definición de geometria y caracteristicas del cauce
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Tema 3: Geometría y Características del Cauce
ÍNDICE DEL TEMA
1. LA GEOMETRÍA EN HEC-RAS: DE LA REALIDAD AL MODELO. ............................................... 2
1.1 La geometría como parte del esquema general del modelo HEC-RAS ........................ 4
1.2 Características de la geometría en HEC-RAS. .............................................................. 4
2. ELEMENTOS GENERALES DE UNA GEOMETRÍA EN HEC RAS. ............................................... 9
2.1 Eje del cauce principal o canal. .................................................................................... 9
2.2. Secciones transversales. ............................................................................................ 10
3. OTROS ELEMENTOS ESPECÍFICOS DE UNA GEOMETRÍA. ................................................... 15
3.1. Levees. ....................................................................................................................... 15
3.2. Obstructions. ............................................................................................................. 16
3.3. Ineffective flow areas. ............................................................................................... 17
4. CREACIÓN DE UNA GEOMETRÍA. ........................................................................................ 19
5. CONFLUENCIAS Y BIFURCACIONES. .................................................................................... 30
6. INTERPOLACIÓN DE SECCIONES. ........................................................................................ 35
1. LA GEOMETRÍA EN HEC-RAS: DE LA REALIDAD AL MODELO.
Como ya se comentaba en el tema anterior, la finalidad de un programa como HEC-RAS es conseguir simular el flujo de una corriente de agua a través de un cauce natural o artificial.
A la hora de simular fenómenos naturales, ya sean fluviales o de otra índole, es necesario
asumir una serie de simplificaciones que nos permitan aplicar las diferentes ecuaciones de un
modelo numérico. Este es el caso del programa HEC-RAS, el cual requiere la construcción de un
modelo geométrico que trate de representar la realidad natural del río o canal.
Así pues, mediante este modelo geométrico, que no es más que una mera simplificación de la
realidad, el programa podrá darnos resultados que pretenderán servirnos de ayuda para
interpretar la realidad.
Modelo geométrico de un cauce natural. Entramos entonces en el ámbito de la modelización y la primera premisa que debemos tener
clara es: cuanto más parecido sea el modelo a la realidad más aceptables serán los resultados
que obtengamos. Aún más, este modelo no sólo debe ser parecido a la realidad, sino que
además debe cumplir con las propias limitaciones del programa (no debemos olvidar la
hipótesis de unidimensionalidad de la que se hablaba en temas anteriores).
No obstante a lo anterior es necesario precisar que en algunas ocasiones el tratar de mejorar
la geometría introducida no va a conducir a cambios significativos en los resultados. Son tres
los aspectos que hemos de valorar entonces a la hora de tratar de “afinar” con la geometría:
o Calidad de la información disponible.
o Grado de precisión que queremos obtener.
o Tiempo disponible para el montaje del modelo.
La segunda premisa que tenemos que tener muy en cuenta es que HEC-RAS prácticamente siempre nos va a dar algún tipo de resultado, queda pues bajo el criterio del estudiante o
profesional el interpretar adecuadamente los mismos, pues a fin de cuentas el que “piensa” es el modelizador.
1.1 La geometría como parte del esquema general del modelo HEC-RAS
Volvamos al esquema general de montaje de un modelo en HEC-RAS en régimen permanente, este constaría de los siguientes pasos básicos:
o Creación de un nuevo proyecto.
o Introducción de los datos necesarios para construir la geometría espacial del
cauce o canal que queremos modelizar.
o Introducción de los caudales y condiciones de contorno necesarios para correr
el modelo.
o Conformación de un plan de simulación con la geometría y los datos de
caudales y condiciones de contorno.
o Ejecución de la simulación del modelo.
o Visualización gráfica y tabular de los resultados.
o Análisis de los resultados obtenidos.
Estamos pues en el segundo punto, el cual se puede considerar el más importante, porque de su calidad dependerá la bondad de sus resultados.
1.2 Características de la geometría en HEC-RAS.
La geometría en HEC-RAS la componen fundamentalmente un conjunto de secciones
transversales, espaciadas a una determinada distancia, y dispuestas a lo largo de un eje que
viene a representar la dirección principal de la corriente.
Estas secciones no son más que perfiles transversales del cauce o canal, los cuales, con mayor o menos detalle, van a representar la geometría general del sistema fluvial a escala real.
