Requerimientos iniciales de archivos:
Geometría.
Flujo cuasi-permanente.
Sedimentos.
Plan de análisis de sedimentos. Ingreso de datos de sedimentos:
Una vez ingresada la geometría, se deben ingresar los datos necesarios para llevar a cabo la modelación de transporte de sedimentos. Sin embargo es recomendable que se corran algunos perfiles utilizando la opción de análisis de flujo permanente, con el fin de depurar errores que puedan presentarse en la modelación hidráulica, antes de intentar una modelación de lecho móvil. En Edit se ingresa en la opción Sediment Data, y aparece el editor:
Condiciones iniciales y parámetros de transporte:
Por defecto el editor se abre en la pestaña Initial Conditions and Transport Parameters, donde se puede especificar la función de transporte que se va a usar, el método de selección de las partículas, método de velocidad de caída, volumen de control de sedimentos y la gradación asociada con cada sección transversal.
- Función de transporte (Transport Function): se puede seleccionar una entre:
Ackers y White,
England y Hansen,
Laursen (Copeland),
Meyer, Peter y Müller,
Toffaleti,
Yang (ecuaciones de grava y arena),
Wilcock.
Es necesario revisar las condiciones (hidráulicas y de sedimentos) para seleccionar la ecuación adecuada, que mejor se ajuste a las condiciones de la modelación.
- Método de selección (Sorting Method): se puede seleccionar uno de los dos métodos disponibles:
Exner 5: que permite modelar un lecho con tres capas, así como la formación de una capa de material grueso en la superficie que limita la erosión del material más profundo. Es el método por defecto seleccionado en el programa.
Capa activa (Acrive layer): es un método simplificado de dos capas, donde la capa activa se asume de grosor igual al d90 de la
capa. Esta suposición es únicamente apropiada para lechos de grava y debería usarse con el método de transporte de Wilcock particularmente.
- Método de velocidad de caída (Fall Velocity Methods): se puede seleccionar una entre:
Ruby
Toffaleti
Van Rijn
Report 12 (método por defecto en HER-6).
- Profundidad máxima o elevación mínima: en la grilla que se encuentra en la pestaña, se puede llevar registro de cada sección transversal del modelo, con columnas que asocian el río, el tramo y la estación. La información se puede filtrar por río (river) o tramo (reach) para enfocar el estudio en un sector de estudio particular. En HEC – RAS se asocia un volumen de control de sedimentos para cada sección transversal, como se muestra en la figura, que va desde la mitad de la distancia entre la sección de estudio y las secciones aguas arriba y aguas abajo. El ancho y grosor del volumen de control los debe especificar el usuario. La extensión vertical del volumen de control en la sección transversal se representa con una línea punteada.
El espesor del volumen de control de sedimentos se puede especificar en las columnas Max Depth ó Min Elev. La columna de Max Depth permite ingresar ese dato como una distancia por debajo del fondo original del canal, de modo que el software calcula la Elevación Erosionable Mínima como el fondo original del canal menos esa distancia. La opción de Min Elev, permite el ingreso de una elevación por debajo de la cual el modelo no puede erosionar, como en el caso de un fondo de roca, el fondo de un canal artificial, etc; el modelo entonces permite erosión mientras que el thalweg exceda esta elevación, de lo contrario no ocurrirá entrada de material ni degradación del canal.
- Límites de la sección transversal móvil: es el ancho del volumen de control. Los límites laterales para deposición se especifican en las columnas de Sta
Left y Sta Right. HEC – RAS permite la deposición en todo el perímetro mojado, pero sólo permite la erosión de la sección definida con los límites del lecho móvil. Una vez fijadas las estaciones de lecho móvil, debe haber un punto elevación-estación en este punto de la sección transversal, pero si no se tiene especificado, el programa lo agrega automáticamente. Únicamente se suben o bajan los puntos de la sección que se encuentran entre esos límites. Debe tenerse en cuenta la selección de los límites de modo que no se ocasionen elevaciones en las bancas a menos que se justifique
físicamente. El botón situado en la parte de abajo Use Banks for Extents, permite establecer los límites del lecho erosionable como las bancas del canal principal, para estimaciones iniciales.
- Gradación del lecho: cada sección debe tener asociada una gradación del lecho. HEC – RAS requiere inicialmente la creación de patrones de gradación del material de fondo. Estos pueden asociarse con un rango de secciones transversales.
o Patrón de gradación: se crean en el botón Define/Edit Bed
Se pueden ingresar los datos de dos formas:
% de finos (%Finer): es la curva de gradación
acumulativa con el porcentaje de finos asociados con la media geométrica de cada clase de grano. El diámetro establecido para cada clase es el límite superior de esa clase, los valores deben ingresarse en porcentaje. Es el porcentaje que pasa.
