es un aumento de las obstrucciones debido al aumento de
la vegetación y obteniendo un valor de la rugosidad de 0.08.
a) b)
Figura 2.10: a) Región del tramo corredor 3 en los primeros 450 m. b) Región central
del tramo corredor 3.
34
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Figura 2.11: Región final del tramo corredor 3.
El tramo corredor 1 presenta características similares a la región del final del tramo de
corredor 3 por lo que presenta el mismo coeficiente de rugosidad de 0.08
Figura 2.12: Tramo corredor 1
Por último, el tramo Aridanes 2 presenta vegetación alta y una sinuosidad y presencia de
meandros apreciable por lo que presenta un valor de rugosidad de 0.092.
35
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Figura 2.13: Punto de confluencia de los tramos.
Una vez determinado los valores es hora de incorporarlos al modelo lo cual es
recomendable por una mayor operatividad de los datos, colocarlos de forma masiva en
una única tabla, para ello en el menú Geometric data pulsaremos sobre Tables/ Manning
n or k Values.
Figura 2.14: Tabla para incluir los valores de rugosidad de Manning.
36
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
2.3.2 Introducir la obra de fábrica.
La obra de fábrica que se encuentra aguas debajo del tramo corredor 3 se caracteriza
por ser una alcantarilla de cruce con cajones prefabricados, dichas obras se componen
de dos agrupaciones de cajones, una compuesta por 4, dos de ellos de dimensiones
2x2 m y los otros dos 2 m de ancho por 1.5 m de altura, con cotas de invertida aguas
arriba de 8.36 m y aguas debajo de 8.11 m, y la otra agrupación compuesta por 12
cajones de 2 m de ancho por 1.5 m de altura tiene una cota de invertida aguas arriba de
9.04 m y aguas debajo de 9.0 m, la cota de la carretera que pasa por encima de la obra
es la 10.93 m.
a) b)
Figura 2.15: Obra de fábrica. a) agrupación de 4 cajones, b) agrupación de 12
cajones.
Para incorporar la obra de fábrica al modelo fue necesario haber creado dos secciones
en ArcGIS, una agua arriba de la alcantarilla y otra agua abajo, después para crear la
alcantarilla se va a Geometric Data en el icono Brdg/Culv y se pone el número de
ubicación dentro del perfil que es de 75. La alcantarilla la componen el tablero
(Deck/Roadway) y la tubería de paso del agua (Culvert), el primero se les introduce las
características en Deck/Roadway y a la tubería en Culvert.
37
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
nhnhhh
a) b)
Figura 2.16: a) características de tablero, b) características del conducto.
Figura 2.17: Secciones de la obra de fábrica.
38
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
2.3.3 Introducir los datos hidráulicos.
Los datos hidráulicos que se deben introducir son: los caudales para los que se quiere
realizar la simulación y las condiciones de contorno, dichos datos se incorporan en
Steady Flow Data. Se crearon 10 perfiles de caudales, propiciando un aumento
progresivo de estos en cada tramo, asumiendo que el caudal que circula por el tramo
aridanes 2 represente el 36% del caudal total esto debido a que se conoce que el corredor
debe conducir un valor cercano a 300 m3/s y el que circula por aridanes 2 es de 110 m3/s
que es el caudal correspondiente al que debe aliviar la presa. para así identificar entre
que rango de caudales se encuentran las fallas del corredor de drenaje. En Reach
Boundary Conditions se introducen las condiciones de contorno de los diferentes
tramos. Las condiciones de contorno de aguas abajo de los tramos Aridanes 2 y corredor
1 y aguas arriba del tramo corredor 3 están definidas por la confluencia de los tramos.
Aguas debajo del tramo corredor 3 se y aguas arriba de los tramos corredor 1 y aridanes
2 se asume calado normal y se coloca la pendiente promedio que existe en el tramo de
influencia, pues se considera que el flujo aguas debajo de la obra de fábrica se aproxima
al uniforme.
Figura 2.18: Condiciones de contorno.
39
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Figura 2.19: Caudales de simulación.
2.3.4 Crear plan de simulación.
Para crear una simulación hidráulica es necesario crear un plan que incorpore un fichero
de geometría y otro de datos hidráulicos para esto se selecciona Run/Steady Flow
Analysis y se selecciona la geometría y los datos hidráulicos creados luego se elige el
tipo de flujo a simular que es mixto pues no se conoce con seguridad lo que sucede en
el corredor, una vez creado el plan se simula en Compute.
Figura 2.20: Plan de simulación
40
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Figura 2.21: Ejecución de la simulación.