Las secciones deberán ser suficientemente representativas del cauce a modelizar, y en ellas
deberá reflejarse tanto el lecho del cauce como sus llanuras de inundación. Por otro lado,
deberán tener una extensión longitudinal suficiente para “contener” todo el flujo que vaya a
transcurrir a través de ellas y evitar errores.
Otra consideración fundamental, derivada de la hipótesis de unidimensionalidad con la que
trabaja HEC-RAS, es la necesidad de que estas secciones transversales sean perpendiculares a
la dirección principal del flujo tanto en el canal principal del río como en sus llanuras de
inundación. De esta manera los resultados obtenidos irán en consonancia con la forma de
funcionar del programa y las soluciones obtenidas se aproximarán más a la realidad.
En la imagen siguiente podemos observar un posible esquema de distribución en planta de
las secciones transversales a lo largo del cauce a modelizar. Las secciones, delineadas en trazo
verde, son perpendiculares al flujo y se han extendido lo suficiente para poder abarcar toda el
área susceptible de ser afectada por las aguas desbordadas.
Esquema de distribución en planta de secciones a lo largo de un cauce. Fuente: HEC-GeoRAS. User´s Manual.
Las secciones podrán ser introducidas manualmente por el usuario o de forma automatizada
empleando herramientas GIS (HEC-GeoRAS). Según las características geométricas del cauce o
canal a modelizar, necesitaremos mayor o menor detalle geométrico en los perfiles
transversales.
En las siguientes imágenes podemos observar dos tipos de secciones transversales: la primera
es la sección de un canal, introducida manualmente y en la que han bastado unos pocos
puntos para construirla. Como puede verse, en ella se aprecian tanto el fondo del canal como
sus paredes laterales, es una representación simple.
Sección transversal de un canal en HEC-RAS.
La segunda sección representa el perfil transversal de un cauce natural en el que, como puede
observarse, el grado de detalle requerido ha sido mucho mayor. El número de puntos que
componen la sección es significativamente mayor y, en este caso, se ha empleado la aplicación
HEC-GeoRAS para construirla (podría haberse introducido también de manera manual, pero el
proceso hubiera sido más largo y tedioso).
Sección transversal de un cauce natural en HEC-RAS.
Para introducir secciones en HEC-RAS es necesario disponer de la suficiente información
cartográfica, la cual puede venir en forma de archivos CAD de curvas de nivel, modelos
digitales del terreno en formato Raster o TIN, etc. Esta información, en muchos de los casos, es
económicamente lo más costoso de obtener, aunque finalmente su coste vendrá dado en
función del grado de precisión de la información y que a su vez vendrá marcado por el nivel de
detalle que queramos darle a nuestro proyecto.
Representación cartográfica de un río y sus llanuras de inundación en formato CAD.
Representación cartográfica de un río y sus llanuras de inundación en formato TIN.
Representación cartográfica de un río y sus llanuras de inundación en formato Raster.
Como se comentaba anteriormente, para poder caracterizar por completo el río o canal que
queremos modelizar, será necesario introducir un número suficiente de secciones
transversales dispuestas a lo largo del eje del río. Más adelante veremos una serie de
recomendaciones en cuanto al número de secciones necesarias a introducir en el modelo
(dato que viene ligado al espaciamiento entre secciones), posición de las mismas y orientación
de las mismas, extensión, etc.
En la imagen siguiente se muestra un esquema en planta de lo que resultaría una vez introducidos los perfiles transversales a lo largo del cauce. Como puede apreciarse es posible “quebrar” en planta las secciones, para buscar siempre la perpendicularidad de las mismas respecto a la dirección del flujo, y así cumplir con la hipótesis básica de unidimensionalidad.
Representación en planta sobre ortofotografía de secciones transversales a lo largo del eje del río. El programa HEC-RAS, una vez se han introducido todas las secciones, nos va a poder mostrar
un perfil longitudinal del fondo de cauce y canal. Este perfil estará conformado por cada uno
de los puntos bajos de cada sección transversal.
