Manual HEC RAS

F.JavierSnchezSanRomnDpto.Geologa,UniversidaddeSalamancahttp://web.usal.es/javisan/hidro - 1 -

Julio 2007

Manual introductorio a HEC-RAS Conceptos bsicos Estudiamosuntramodeterminadodeunroyqueremossaberhastadnde

llegaraelaguasielcaudalalcanzaraunciertovalor.Sersuficienteelcauceprincipal?Hastaqualtura?Oserninundadaslasreasprximas,yenquextensin?

Larespuesta,parauncaudaldeterminado,dependerdelaformadelcauce,delapendienteydesunaturaleza(tipodemateriales,presenciadevegetacin,...).Elproblemasecomplicasiexistenpuentesuotrotipodeobras,osideseamossaberqusucederasiseconstruyeraunpuente,unacanalizacin,etc.

Enestedocumentosehaceunaintroduccinmuyelemental:aprenderlonecesarioparacomenzarautilizarelmodeloencasosmuysimples.Laaplicacinencasosreales,siemprecomplejos,requerirelestudioexhaustivodelosmanualesy,sobretodo,muchaexperiencia.

Elproblemaconstadedospartesbiendiferenciadas:

1.Evaluacindelcaudal

Normalmentequeremosevaluarelefectoproducidoporuncaudalmximo,porejemplo,conunperiododeretornode100aos.Esedatodecaudalpuedeobtenersemedianteuntratamientoestadsticodedatosdecaudales,o,sinodisponemosdeellos,calculandoloscaudalesquesegenerarnapartirdeunasdeterminadasprecipitaciones.Todoestosetrataenotrostemas,aqusuponemosqueelcaudalyaesundatoconocidodelproblema.

2.Evaluacindelreainundable

Comohemosindicado,laseccinqueocuparuncaudaldeterminadoylasreasdelvallequeserninundadasdependendelageometradelcauce,delapendienteydeotrosfactores.LaseccincorrespondienteaunciertocaudalsepuedeevaluarmediantelafrmuladeManningosimilar,apartirdelaseccinevaluarlaalturadelaguayapartirdestahacerunaestimacindelasreasqueserninundadas1.

PeroelmtodoidneoparaabordarestapartedeltrabajoesmedianteelprogramaHECRAS.EsunprogramagratuitoqueseobtieneenInternet2.(Estamosutilizandolaversin43)

1VerenComplementos:Clculodelaalturadelaguaparauncaudaldeterminado2http://www.hec.usace.army.mil/software/hecras/3Atencin:Hastaestafecha(julio07)laversin4deHECRASrequiereajustarelsistema

WindowsaIngls(medicenlosautoresqueestosevaasolucionarenbreve).Elcambioessencillo,peroenelrestodelosprogramasaparecernlasdecimalesylosformatosdefechaalmodoamericano:

Panel de control >> Configuracin regional y de idioma >> Ingls (Estados Unidos)


Haydosversionesdelprograma:HECRASyHECGeoRAS.SideseamosinteractuarconSistemasdeInformacinGeogrfica(ArcGIS,ArcView)debemosutilizarHECGeoRAS,queseobtieneenelmismositioweb.(EnestedocumentonosvamosareferiralprogramaHECRAS,noaHECGeoRAS).

ParaelfuncionamientodeHECRASdebemosaportardostiposdedatos:geomtricosydecaudales.

Losdatosgeomtricosfundamentalessondiversasseccionestransversalesalolargodelcauceocaucesconsiderados.Dichasseccionesseintroducenmediantelacotadevariospuntos;deestemodo,mediantelacotadedosseccionescontiguas,separadasporunadistanciaconocida,elmodelocalculalapendientedeesetramo.

Elcaudalpuedeserunsolovalorconstanteobienuncaudalvariableeneltiempo.

Lasfasesdetrabajosonlassiguientes:1.Creacindeunnuevoproyecto.(File >> New Project...)2.Datosgeomtricos(Edit >> Geometric Data...)3.Datosdecaudalesycondicionesdecontorno (Edit >> Steady (Unsteady) Flow

Data...)4.Clculo(Run >> Steady (Unsteady) Flow Analysis...)5.Observacindelosresultados(View >> varias opciones del men)

Comenzar a trabajar: ajustes iniciales Vamosarealizarelejemplomssimpleposible.Consideremosuntramodeunro,

ydosseccionestransversalesparacalcularlaalturaalcanzadaporelaguaparauncaudaldado.