Fracción o peso (Grain Class Fraction/Weight): se especifica la fracción de muestra de cada clase de grano, si el 20% de la muestra es arena fina, se ingresa el valor de 20. Los valores se normalizan de modo que no deben acumularse hasta 100%. El límite superior del diámetro del grano se asocia con cada clase de grano para delinear el rango de la clase.
Al crear un nuevo patrón, se le puede nombrar particularmente, si se tiene más de una gradación.
Una vez definidos los patrones, éstos se pueden desplegar y asignar en la columna Bed Gradation de la sección de edición (Sediment Data). Si se tiene la misma gradación para diferentes secciones transversales, una vez seleccionado el patrón en la sección de edición, éste se puede arrastrar del mismo modo en que se traslada una fórmula en Excel.
o Interpolación: cuando la geología del canal justifica que se asuman transiciones graduales del lecho, éstas se pueden interpolar. Se asigna el patrón respectivo a dos secciones, sin asignar patrón alguno a las intermedias, y se oprime el botón Interpolate Gradations en el editor de datos de sedimentos. De ese modo queda escrito en la celda correspondiente a las
secciones intermedias la palabra “Interpolated”. Si una sección transversal se encuentra entre una gradación definida y el fin aguas arriba o aguas abajo del río, el patrón de gradación más cercano se copia al nodo.
Condiciones límite de sedimentos
En la pestaña “Boundary Conditions” en el editor de datos, las cargas de sedimentos se pueden especificar en variedad de lolalizaciones y formatos. El formato automáticamente enlista los límites externos del modelo, y para cada límite externo deben ingresarse condiciones límites de sedimentos. Así mismo se pueden agregar condiciones límites laterales.
- Agregar localización de límite de sedimentos: aunque se listan
automáticamente los límites externos, el usuario debe especificar las
localizaciones internas donde se requieren condiciones límite de sedimentos. Para agregarlas se presiona el botón Add Sediment Boundary Location
(s). Se despliega un cuadro de edición en el que se pueden seleccionar (del listado) y borrar estaciones, “river stations” (botón Clear Selected Listó doble click en la estación a eliminar). Cuando se seleccionan las
localizaciones, éstas aparecen en el editor, pero el tipo de carga estará en blanco. De acuerdo con las propiedades de una localización dada, estarán disponibles diferentes botones de condiciones límite de sedimentos.
o Carga de equilibrio (equilibrium load): solamente está disponible para las secciones transversales externas y se determina por la capacidad de transporte. HEC – RAS calcula la capacidad de
transporte de sedimentos para cada paso de tiempo en la sección especificada y ésta será utilizada como la entrada de sedimentos al sistema. Como se establece la carga igual a la capacidad para
cada tamaño de grano, no se presentará agradación o degradación en esa sección transversal.
o Curva de clase (rating curve): esta curva determina una entrada de sedimentos de acuerdo con la entrada de agua. La entrada de agua puede ser el “upstream boundary flow series”, una serie lateral de flujo o una serie uniforme lateral de flujo. Una de esas series de flujo debe estar asociada con una estación, para que la opción de “rating curve” esté disponible para esa sección
transversal. Si se escoge una curva para una estación con serie lateral uniforme, la carga se distribuye a lo largo de la sección de la misma forma que el fluido. Cuando se selecciona la opción Rating Curve se abre el editor de especificaciones de carga, Load Specification. Las curvas de clase del sedimento relacionan la carga de sedimento entrante con la descarga de agua, de modo que debe establecerse en ese editor una serie de parejas de valores de flujo-carga. En Number of flow-load points, se selecciona el número de columnas para cada par de datos de flujo-carga. Deben ingresarse flujos en un rango que represente el flujo esperado e la simulación, de modo que si se presenta un flujo mayor al máximo establecido, HEC – RAS no extrapola un valor, sino que usa la mayor carga de sedimento especificada. Flujos por debajo de lo ingresado, se interpolan asumiendo que no hay carga de sedimentos cuando no hay flujo. El botón Plot permite graficar e l flujo contra la carga total en escala logartítmica.