Una vez ejecutada la simulación se guarda el plan y se exportan los resultados para
ArcGIS en File/Export GIS Data y se seleccionan los tramos y perfiles de caudales para
exportar.
Figura 2.22: Exportación de resultados a ArcGIS
41
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
2.4 Post-proceso en ArcGIS.
Al concluir la fase de creación y ejecución del modelo hidráulico en HEC-RAS se pasa a
la fase de visualización de los resultados en ArcGIS a partir de las opciones que brinda
la herramienta HEC-GeoR AS. Para lograr importar correctamente los resultados se crea
una carpeta que tenga una ruta corta y se copia allí el fichero (.sdf) de exportación. Con
en la opción Import RAS SDF File de Hec-GeoRAS se convierte el archivo del formato
sdf a xml que es con el que trabaja ArcGIS. A continuación, se seleccionar en la barra de
herramientas de Hec-GeoRAS RAS Mapping/ Layer Setup y completar la información
requerida para crear un nuevo marco de post-proceso. Indicaremos el nombre del
análisis, la ruta donde se encuentre el archivo de exportación ya en formato .xml,
seleccionaremos el terreno y la ruta de salida donde será almacenada la nueva base de
datos generada (usar una ruta corta).
Figura 2.23: Creación del marco de post-proceso.
42
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Para utilizar el nuevo archivo se selecciona RAS Mapping/ Read RAS GIS Import File,
y podremos observar que un nuevo marco de datos es abierto. Para crear las nuevas
capas de información para el formato RAS para observar la superficie de inundación se
selecciona RAS Mapping/ Inundation Mapping/ Water Surface Generation y se indica
el perfil a visualizar, luego se realiza la intersección entre el modelo digital del terreno y
el modelo de inundación generado con anterioridad. Para ello hemos de seleccionar RAS
Mapping/ Flood Plain Delineation/ GRID Intersectio, y se selecciona el modelo del
perfil a visualizar.
Figura 2.24: Selección del perfil a visualizar.
Figura 2.25: Delimitación de las llanuras de inundación a visualizar.
44
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Capitulo III: Análisis de los resultados.
En este capítulo se expone las zonas en los que ocurre desbordamiento de las márgenes
del corredor para sus correspondientes caudales, así como se analiza el funcionamiento
de la obra de fábrica para las diferentes condiciones de funcionamiento.
3.1 Análisis del comportamiento de las inundaciones en los diferentes tramos.
Para que se realice un mejor análisis de las zonas de inundación se dividirá esta en los
tres tramos existentes debido a la gran extensión de la zona de estudio.
3.1.1 Análisis del tramo corredor 1.
Para el análisis de los resultados se brindarán los caudales para los cuales se desbordan
las distintas zonas, así como las secciones en las que esto ocurre. Se comienza el
análisis para el primer caudal de simulación de 16 m3/s donde se identifica las secciones
finales, próximas a la confluencia donde ocurre desbordamiento de las aguas del cauce
del corredor debido a que en esta zona el corredor carece de dique derecho posiblemente
prescindiendo de este para que se esta zona la que capte las escorrentías que se
producen en áreas próximas al corredor.
Figura 3.1: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
16m3/s.
Zona de desborde
Superficie del agua
45
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Para los caudales de circulación de 32 y 48 m3/s se sigue manifestando la misma zona
donde ocurre el desborde debido a la no existencia del dique derecho en su secciones
finales lo que se incrementa la región de desborde.
Figura 3.2: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
48m3/s.
Figura 3.3: Sección donde comienza el desborde del agua para el caudal de 48 m3/s.
Zona de desborde
46
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Figura 3.4: Sección donde termina el desborde del agua para el caudal de 48 m3/s.
Para el caudal de 64 m3/s ocurre un desbordamiento en el dique izquierdo entre las
secciones 3700 y 3650 y manteniéndose el desborde en las secciones próximas a la
confluencia, entonces queda establecido 48 m3/s como caudal de seguridad para el cual
el corredor en este tramo no corre peligro de desborde con independencia de las
secciones finales que como ya se explicó no posee dique derecho.
Figura 3.5: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
64m3/s.
Zona de desborde
47
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Para 80 m3/s se aprecia que comienza a ocurrir desbordes en ambos diques, en el
izquierdo entre las secciones 3700 -3400 y en el derecho entre la 4250-4150 y 3850-
3750, por lo queda definido que para caudales menores o iguales a 64 m3/s el dique
derecho no corre peligro de desborde, se aclara que pueden ocurrir caudales entre 64 y
80 m3/s que pueden no desbordar el dique, pero se prefiere estar del lado de la seguridad.