Alabrirelprogramaapareceelcuadroprincipal:

Loprimero(yslolaprimeravezusemoselprograma)indicamosaHECRASqueutiliceunidadesdelSistemaInternacional(mtrico),as:MenOptions,opcin Unit system (US Customary/SI)....;enelcuadroqueaparecemarcarlasopcionesqueaparecenaquallado:


LaopcinSet as default...lamarcamosparaquetodoslosproyectosqueiniciemosenelfuturoyacomiencenconelSistemaMtrico)

AhorainauguramosunnuevoProyecto:EnelmenArchivo,elegimosNew project...AllhemosdedarnombrealProyecto(Title)yalArchivo(File Name).Elsegundo(File Name)esconelqueaparecerelarchivoguardado,cuandoloveamosenWindows.

Geometra del cauce

Dibujar el ro ParaabrirlaventanaGeometric Data,enelCuadroPrincipalpicamosenelbotn

yaparecelaventanaquemostramosacontinuacin:

Inicialmentepicamosenelbotn

,yelcursorseconvierteenunlpiz;consucesivosclicstrazamosunesquemadelcauce.Paraterminar,dobleclic:entoncesapareceuncuadroparadarlenombrealroyaesetramo(reach).

Puedeconsiderarseunroconunnicotramo,encuyocasodarleunnombrealtramoniconotienemuchosentido,peroesobligado.

Enlafiguraadjunta,hemoscreadountramodelRoGrandeyalnicotramolehemosdenominadoTramoestudiado(Laslneastransversalesrotuladascomo1y2annodeberanestarah:sonlasseccionestransversalesqueconstruiremosacontinuacin)

Secciones Transversales EnlaventanaGeometric Data(dondeacabamosdedibujarelcauce),picamosel

botn ,yapareceunanuevaventana:Cross Section Data.(figurapg5).Estaesfundamental:aquintroduciremoslaformatransversaldelcauceyotrosdatosbsicosparalacalidaddelresultado.

1.Crearunanuevaseccintransversal

EnelmenOptionelegimoslaopcinAdd a new Cross Section...


yapareceelcuadritosiguiente: >

Aqudebemosescribirunareferenciaparalaseccinquevamosacrear(darleunnombre),peroslosepuedenescribirnmerosyelpuntoolacoma.Lomselementalesnumerarlas:1,2,...SiempreteniendoencuentaqueenHECRASlanumeracinvaaumentandoaguasarriba,demodoquelanmero1estaralfinal,aguasabajo.

Sitrabajamosconunroformadoporvariostramos,paralosperfilesdelprimertramopodemosutilizar:1.1,1.2,...,paraelsegundo:2.1,2.1,...yassucesivamente.

2.Geometradelcauce

EnlamismaventanaCross Section Data,escribimosenlasdoscolumnasdelaizquierda:enlaprimeracolumna(Station)ladistanciadesdelamargenizquierda,enlasegundacolumna(Elevation)lacotadelfondodelcauceenesepunto(Ojo:NOprofundidades,sinocotasoalturasdesdecualquierpuntodereferencia).Porejemplo,supongamosquedisponemosdeestecroquisparaunaseccindelcauce(lalneadetrazosrepresentaelcauceprincipal):

EnlatabladelaventanaCross Section Data,introducimosesosdatosas: >

Picandoarribaen ,lageometradelaseccinaparecedibujadaaladerecha.

3.Distanciahastalaseccinsiguiente

EnlamismaventanaCross Section Data,enestecuadro>indicamoslasdistanciasdesdeestaseccinalainmediatasiguienteaguasabajo,queenestecasoes0,yaqueestaseccin1vaaserlaprimera(esdecir,notieneningunaaguasabajodeella):LOB,distanciaentrelasmrgenesizquierdas,ROB,entrelasmrgenesderechas,yChanneldistanciaalolargodelcentrodelcanal.Lgicamente,siindicamoslostresvaloresiguales,losdosperfilestransversalesconsecutivosaparecernparalelos.


4.Acotacindelcanalprincipal

Estospuntosdefinenlapartedelaseccinquepuedeconsiderarsecomocanalprincipal.Elrestodelaseccinseconsiderarcomollanuradeinundacin.

Seintroducendosvaloresdedistanciasenhorizontal,enesteejemplohemosescrito4.2y12.8(enelcroquisalpizestsealadoconunalneadetrazos).Ladistancia4.2coincideconunosdelospuntosquehabamosintroducidopreviamente,perola12.8no;poreso,trasintroduciresevalor,elprogramapreguntasiqueremoscrearesepunto,decimosqueS,yleadjudicarunacotainterpoladaalpunto12.8,queaparececomounanuevalneadedatosenlatabladelaizquierda.