En las especificaciones de carga se tiene un flujo y una carga total asociada, en masa por unidad de tiempo. La gradación de las cargas de sedimentos debe especificarse para cada columna; no debe usarse el porcentaje de finos en ella, ya que se trata de fracciones. Los porcentajes o fracciones decimales se ingresan para cada clase de grano y para cada carga. Si el total de fracciones decimales no suma 1, HEC – RAS lo normaliza en los cálculos para que un flujo dado produzca la carga total dada, de acuerdo con las razones de los tamaños de grano.
o Cargas puntuales y cargas distribuidas: si se requiere ingresar una carga que no esté relacionada con un límite de flujo, puede
ingresarse como una serie de carga de sedimentos. Como no se tiene dependencia con un límite de flujo, puede asignarse a cualquier sección transversal, salvo por el último nodo aguas abajo. Se ingresan las cargas del mismo modo que los datos de series de flujo (flow series data). También las series temporales de carga de sedimentos requieren información del tamaño de las partículas. Entonces, debe ingresarse una curva de clase (rating curve), para definir la distribución de tamaños de grano para los rangos de cargas.
- Límite de paso aguas abajo: Es para fijar el límite aguas debajo del modelo, para evitar que éste se agrade o degrade. Se usa pare estudios de canales de laboratorio y para límites aguas abajo definidos con profundidad normal. Cuando se usa éste límite, el material que se transporta fuera del control aguas abajo, es el mismo que entra. Para fijarlo se selecciona la opción Set downstrem pass-through boundary en la parte de debajo de la pestaña de Boundary conditions, en el editor de sedimentos.
- Opciones de propiedades de sedimentos: para cambiar los valores que por defecto asume HEC – RAS se encuentran las opciones (Options) en el editor de sedimentos. Solo se deben cambiar los valores por defecto si es
o Set sediment properties: abre un diálogo que permite cambiar el peso unitario (densidad), la gravedad específica y el factor de forma.
Gravedad específica: por defecto es 2.65, sin embargo no siempre esta afirmación es válida. Sólo se puede establecer una gravedad específica para un archivo de datos de
sedimentos dado.
Factor de forma: es la relación entre el lado más corto y el más largo de un grano. Una partícula esférica tiene un factor de 1, mientras que una oblonga el doble de larga que de ancha tiene uno de 0.5. El únic lugar en que HEC – RAS usa este parámetro es en el cálculo de la velocidad de caída, con el método Report 12.
Peso unitario / densidad: se usa para convertir
depositadas o erodadas, que se convierten en cambios en la elevación del lecho. Se usan tres valores para definir arena, grava y limos y arcillas. Los tres parámetros se pueden cambiar.
o Set cohesive options: el método que se selecciones se aplica a limos y arcillas. El transporte de finos puede calcularse con una aproximación estándar de capacidad de transporte, que usa el método seleccionado para clacular el potencial de transporte de limos y arcillas, o alternativamente las ecuaciones de Krone y Parthenaides (para éste método deben especificarse los umbrales de erosión, rata de erosión, umbral de masa de erosión y rata de erosión de masa).
o User defined grain clases: las que se encuentran por defecto en HEC – RAS son:
El usuario puede definir otro set de clases de grano, para enfocar con mayor detalle un rango de tamaños en articular o tamaños de grano específicos del modelo. Con esta opción el usuario puede cambiar las clases de grano por defecto de HEC – RAS. Al
seleccionar la opción se abre un diálogo como el que se muestra a continuación, que muestra los valores por defecto en el programa, con una línea de texto en la parte de abajo con un mensaje de “Currently Default”, si ese es el caso.
HEC – RAS maneja veinte clases de grano que son secuenciales y se incrementan, aun cuándo sólo algunas clases de grano se usan en los cálculos. Ya que los tamaños de grano deben ser
secuenciales, los tamaños más pequeños se toman como el límite superior de la clase anterior. El usuario puede editar las clases de gano cambiando entonces los límites superiores (max). Las
medias geométricas las calcula el programa, no tienen que
editarse directamente. Una vez hechoas los cambios, el diálogo en la parte de bajo dirá “Currently Customized”. Los cambios pueden revertirse presionando el botón Defaults.
o Observed data: en HEC – RAS se pueden ingresar elevaciones observadas, que permiten realizar comparación con perfiles de lecho simulados u otros parámetros conocidos. En el cuadro de diálogo que aparece se pueden ingresar datos para una o más secciones transversales. Esas elevaciones del lecho entonces quedan disponibles para ser observadas con otros resultados de perfiles.
Ingreso de datos de flujo cuasi-permanente
La aproximación de flujo cuasi – permanente aproxima un hidrograma de flujo con una serie de perfiles de flujo permanente, asociados con duraciones de flujo correspondientes. Para este análisis se requiere información diferente que la que se necesita para flujo permanente o variado. Se encuentra disponible la opción Quasi – Unsteady Flow que se despliega en el menú Edit con el botón de la ventana principal de HEC – RAS.