Figura 3.6: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
80m3/s.
Una vez determinado a partir de que caudales comienzan a desbordarse ambos diques,
se muestra ahora la superficie total de inundación para el máximo caudal simulado, que
es de 198 m3/s, el resto de las superficies de inundación de los diferentes caudales se
agrega como anexo, pues es de utilidad para identificar las zonas de desborde en
correspondencia con el caudal que circulan, para que los proyectistas encargados de la
Zona de desborde
Zona de desborde
Zona de desborde
48
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
reconstrucción de acuerdo con el gasto de diseño del corredor tomen las soluciones
adecuadas.
Figura 3.7: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
198m3/s.
Como se aprecia el corredor en sus secciones iniciales no se desborda y el dique derecho
comienza a desbordarse a partir de la estación 5100 y el izquierdo a partir de la 4200.
3.1.2 Análisis del tramo aridanes 2.
Este tramo tiene como objetivo fundamental encauzar el agua proveniente del aliviadero
de la presa Aridanes como se ha explicado anteriormente, las pérdidas de la sección han
propiciado que se desborde ambos lados de su trazado para caudales relativamente
bajos comparados con los que debe conducir que es un aproximado a 110 m3/s. Cuando
circula 9 m3/s se puede observar que en varias zonas ocurre un desborde, aunque
pequeño se da la idea de que en este tramo no pueden transportarse grandes gastos sin
que ocurra una inundación parcial de la zona, hecho que ha provocado la pérdida de
múltiples cabezas de ganados en la zona, tras la ocurrencia de intensas lluvias ejemplo
49
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
de ello son las recientes lluvias de mayo de 2018 que causaron la perdida de cerca de
100 cabezas entre ganado vacuno y ovino.
Figura 3.8: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
9m3/s.
Con el aumento de caudal a 18 m3/s se observa el desplazamiento de la superficie del
agua hacia la región inferior del tramo y ocurriendo desbordamientos apreciables.
Figura 3.9: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
18m3/s.
Zona de desborde
Zona de desborde
Zona de desborde
50
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Con un caudal de 27 m3/s, ya se identifica un claro desborde de ambos lados en varias
regiones justificando lo antes mencionado en relación a la tolerancia del caudal de
circulación sin que ocurra inundación de las zonas aledañas.
Figura 3.10: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
27m3/s.
Figura 3.11: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
94m3/s.
Zona de desborde
Zona de desborde
51
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
La inundación completa de todo el tramo se produce con caudales superiores o iguales
a 94 m3/s. valor elevado pero inferior al que debe transportar, por lo que debe analizarse
las variantes intermedias colocadas en los anexos para que el proyectista de acuerdo a
las condiciones de diseño evalúe las opciones de reconstrucción.
3.1.2 Análisis del tramo corredor 3.
Comienza ahora el análisis del tramo más importante del corredor pues es el encargado
de proteger el poblado de Nela, en este los rebases de los diques no se manifiesta para
caudales menores de 75 m3/s.
Figura 3.12: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
75m3/s.
Para el caudal que se aprecia un rebaso de los diques es para 100 m3/s en el dique
Izquierdo entre las secciones 1900 y 1700, por lo que es 75 m3/s el caudal que puede
conducir el corredor sin que ocurra desbordes en los diques, esto no significa que este
valor sea el máximo, sino que es un valor seguro porque pueden existir valores a este,
eso sí menores que 100 m3/s, para los que no puede ocurrir el rebaso de los diques.
52
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Figura 3.13: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
100 m3/s.
Para 125 m3/s ocurre el desborde de la obra de fábrica y en las secciones finales
anteriores a esta el agua rebasa ambos diques. Por lo que el efecto de la obra de fábrica
en la circulación del agua provoca una obstrucción del flujo y un consecuente rebases de
los diques debido principalmente a las condiciones en que esta trabaja
Figura 3.14: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
125 m3/s.
Zona de desborde
Zona de desborde
Zona de desborde
53
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Para culminar con el análisis de este tramo se muestra el área de inundación para el
máximo caudal simulado de 310 m3/s, aquí se aprecia un desborde total del dique
Izquierdo, que es el más importante debido a la función que debe cumplir, mientras que
el dique derecho presenta algunas zonas en las que no se desborda, aunque son pocas
en comparación con las que si ocurre. El resto de los mapas de inundación de los perfiles
que no se incluyeron dentro del análisis se agregan en los anexos para brindar el mayor
estudio posible de la zona.
Figura 3.15: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
310 m3/s.
