Modelamiento de Transporte de Sedimentos mediante el Método BSTEM en Hec-RAS

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Hec-RAS tiene capacidades para el transporte de sedimentos, puede enrutar los sedimentos y ajustar las secciones de corte en respuesta a la dinámica de sedimentos, se puede acoplar tanto con flujos inestables y con casi inestables, y los flujos cuasi inestables son propios del análisis de sedimentos. Adicionalmente muchos problemas de sedimentos incluyen erosión del banco, para ello se creo el Modelo de erosión en pie y estabilidad de banco (BSTEM), siendo este un ejemplo simple de la parametrización de este modelo de sedimentos.

 

Características del escenario

El presente ejemplo es una estructura básica, que no tiene relación con algún ejemplo de la realidad, simplemente se creó con fines demostrativos, por lo que el río y el tramo de estudio son únicos y llevan el nombre de “8XS”.

Para las condiciones de flujo se trabajará con el modelo de flujo casi inestable, el cual representa u hidrograma con series discretas de flujo estable, además el transporte de sedimentos puede ser computado sobre este flujo de manera constante, fue creado debido a que flujo inestable es difícil de manejar; cada salto de tiempo es dividido en duraciones de flujo, incrementos computacionales y cambiando el lecho de estudio. Los cambios en la morfología son resultado de cada incremento computacional. Posteriormente el salto de tiempo de mezclado en el lecho puede evolucionar rápidamente basado en los parámetros anteriores mencionados. Por ello se basa la importancia de modelos de flujo casi inestable, ya que permite construir modelos precisos y calibrarlos, usa el motor de análisis estable y debido a que el análisis de sedimentos cambia las secciones de corte, y a su vez no se deben usar cuando los flujos de almacenamiento son significantes por lo que en estas situaciones se debe usar el modelo de flujo inestable, que a su vez se puede asociar con soluciones complejas.

 

Condiciones Iniciales del modelo

Para empezar, se tiene que ajustar la geometría del modelo, la cual será correspondiente con un tramo en línea recta, contando con 8 estaciones de 0 a 1000 las cuales son alimentadas con su propia elevación, no habiendo diferencia significativa entre cada segmento.

Una vez creada la geometría se puede proceder a editar el solucionador de flujo casi inestable,  el cual nos permite ver las divisiones del rio, pero debido a que es un único tramo solo visualizaremos el inicio y el final del tramo como condiciones, a lo que se le deben editar los tipos de condiciones de borde, en esta parte se colocará en la parte baja (tramo 0) una condición de profundidad normal, y a la parte más alta “upstream” se colocará series de flujo, siendo estas editables de la siguiente manera, se especifica un tiempo de simulación el cual contiene datos de duración de flujo, incremento computacional y el flujo en pies cúbicos por segundo.

Una vez editada esta información se puede proceder a editar la información respecto a sedimentos, esta información se puede colocar por tramos o en total, mucha de esta información es considerada basado en la sección de corte, por lo que si se actualizan nuevas secciones habría que modificar la información de sedimentos, en un río puede haber múltiples lechos los cuales son movibles, se puede especificar las condiciones para cada uno en Hec-RAS, en este ejemplo se trabajaron con 6 diferentes lechos móviles, el transporte esta basado en la ecuación de continuidad de sedimentos, siendo el calculo del sedimento de entrada mucho más sencillo que el de salida, la capacidad de transporte de sedimentos depende de la clase del grano, por lo que una variable importante para la edición de sedimentos es colocar los tamaños de grano presentes en la zona. Existen variedad de ecuaciones que dominan el transporte de sedimentos, la que usaremos en esta simulación es el método de “Ackers-White”, para el método de ordenamiento es “Thomas (Ex5)” y para el método de velocidad de caída “Ruby”.

Debido a que los sedimentos modifican el volumen del lecho se tiene que especificar la máxima profundidad y mínima elevación que pueden contener sedimentos, y adicionalmente se modifican los extremos derechos e izquierdos del río como desviaciones, los cuales pueden ser implementados por perfil y por tipo de material de sedimentos a modelar, por último, se especifica las condiciones de borde para el sedimento, en nuestro caso escogeremos “Carga de equilibrio”.

Por último, queda especificar las condiciones del modelo BSTEM, el cual se basa en un método de falla el cual contiene puntos de elevación entre el borde del banco y el tope del pie del lecho, estos valores se modifican en la última parte del transporte de sedimentos.

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A su vez la selección del método BSTEM, requiere de la opción de “Definir material”, esto permite modificar los valores de sedimentos y los materiales, esto permite aumentar la complejidad del modelo y el detalle de este.

 

Tutorial

 

Consideraciones

Como resultado final se pueden visualizar las elevaciones de la superficie de agua y además lo más importante es la modificación del lecho, esto se puede ver como variables en tablas o también como una animación.

El método que usar en transporte de sedimentos depende de las condiciones del río y de la experiencia del modelador para ajustar mejor el modelo según las consideraciones particulares de cada condición, esta información se puede encontrar en bibliografía respecto a Hec-RAS.

El material del sedimento puede variar según la estación por lo que un modelo de sedimentos no debe ser único, se deben considerar estaciones del año y también actividades que modifiquen la carga,

Las condiciones de borde de sedimentos no necesitan mayores modificaciones, caso contrario que si se escoge “Series de carga de sedimento” se tendría que colocar valores parecidos al flujo no estable, en el cual se vea el impacto de un flujo invariable de sedimentos en el lecho.

 

Datos de entrada

Descargue los datos de entrada para este tutorial aquí.

 

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Posted on August 10, 2018 and filed under TutorialHidrologia.