A Simplified Sensor Emulation and measurement results for a Closed-Loop System

Los análisis ejecutados en el área de conocimiento de la hidráulica se orientaron a la caracterización hidráulica del río Sucio y la quebrada La Desmontadora que consiste en el cálculo de los valores de niveles de agua y los valores de velocidad de flujo en el cauce y riberas, asociados a los caudales con períodos de retorno de: 2, 10, 50 y 100 años, con el fin de establecer los grados de amenaza a la inundación.

La caracterización hidráulica se fundamenta en los siguientes aspectos:

1.3.2.1 Generalidades

Para hallar los parámetros de dinámica fluvial en el río Sucio sector de Dabeiba y en la quebrada La Desmontadora, se utilizó el software HEC-RAS del Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos Versión 4.0, utilizando las secciones transversales al cauce previamente seleccionadas y el caudal máximo para diversos períodos de retorno con el fin de generar los espejos de agua.

1.3.2.2 Descripción general del modelo Hec-Ras

El Modelo Matemático HEC-RAS desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos denominado "Water Surface Profiles", calcula los perfiles superficiales del agua para las condiciones de un flujo permanente o no permanente y gradualmente variado en canales naturales o artificiales. Este procedimiento está basado en solucionar la ecuación unidimensional de energía con las pérdidas por fricción evaluadas por medio de la ecuación de Manning; en el presente estudio se consideraron condiciones de flujo permanente y no uniforme.

Los parámetros básicos de entrada del programa HEC-RAS son la geometría del cauce (secciones transversales), distancia de separación entre las secciones transversales seleccionadas, las rugosidades y las condiciones de niveles aguas abajo y/o arriba, dependiendo del régimen del flujo.

El programa está diseñado para el cálculo de secciones transversales con flujo de variación gradual para canales naturales o artificiales con pendientes longitudinales entre 0.10 m/m y 0.0001 m/m.

1.3.2.3 Calibración del modelo

La calibración del modelo se efectuó de acuerdo con los coeficientes de rugosidad de Manning asignados en las diversas secciones tanto para el lecho como para las márgenes y la pendiente hidráulica en la secciones inicial aguas abajo y final aguas arriba consideradas como frontera, dado que el régimen de flujo varía entre subcrítico o tranquilo y supercrítico o rápido.

Aprovechando la información histórica de la estación limnigráfica Dabeiba2 del IDEAM, localizada en la sección transversal 25 del Hec Ras aguas abajo de la confluencia con la quebrada La Desmontadora, se operó el modelo para las diversas crecientes y por tanteos se variaron los parámetros antes descritos del coeficiente de rugosidad de Manning y la pendiente hidráulica en las fronteras inicial y final, hasta que la cota del nivel de agua en la sección 25 generada por el modelo, fuese muy similar a la cota máxima de agua calculada hidrológicamente según los niveles máximos anuales mediante análisis probabilístico para valores extremos (índice de creciente). Bajo este criterio resultaron como coeficientes de rugosidad de Manning en el lecho de 0.032 y 0.045 en las paredes para el río Sucio y de 0.035 y 0.045 para la quebrada La Desmontadora, así como una pendiente hidráulica de 0.016 y 0.014 m/m aguas arriba y abajo en el río Sucio y 0.075 m/m aguas arriba en la quebrada La Desmontadora; estos valores se emplearon igual para todos los caudales simulados.

En la tabla siguiente se presentan los resultados de los niveles obtenidos tanto por el modelo Hec Ras como por el análisis probabilístico (índice de creciente) en la estación limnigráfica Dabeiba2 del IDEAM, para los diversos caudales correspondientes a los períodos de retorno.

Tabla 1-3. Cotas de Agua generadas por el Hec Ras y las halladas en la estación por análisis de probabilidades para los diversos caudales simulados

Período retorno (años) Caudal (m3/s) Cota análisis probabilístico (msnm)

Cota Hec Ras (msnm) Diferencia (m) 2.33 306 389.97 5 513 392.05 10 642 392.81 392.62 0.19 25 735 392.99 393.00 -0.01 50 768 393.15 393.13 0.02 100 786 393.35 393.21 0.14 1.3.2.4 Resultados de la caracterización

El río Sucio en un tramo de 4,450 metros presenta las siguientes características dinámicas:

Para el caudal máximo esperado de 100 años de retorno, la velocidad media del flujo en el canal oscila entre 1.91 y 12.20m/s, el número de Froude que es la relación entre la velocidad media y la raíz cuadrada del producto de la constante de gravedad por la profundidad media de la sección, oscila entre 0.42 y 8.60, correspondiendo a un régimen de flujo entre subcrítico o tranquilo y supercrítico o rápido, siendo sus mayores valores en la parte alta del río; la profundidad media mayor es de 7.72 m, en tanto que la menor es de 1.02 m. En la Figura 1-3 se presenta la variación de las velocidades en el canal y en las márgenes del río Sucio, para la creciente de 100 años.

Figura 1-3.Velocidades media del flujo en el canal y en las márgenes del Río Sucio generados por el Hec Ras para la Creciente Máxima de 100 años de retorno

Para la creciente media anual, es decir, la correspondiente a 2.33 años de retorno, la velocidad media del flujo en el canal oscila entre 1.16 y 9.69m/s, el número de Froude que es la relación entre la velocidad media y la raíz cuadrada del producto de la constante de gravedad por la profundidad media de la sección, oscila entre 0.35 y 6.12, correspondiendo a un régimen de flujo entre subcrítico o tranquilo y supercrítico o rápido, siendo sus mayores valores en la parte alta del río; la profundidad media mayor es de 5.38 m, en tanto que la menor es de 0.93 m.

En la Figura 1-4 y Figura 1-5 se resumen los resultados de la modelación con el programa Hec Ras en el río Sucio en el sector de Dabeiba para un periodo de retorno de 100 años.

Figura 1-5.Perfil longitudinal del Río Sucio y la quebrada La Desmontadora obtenidos del Hec Ras para la Creciente Máxima de 100 años de retorno

1.3.2.5 Gálibos

El gálibo, es decir, la distancia vertical entre la lámina de agua y el borde inferior de la viga del puente o pontón, para las estructuras que cruzan el río Sucio y su afluente la quebrada la Desmontadora, durante la ocurrencia de las crecientes extremas simuladas de 100 y 2.33 años, se presentan las siguientes características:

Para la simulación de 100 años de retorno en el río Sucio, el puente peatonal colgante localizado en la abscisa K0+029.72 se rebosa y no genera gálibo alguno, en tanto que los otros 2 puentes viales el flujo discurre bajo el tablero. Igual situación se produce en los tres (3) pontones vehiculares de la quebrada La Desmontadora, rebosando únicamente sobre el tablero del puente localizado aguas arriba en la abscisa K0+402.96.

Para la simulación de 2.33 años de retorno en el río Sucio, el puente peatonal colgante localizado en la abscisa K0+029.72 discurre por debajo del tablero ajustado sin generar gálibo alguno, en tanto que los otros 2 puentes viales el flujo discurren libremente bajo el tablero. Igual situación se produce en los tres (3) pontones vehiculares de la quebrada La Desmontadora, rebosando únicamente en 15 cm sobre el tablero del puente localizado aguas arriba en la abscisa K0+402.96.