3.2 Análisis del funcionamiento de la obra de fábrica.
Para realizar el análisis de la obra de fábrica se visualizan los resultados del modelo en
HEC-RAS, para identificar a partir de que caudales se desborda y analizar flujo que
circula por cada alcantarilla.
La obra de fábrica se desborda cuando ocurren caudales entre 100 m3/s. y 125 m3/s.
como se muestra a continuación, donde para 100 m3/s el Q Weir, que representa el
caudal por encima de la alcantarilla, no tiene valor mientras que para 125 m3/s el Q Weir
es de 0.79 m3/s, lo que significa que para este caudal ya se desborda, para identificar el
54
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
caudal exacto se realizó varias simulaciones para lograr identificarlo dando como
resultado 122 m3/s.
Figura 3.16: Resultados de la alcantarilla 2x2(2) para 100 m3/s
.
Figura 3.17: Resultados de la alcantarilla 2x2(2) para 125 m3/s.
Caudal de desborde
Caudal de desborde
55
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Figura 3.18: Resultados de la alcantarilla 2x2(2) para 122 m3/s
Figura 3.19: Resultados de la alcantarilla 2x1.5(2) para 122 m3/s
56
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Figura 3.20: Resultados de la alcantarilla 2x1.5(12) para 122 m3/s
A continuación, se expone una tabla resumen con el caudal que conduce la alcantarilla y
el que sobrepasa esta para cada perfil simulado.
Perfiles
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Q alcant (2x2) 6.8 10.9 14.6 17.3 20.7 22.4 23.3 23.8 29.9 30.0
Q alcant (2x1.5)2 6.8 10.8 14.5 19.5 21.4 21.8 22.0 22.2 22.2 22.3
Q alcant (2x1.5)12 11.4 28.3 46.0 63.2 82.0 88.6 91.5 94.0 98.3 103.7
Q total alcant 25.0 50.0 75.0 100.0 124.2 132.8 136.8 140.0 150.4 156.0
Q Weir 0.0 0.0 0.0 0.0 0.8 17.2 38.2 60.0 109.6 154.0
Q total 25.0 50.0 75.0 100.0 125.0 150.0 175.0 200.0 260.0 310.0
Tabla 3.1: Resumen de caudales
57
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Una vez identificado el caudal de desborde, se analiza el flujo que circula por la obra de
fábrica, cabe señalar que a partir del desborde sobre la alcantarilla las alturas que toma
el agua no son las que da como resultado el programa esto debido a que el levantamiento
no cubre toda la zona y el área que influye a partir de que se desborda es mayor a la
representada, pero el análisis se realizó tomando como consideración los resultados del
programa para tener una idea de acuerdo a las alturas del agua el tipo de flujo que circula.
Se comienza con la agrupación de 2 cajones de 2x2 donde se manifiesta un régimen
supercrítico de circulación para todos los caudales simulados, la altura del agua en la
sección aguas arriba es mayor a partir de caudales superiores a 75 m3/s y en aguas abajo
lo supera a partir de caudales superiores a 200 m3/s. La simbología utilizada en la tabla
es la siguiente.
Q - caudal que circula por el grupo de cajones (m3/s).
Y1 -altura del agua en la sección aguas arriba de la alcantarilla (m).
Y4- altura del agua en la sección aguas abajo de la alcantarilla (m).
Yn-tirante normal (m).
Yn-tirante crítico (m).
Caudales de simulación (m3/s).
Parámetros 25 50 75 100 125 150 175 200 260 310
Q (m3/s). 6.82 10.9 14.57 17.27 20.73 22.36 23.29 23.77 29.87 30.04
Y1(m) 1.18 1.61 1.97 2.28 2.58 2.71 2.81 2.9 3.06 3.18
Y4(m) 1.13 1.3 1.43 1.54 1.64 1.74 1.82 1.89 2.05 2.17
Yn(m) 0.39 0.54 0.66 0.75 0.85 0.9 0.93 0.94 1.12 1.12
Yc(m) 0.67 0.91 1.11 1.24 1.4 1.47 1.51 1.53 1.78 1.79
Tabla 3.2: Resumen de resultados para la alcantarilla 2x2 de 2 cajones.
En la agrupación de 2 cajones de 2x1.5 se manifiesta un régimen supercrítico para cada
caudal simulado y para caudales mayores que 25 m3/s, la altura del agua en la sección
aguas arriba supera la altura del conducto de entrada por lo que la entrada es sumergida
y para causales mayores que 75 m3/s la altura del agua en la sección de la salida supera
la altura de la alcantarilla.
58
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Caudales de simulación (m3/s).