Picamoselbotn ylosdospuntosqueacotanelcanalprincipalaparecenenrojo( )eneldibujo.Despusdetodoeltrabajorealizado,laventanaCross Section Dataapareceas:

(estaventanaCross Section Data ,lapresentamosaqucortadaendosparareproducirlasinreduccin)


5.ValoresndeManningycoeficientesdecontraccin/expansin

Picandoenlossignos queaparecenallado,sepresentanenpantallalastablasdevaloresdelcoeficientedeManning,paraelegireladecuado4

Elprogramautilizaloscoeficientesdecontraccin/expansinparadeterminarlasprdidasdeenergaentredosseccionescontiguas.Losautoresparaunatransicingradualaconsejan0.1(contraccin)y0.3(expansin),mientrasqueenlasproximidadesdeunpuentepuedenser,respectivamentede0.3y0.5omayores,porlamayorprdidadeenerga5

6.Otraseccintransversal

ParalaaplicacinmssimpledeHECRASsenecesitanalmenosdosseccionestransversalesdelcauce.Paraprepararotraseccindebemosrepetirtodoloquehemoshechoenlaprimera(puntos1a5anteriores).Perosilasegundaseccinesmuysimilaralaprimera,podemosduplicarla,yenlacopiaobtenidaelevarlascotasdeacuerdoconlapendienteobservadaenelcampo.Elprocedimientoseraelsiguiente:

EnlaventanaCross Section Data,enelmenOptions > Copy Current Cross Section...(AunquesedenomineCopy,enrealidadhacelafuncindeCopiaryPegar,esdecir,duplicalaseccinqueestbamosviendoynosofreceelsiguientecuadroparaquelepongamosnombrealanueva:

Enesteejemplo,lahemosllamado2.

CerrandoestaventanaconOK,aparecelanuevaseccin2enlaventanaCross Section Data,quedemomentoesidnticaala1.Supongamosque,ennuestroejemplo,hemosmedidoentredospuntosdelcaucesituadosaunadistanciade70metrosundesnivelde0,90metros.Sobrelosdatosdelaseccin2tenemosquecambiardoscosas:

a)Paraasignaratodalaseccinunacota0,40mmselevada,enelmenOptions > Adjust elevations...,yenelcuadritoquesale,escribimos:+0.40.DevueltaenlaventanaCross Section Data,picamosenelbotn yeneldibujoaparecerlaseccinconsusnuevascotas.

b)Hemosdeindicarqueestaseccinesta70metrosdelasiguienteestacinaguasabajo,paraello,cambiamoslosdatossiguientes:

(Comohemosdichomsarriba,setratadeladistanciamedidaporlamargenizquierda,porelcentroyporlamargenderecha)

4ReferenceManual,pp.8183

5ReferenceManual,pg88


CerramoslaventanaCross Section Data,yahoraenlaventanaGeometric Data,yadebenaparecerlasdossecciones1y2,igualqueenlafiguradelapg.3.(PodemoscerrarestaventanaGeometric Data)

Caudales

EnlaventanaprincipaldeHECRAS,picamoselbotn ,obien,menEdit > Steady Flow Data...

Enprimerlugarhayqueindicarelnmerodeperfiles(Profiles)quehayquecalcular.Conperfilesserefiereadiversashiptesisdeclculoquedeseamosplantearsimultneamente,paravarioscaudales.Esnecesarioalmenosundatodecaudalparacadatramoycadaperfil.

Ennuestroejemplo,hemosindicado(arriba)2perfiles,queapareceninicialmentecomoPF1 yPF2.Posteriormente,loshemosrenombradocomo50 aos y 200 aos,(supongamosquesetratadecaudalesderetornoparaesosperiodos).ElcambiodeesosnombressehaceenelmenOptions> Edit Profile Names...Paracadaunodelosdosperfilesintroducimosundatodecaudal(enm3/s)

Losdatosdecaudalseintroducencomenzandoaguasarribaparacadatramo.Cuandoseintroduceuncaudalenelextremosuperior(aguasarriba),elprogramasuponeelmismocaudalparaelrestodeseccionesdentrodeesetramodelro,aunquepuedencambiarseencadaseccin.

Ennuestroejemplo,hemosindicadoelcaudalparalaseccin2(verenlafiguraanterior: ),queeslaseccinqueestsituadaaguasarriba,asqueelprogramasupondrqueporlaseccin1(aguasabajo)pasaelmismocaudal.

Condiciones de contorno Enlaventanaenqueintroducimoslosdatosdecaudalesesnecesarioespecificar

lascondicionesdecontorno(Boundary conditions),picandoarribaen6apareceunanuevaventana.

6UsersManual,pag256,ReferenceManual,pg91(nmerodepginadeldocumentoAcrobat)


HECRASnecesitaestainformacinencadatramoparaestablecerelniveldelaguainicialenambosextremosdeltramodelro:aguasarribay/oaguasabajo.Enunrgimensubcrtico7slosenecesitaenelextremodeaguasabajo(downstream);enrgimensupercrtico,sloesnecesarioaguasarriba(upstream),ysisevaacalcularenunrgimenmixto(porvariacionesdelcaudal),senecesitaraenambosextremosdeltramo.