Condiciones de frontera
Cada límite aguas arriba (la sección transversal que se encuentra más aguas arriba de un tramo abierto aguas arriba) debe tener especificada una condición de frontera de series de flujo. Las opciones de límites internos, incluyen series de flujo lateral (Lateral flow series) y series de flujo lateral uniforme (Uniform lateral flow series). Cada límite aguas abajo (la sección transversal más aguas debajo de un tramo abierto aguas abajo) puede ser series de tiempo de
elevaciones (Stage time series), curva incrementos (Rating curve) ó profundidad normal (Normal depth).
- Series de flujo: el editor de flujo cuasi – permantente lista las secciones que corresponden a cada condición de frontera externo. Para realizar un análisis de sedimentos en HEC – RAS se requieren las especificaciones de condiciones de frontera externos. Para un límite externo aguas arriba, se usa la opción Flow Series. Al hacer click en el espacio en blanco de la columna Boundary Condition Type, asociado con el nodo aguas
arriba, y al presionar en el botón de Flow Series, se abre el editor de series de flujo.
o Flow Series: como el flujo cuasi – permanente puede tener pasos de tiempo irregulares (variables), cada flujo especificado debe tener asociada una duración de tiempo (en el cual el flujo es constante).
Adicionalmente se debe ingresar un paso de tiempo computacional para cada anotación.
Flow duration: para aproximar un hidrograma de flujo como una serie de flujos permanentes, cada perfil de flujo
permanente debe tener una duración. La duración entonces se divide en una serie de incrementos computacionales en los cuales ocurre el enrutamiento del sedimento. Debido a la naturaleza no lineal del movimiento de sedimento aluvial, el transporte de concentra usualmente en los eventos de picos de flujo. Estos eventos son normalmente de duración corta y se caracterizan por un flujo rápidamente cambiante. Debido a esa no linealidad, es necesario un paso de tiempo irregular. Flujos bajos, correspondientes a transporte
moderado a bajo (o cambio de lecho), usualmente se aproximan con pasos de tiempo largos. Mayor detalle (pasos de tiempo más cortos) es beneficioso para flujo alto y regiones del hidrograma con transporte alto.
Las duraciones de flujo se especifican en la columna correspondiente de la grilla de datos. Cada tiempo (en horas) representa la duración del flujo para esa parte del hidrograma. Todos los campos de la grilla permiten que los valores sean arrastrados a otras celdas, entonces, las
porciones de datos del record que tengan el mismo paso de tiempo, pueden ingresarse una sola vez y luego ser
arrastradas por la región pertinente. Las duraciones de flujo para diferentes condiciones de frontera no necesitan
coincidir. Si se tienen diferentes paso de tiempo para las condiciones de frontera, HEC – RAS realiza el cálculo utilizando el paso de tiempo más pequeño, común a todas las fronteras.
Computation Increment: la modelación de flujo cuasi – permanente se basa en asumir que los cambios en la geometría del lecho entre cálculos de parámetros hidráulicos, no son suficientes para alterar de forma apreciable la hidrodinámica. Esto significa que la hidrodinámica (“backwater computations”)no debe
calcularse tan a menudo como el transporte de sedimentos, acortando entonces el tiempo de corrida del programa. Sin embargo, la estabilidad del modelo de sedimentos y
precisión dependen de qué tanto cambio se presente en el lecho, entre los cambios (actualizaciones) en su geometría y el efecto que estos tienen sobre las velocidades y
profundidades para un volumen de control dado. Si la geometría del canal se actualiza con muy poca frecuencia, se puede depositar o erodar demasiado material en un paso de tiempo dado, haciendo que el modelo corrija en el
siguiente paso de tiempo, generando oscilaciones e inestabilidades en el modelo.
Cada duración de flujo (flow duration) se subdivide en incrementos computacionales. La batimetría del modelo de actualizará al final de cada incremento computacional. Adicionalmente, las profundidades de flujo y velocidades se recalculan. Estos parámetros hidráulicos se basan en la nueva sección transversal, pero aún utiliza la superficie del agua que se determinó de la hidrodinámica anterior. Sin embargo, si una sección transversal presenta más que 0.1
pies (variable editable) de cambio vertical desde la última vez que se calculó la hidrodinámica, entonces la
hidrodinámica vuelve a calcularse.
Por ejemplo, en el primer registro de la figura anterior, el flujo es constante por 100.8 horas, pero la geometría del