Parámetros 25 50 75 100 125 150 175 200 260 310
Q (m3/s). 6.77 10.83 14.45 19.51 21.44 21.82 22 22.18 22.21 22.33
Y1(m) 1.18 1.61 1.97 2.28 2.58 2.71 2.81 2.9 3.06 3.18
Y4(m) 1.13 1.3 1.43 1.54 1.64 1.74 1.82 1.89 2.05 2.17
Yn(m) 0.39 0.54 0.66 0.81 0.87 0.88 0.89 0.9 0.9 0.9
Yc(m) 0.66 0.91 1.1 1.34 1.43 1.45 1.46 1.46 1.47 1.47
Tabla 3.3: Resumen de resultados para la alcantarilla 2x1.5 de 2 cajones.
En la agrupación de 12 cajones de 2x1.5 un régimen subcritico para todos los caudales
simulados, en la sección de aguas arriba de la alcantarilla se sumerge a partir de caudales
mayores que75 m3/s y en la sección de aguas abajo nunca se encuentra sumergida.
Caudales de simulación (m3/s).
Parámetros 25 50 75 100 125 150 175 200 260 310
Q (m3/s). 11.42 28.27 45.98 63.22 82.03 88.61 91.54 94.03 98.31 103.7
Y1(m) 0.5 0.93 1.29 1.6 1.9 2.03 2.13 2.22 2.38 2.5
Y4(m) 0.24 0.41 0.54 0.65 0.75 0.85 0.93 1 1.16 1.28
Yn(m) 0.31 0.57 0.81 1.02 1.24 1.32 1.35 1.38 1.43 1.49
Yc(m) 0.28 0.52 0.72 0.89 1.06 1.12 1.14 1.16 1.2 1.24
Tabla 3.4: Resumen de resultados para la alcantarilla 2x1.5 de 12 cajones.
Por lo que se puede concluir que la obra de fábrica necesita un nuevo diseño si se quiere
que esta sea capaz de evacuar caudales mayores a 122 m3/s o aumentar el número de
conductos por donde circula el agua en dependencia del caudal que se utilice para llevar
acabo la reconstrucción.
59
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Conclusiones.
La identificacion de las zonas de inundaciones se logra a partir de la combinacion
de softwere que permitan obtener informacion georeferenciada como ArcGIS y
softwere de simulacion hidraulica como HEC-RAS, para poder representar los
resultados en la zonas correctas.
Los caudales que pueden conducir los diferentes tramos sin que ocurra desborde
de sus margenes son relativamente pequeños comparados con los que deben
conducir en la realidad debido a la pérdida de la sección, por lo que necesita un
reparación casi total del corredor y muy especial el dique izquierdo del tramo
corredor 3.
La obra de fábrica puede conducir en gasto máximo de 122 m3/s sin que ocurra
un desborde por encima de esta y para cuadales mayores que 200 m3/s la
alcantarilla de cuatro cajones funciona sumergida a la entrada y salida del
conducto por lo que se nesecitara ampliar el número de cajones si se quiere que
la obra sea capaz de avacuar el caudal que circula por el corredorsin que ocurra
peligro de desborde.
Recomendaciones
Para lograr un mejor estudio se deberá realizar un levantamiento topográfico más
extenso de la zona aguas debajo del abra de fábrica para proponer condiciones
de contorno un lo más acertada pasible.
Este procedimiento es válido utilizarlo para la completa evaluación ya sea de
cauces naturales o artificiales.
Su utilización es imprescindible a la hora de realizar el proyecto de reconstrucción.
Se debe aumentar el número de conductos en la obra de fábrica paar evitar un
desbordamiento de la misma.
60
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
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Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
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EN CUBA. .
62
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Anexos
1 Mapas de inundación de los caudales del tramo corredor 1.
Figura A1: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de 96
m3/s.
Figura A2: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
112 m3/s.
63
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Figura A3: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
128 m3/s.
Figura A4: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
166 m3/s.
64
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
2 Mapas de inundación de los caudales del tramo aridanes 2.
Figura A5: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de 36
m3/s.
65
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Figura A6: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de 45
m3/s.
Figura A7: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de 54
m3/s.
Figura A8: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de 63
m3/s.
66
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Figura A9: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de 72
m3/s.
Figura A10: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
112 m3/s.
67
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
3 Mapas de inundación de los caudales del tramo corredor 3.
Figura A11: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
150 m3/s.
68
Análisis del comportamiento de las inundaciones en el corredor de drenaje Nela a
partir de la simulación hidráulica
Figura A12: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
175 m3/s.
Figura A13: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
200 m3/s.
Figura A14: Superficie de inundación en el cauce del corredor para el caudal de
260 m3/s.