Por otro lado, el programa nos va a permitir también visualizar la geometría introducida por
medio de un visor 3D. Con él podremos ver el conjunto de secciones transversales, alineadas a
lo largo del eje del cauce, con diferentes perspectivas tridimensionales. Esta posibilidad que
ofrece el programa es ciertamente útil, pues va nos va a ofrecer una visión global de la
geometría tanto a nosotros mismos, como usuarios del programa, como a técnicos
supervisores si introducimos estas vistas en una memoria o reporte.
2. ELEMENTOS GENERALES DE UNA GEOMETRÍA EN HEC RAS.
En este capítulo se va a explicar en detalle las características de los dos elementos básicos que
componen una geometría en HEC-RAS, a saber, el eje del cauce principal o canal y las
secciones transversales. Por otro lado veremos también cuáles son las maneras de obtener los
datos necesarios para construir manualmente los perfiles transversales.
Otros elementos generales de una geometría en HEC-RAS son las estructuras que puedan
aparecer a lo largo del curso fluvial. En este tema sólo se hará una breve mención a las
mismas, pues son objeto de un tema completo del presente curso.
2.1 Eje del cauce principal o canal.
Es lo primero que hemos de definir a la hora de construir una geometría en HEC-RAS. El eje,
representará, por un lado, el lecho del cauce o canal a modelizar, y por otro, y quizá más
importante, la dirección general del flujo.
Eje de río (en color azul) a lo largo del cual se dispondrán las secciones transversales.
Es importante tener en mente, en el momento de delinear este eje, que cualquier sección
transversal que tracemos a lo largo del mismo tendrá que ser perpendicular al flujo. Por esto
mismo, muchas veces conviene no “perdernos” buscando trazos complicados y curvilíneos: en
la introducción manual de geometrías en HEC-RAS, trazos simples de líneas rectas suelen ser
suficientes.
El eje del cauce o canal lo emplea el programa para obtener las distancias reales entre
secciones transversales y así poder aplicar las ecuaciones específicas de cálculo de pérdidas de
carga entre dos secciones contiguas. Digamos que al programa “le da igual” lo que haya entre
dos secciones transversales seguidas, ya que la única información que va a tratar es la
distancia entre las mismas.
2.2. Secciones transversales.
El segundo componente fundamental de una geometría en HEC-RAS son las secciones
transversales. La disposición continuada de perfiles transversales a lo largo del eje del cauce va
a aportarle al programa la información que necesita para “entender” cómo es la geometría
que se está pretendiendo modelizar.
Cada una de las secciones representa el lecho y las llanuras de inundación de un cauce natural (a modo de batimetrías) o, en el caso de un canal, el fondo del mismo y sus paredes laterales.
Antes de abordar las características principales de las secciones transversales en HEC-RAS,
vamos a dar una serie de recomendaciones generales a la hora de posicionarlas a lo largo del
eje del cauce o canal.
En primer lugar hemos de tener en cuenta que por medio de las secciones transversales
debemos reproducir el conjunto del cauce y sus llanuras junto con sus singularidades. Para ello
lo primero pues es identificar aquellas zonas del cauce en las que sea necesario disponer de
una mayor densidad de secciones. Estas zonas son fundamentalmente:
o Zonas de ensanchamientos y estrechamientos bruscos del río.
o Zonas con cambios bruscos de pendiente.
o Zonas en las que el flujo vaya a quedar bloqueado, zonas de aguas
remansadas, pozas, etc.
A la hora de comenzar a trazar secciones transversales en planta, al usuario del programa, si
no tiene mucha experiencia, le pueden surgir dudas sobre cuál debe ser el distanciamiento
adecuado entre secciones. No existe una regla expresa que indique distanciamientos
específicos, de hecho, muchas veces el dotar de una elevada densidad de secciones a un tramo
de cauce no va a conducir forzosamente a resultados mucho más precisos. La experiencia,
como en la mayoría de las situaciones, es suficiente para asumir distancias entre secciones
según el caso en el que nos encontremos.
No obstante hemos de tener en consideración que las distancias que consideremos han de
permitir reproducir el flujo de forma unidimensional y, volvemos a repetirlo, estás deberán ser
perpendiculares a las líneas de flujo, tanto en el canal principal como en las márgenes. Para
ello será posible quebrar en planta las secciones.
