Chapter 5 Conclusion and Future Work
5.2 Future Work
EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) es un modelo hidrodinámico que se puede utilizar para simular sistemas acuáticos en una, dos y tres dimensiones. Ha evolucionado en las últimas dos décadas para convertirse en uno de los modelos hidrodinámicos más utilizados y técnicamente defendibles en el mundo. EFDC utiliza una coordenada vertical sigma y coordenadas horizontales curvilíneas para representar las características físicas de un cuerpo de agua. Soluciona ecuaciones 3D, ecuaciones hidrostáticas, ecuaciones promedio de movimientos turbulentos de un fluido para una variable densidad de fluido. Ecuaciones de transporte dinámi- camente acoplados para la energía cinética turbulenta, escala de longitud turbu- lento, la salinidad y la temperatura también se resuelven. La física del modelo
EFDC y muchos aspectos del esquema de cálculo son equivalentes al modelo ampliamente utilizado Blumberg-Mellor y US Army Corps of Engineers modelo Chesapeake Bay (EPA(United States Enviromental Protection Agency)).
El EFDC se compone de cuatro módulos principales: i) hidrodinámico, ii) de cali- dad de agua, iii) de transporte de sedimentos y contaminantes y iv) de tóxicos. El módulo hidrodinámico se compone, a su vez, de otros seis bloques que incluyen dinámica (profundidad de agua, velocidad, mezclado, etc.), trazadores, temperatu- ra, salinidad y vertidos de campo cercano y lejano. Dicho módulo se ha visto forta- lecido con la introducción de la resistencia de la vegetación, los procesos de inundación – secado y la representación de la estructura hidráulica, entre otros. De
este modo, es posible su aplicación sobre marismas o sistemas de flujo controla- do. Este modelo ha sido aplicado, por ejemplo, para llevar a cabo el modelado tri- dimensional de los procesos hidrodinámicos del estuario de Santa Lucía, en la costa sur de Florida en los Estados Unidos; para realizar simulaciones de proce- sos estuarinos que implican fenómenos de inundación – secado o para desarrollar estudios numéricos de estratificación salina. Por último, cabe comentar que este modelo provee la información hidrodinámica necesaria al modelo de calidad de agua WASP (Celorio, 2011).
El modelo produce una variedad de mensajes en tiempo real y salidas para fines de diagnóstico y monitoreo, así como un archivo de reinicio. Un número de opcio- nes existen para el ahorro de tiempo y la creación de archivos de tiempo secuen- ciados para cortes de contorno horizontal y vertical, color-sombra y parcelas vectoriales. El modelo también da salida a una variedad de formatos de archivo matriz para vectores tridimensionales y la visualización de un campo escalar y animación de paquetes de visualización con una serie de datos de dominio públi- co-privado y de bajo costo.
El modelo EFDC utiliza ecuaciones hidrodinámicas y de transporte y se basa en tres dimensiones. Son ecuaciones hidrostáticas formuladas en coordenadas hori- zontales curvilínea-ortogonales y una sigma de coordenada vertical. Las ecuacio- nes son (The Enviromental Fluid Dynamics Code Theory and Computation, 2007):
/ 3.1
3.3
,
,
3.4donde y son las componentes horizontales de la velocidad en la dimensión curvilínea ortogonal de las coordenadas horizontales e , respectivamente. Los factores escalares de las coordenadas horizontales son y . La velocidad vertical en la extensión de la coordenada vertical es . Las coordenadas verti- cales físicas de la superficie libre y del lecho inferior son
y
respectivamente.La profundidad total de la columna de agua es , y
ø
es el potencial de superficie libre, el cual es igual a.
La aceleración efectiva de Coriolis incorpora el término de curvatura de aceleración, con el parámetro de Coriolis, f, de acuerdo3.3. El término en
/
3.1/
3.2 representa términos de difusión de impulsos horizontales. La viscosidad de turbulencia verti- cal se representa por el término . La presión cinemática atmosférica, con refe- rencia a la densidad del agua, es , mientras que el exceso de presión hidrostática en la columna de agua está dada por:3.5 Donde y son las densidades de agua reales y es la flotabilidad. La impor-
/
3.1 y/
3.2, siendo la horizontal de viscosidad turbulenta, se mantienen normalmente cuando la acele- ración advectiva esté representada por las diferencias centrales. Los últimos/
3.1 y/
3.2 represen- tan la resistencia de la vegetación donde es un coeficiente de resistencia y es el área de vegetación de menor dimensión proyectada, normal al flujo por uni- dad de superficie horizontal. La ecuación de continuidad tridimensional del sistema de coordenadas horizontal en la extensión vertical y curvilínea - ortogonal es (The Enviromental Fluid Dynamics Code Theory and Computation, 2007):3.6 con representando fuentes de volumen y sumideros incluyendo precipitacio- nes, evaporación, y las entradas laterales y salidas que insignificantes. Los térmi- nos y son los flujos volumétricos netos de sedimento y agua entre el lecho y la columna de agua, definida como positiva desde el lecho a la columna de agua, cuando el modelo opera en una modo geomorfológico. La función delta,
3.6sobre la profundidad da:
3.7 En el modo geomorfológico, la ecuación de continuidad de columna de agua está acoplada a una ecuación de mayor conservación de volumen para el lecho de se- dimentos.
3.8 donde es el espesor total del lecho de sedimentos resuelto y es la entrada volumétrica de dichas aguas ambiente en la parte inferior del lecho de sedimentos. La superficie de elevación del lecho está definida por:
3.9 donde es el tiempo de elevación invariante de la parte inferior del lecho de
3.9, la ecuación 3.8 se puede escribir como:
3.10 3.7
3.10 se obtiene:
3.11 donde la elevación de la superficie de agua, , se define por:
3.12
3.11 utilizando uno de los dos pasos del procedimiento. El primer paso correspondiente al modo estándar externo está implícito en solución hidrodinámica siguiente:
/
3.13 donde es el paso de tiempo entre y
1
. La anotación de nivel de tiempo intermedio, , denota un promedio entre los dos niveles de tiempo. El segundo paso se toma después que la ecuación de continuidad volumétrica del lecho sea actualizada para un nivel de tiempo1
:/
3.14
/
3.13 y/
3.14 da la equivalencia al paso completo:
/ /
3.15
La profundidad de la columna de agua se actualiza luego por:
3.16
antes del próximo paso del tiempo hidrodinámico. La ecuación de transporte gené- rico para un material disuelto o suspendido que tiene una concentración de masa por unidad de volumen C, es.
3.17 donde y son los coeficientes de difusión turbulenta verticales y horizontales, respectivamente, es una velocidad positiva y representa un material en
suspensión, y representa fuentes y sumideros externos y fuentes y sumideros de reactivos internos (The Enviromental Fluid Dynamics Code Theory and Computation, 2007).