Estascondicionesdecontornopuedenvalerparatodoslosperfiles(esdecir:hiptesisdeclculo,varioscaudales,ennuestroejemplo:dos),obien,podemosdesearindicarloespecficamenteparacadaperfil,picandoenlaopcinSet boundary for one prof i le at a t ime (=Indicarlascondicionesdecontornoparacadaperfil).

Existencuatroposibilidades(verlosbotonesdelafiguradearriba):

Alturasdelasuperficiedelaguaconocidas(Known Water Surface Elevations).Elusuariodebeintroducirlaalturadelaguaparacadaunodelosperfilesquesevanacalcular

Profundidadcrtica(Critical Depth).Conestaopcin,elusuarionotienequeintroducirnada.Elprogramacalculalaprofundidadcrticaparacadaunodelosperfilesylautilizarcomocondicindecontorno.

ProfundidadNormal(Normal Depth).Enestecaso,elusuariodebeintroducirelpendientedelalneadeenerga(egergyslope)queseutilizarparacalcularlaprofundidadnormalenesepunto(ecuacindeManning).Sinoseconoceesedato,sepuedesustituirporlapendientedelaguaolapendientedelfondodelcauce.

Curvadegastos(Rating Curve).Enestaopcindebemosintroducirunaseriedeparejasdevaloresnivelcaudal

Ejecucin del modelo EnlaventanaprincipaldeHECRAS,menRun > Steady Flow Analysis...(yaqueen

estecasohemosutilizadouncaudalconstante(Steady).Aparecelacorrespondienteventana(pginasiguiente).

Sihemospreparadodiversasgeometras(tramosysecciones)yvarioscaudales,aqupodremoselegirconcualesdeellosvamosaejecutarlosclculos.

7Subcrtico(~flujolento)=nFroude1


Tambinhemosdeespecificarsielrgimenessubcrtico(lento)osupercrtico(rpido),loquedebeestardeacuerdoconlascondicionesdecontornoespecificadas:enrgimensubcrtico,condicionesdecontornoaguasarribadeltramo,rgimensupercrtico,condicionesespecificadasaguasabajo.

LoqueapareceenestaventanacomoPlaneselconjuntodecondicioneselegidasparaefectuarlacomputacin(geometra,caudal,rgimen).EnelmenFilesepuedeguardarestePlan(Save Plan)ocomenzarunonuevo(New Plan).

Picandoen seejecutarelmodelo,ysinoobtenemosmensajesdeerror,podremosverlosresultados.

Observacin de los resultados EnlaventanaprincipaldeHECRAS,menView disponemosdevariasopciones:

Seccionestransversales(menView >>Cross Sections...)

o Perfillongitudinal(menView >> Water Surface Profiles...) Vistaenperspectiva(menView >> X-Y-Z Perspective Plots...) Curvadegastos(menView >> Rating Curve...) : Relacin altura-caudal Tablaparacadaseccin (menView >> Detailed Output Tables) Tablaparatodoeltramo (menView >> Profile Summary Table)


Apndice.TraduccinInglsEspaoldealgunaspalabrasoexpresiones

Add a new Cross Section... Aadirunanuevaseccintransversal

Cross Section Seccintransversal(delcauce)

Downstream Reach Lenghts Distancias(hastalasiguienteseccin)aguasabajo

Enter a new river station for the new cross section in reach...

Introducirunareferenciaparalanuevaseccintransversaleneltramo...

Geometric Data DatosGeomtricos

New project... Nuevoproyecto...

Plan Plan(conjuntodedatosgeomtricosydecaudalqueseeligenparaefectuarlosclculos)

Profile Perfil(Hiptesisdeclculoconunciertocaudal)

Reach Boundary Conditions Condicionesdecontorno(deesetramo)

Reach, River Reach Tramo,Tramodelro

River Station Referencia(unnmero)decadaseccintransversal

Select existing River or enter a new River name, and enter Reach name

SeleccioneunnombreyaexistenteointroduzcaunnuevonombreparaelRio,eintroduzcaunnombreparaelTramo

Set as default for new projects Establecerpordefectoparanuevosproyectos(osea:Recordarestaeleccinenelfuturo)

Set boundary for all profiles Establecercondicionesdecontornoparatodoslosperfiles(paratodosigual)

Set boundary for one profile at a time Establecerlascondicionesdeocntornodelosperfilesunoporuno

Station (Enlageometradelasseccionestransversales:)situacindecadapuntodelaseccin,enmetros

Steady Flow Caudalconstante,oflujouniformeorgimenpermanente

System International (Metric System) SistemaInternacional(SistemaMtrico)

Unit system (US Customary/SI) Sistemadeunidades(USA/SistemaInternacional)

Unsteady Flow Caudalvariable,oflujonouniformeorgimenvariable

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