La Guía Metodológica para el desarrollo del Sistema Nacional de Cartografía de Zonas
Inundables, elaborada por el Ministerio de Medio Ambiente, Medio Rural y Marino del
Gobierno de España, es un documento cuya adquisición es muy recomendable. En él se
exponen una serie de reglas generales tomadas de Samuels (Samuels, 1990) para la obtención
del espaciamiento idóneo entre secciones:
x 20B x 1 x 0.2 h
2S0 S0
Siendo:
o ∆x la distancia entre secciones, en metros.
o B el ancho mojado de la sección, en metros.
o S0 la pendiente del tramo, en m/m.
o h el calado, en metros.
Por último debemos prestar especial atención a aquellos elementos antrópicos que vayan a producir alteraciones en el transcurso natural de la corriente. Estos elementos pueden ser:
o Encauzamientos y canalizaciones.
o Puentes, obras de drenaje, azudes y diques longitudinales (el tema 4 expondrá
la implantación de estos elementos en la geometría).
Para simular zonas encauzadas, al menos será necesario posicionar una sección al comienzo y
otra al final (válido en el caso de canalizaciones de sección y pendiente uniforme y
homogénea).
Posición en planta de sección aguas arriba y aguas abajo para modelizar un encauzamiento uniforme.
Igualmente, para modelizar estructuras serán necesarias al menos una sección aguas arriba y otra aguas abajo.
Posición en planta de sección aguas arriba y aguas abajo para modelizar un puente.
Una sección transversal en HEC-RAS presenta tres zonas básicas: por un lado el llamado
Channel, que representa la zona del cauce por donde transcurren las aguas bajas del río, y por
otro las llamadas LOB (Left Over-Bank) y ROB (Right Over-Bank), que no son más que las
llanuras de inundación izquierda y derecha. Los llamados Left Bank y Right Bank son los puntos
que definen los límites del Channel. La siguiente imagen clarificará lo expuesto:
Left Over-Bank
Right Over-Bank
Right Bank
Left Bank
Channel
Partes principales de una sección transversal en HEC-RAS.
La información contenida en una sección transversal en HEC-RAS es variada. En primer lugar
tenemos los diferentes puntos (x,y), que unidos entre sí conforman el propio perfil. Cada
punto vendrá pues definido por una coordenada en el eje de abscisas (Station) y otra en el eje
de ordenadas (Elevation).
Puntos que componen una sección transversal en HEC-RAS. Por otro lado, cada una de las secciones requiere la introducción de su distancia respecto a la
sección situada inmediatamente aguas abajo. Esta distancia viene caracterizada por medio de
tres valores: la distancia a lo largo del eje principal (Downstream Reach Lengths Channel) y las
distancias de las márgenes izquierda y derecha respecto a las mismas en la sección aguas abajo
(Downstream Reach Lengths LOB y ROB).
Estas tres distancias no tienen porqué coincidir, de hecho gracias a ellas pueden simularse
curvas en planta (sin olvidar que HEC-RAS es un modelo unidimensional). Así pues, en el caso
de dos secciones transversales completamente paralelas tendremos que las tres distancias
coincidirán completamente, pero si tenemos que la sección de aguas abajo describe una curva
a la izquierda, el valor de la distancia para el LOB será menor que en el caso del Channel y del
ROB. Se verá más claro en la siguiente imagen adjunta:
Long LOB
Long LOB
Long Channel
Long Channel
Long ROB
Long ROB
Long LOB=Long Channel=Long ROB Long LOB<Long Channel<Long ROB
Secciones paralelas y secciones con giro a la izquierda.
Además es necesario que cada sección transversal quede definida por tres valores del número
de Manning (factor de rugosidad empleado por HEC-RAS para el cálculo de pérdidas de
energía). Será pues necesario definir al menos el valor del número de Manning para el Channel
y sendos valores para el LOB y ROB. Decimos al menos porque es posible establecer una
distribución de distintos valores del número de Manning a lo largo de toda la sección.
Left Over-Bank Right Over-Bank
Channel
Valores del número de Manning para cada una de las tres zonas características de la sección transversal.
Finalmente es necesario asignar a cada una de las secciones un valor para los coeficientes de
contracción y expansión que empleará el programa para calcular las pérdidas de carga locales
provocadas por un estrechamiento o un ensanchamiento entre una sección y la situada
inmediatamente aguas abajo.
3. OTROS ELEMENTOS ESPECÍFICOS DE UNA GEOMETRÍA.
En este capítulo vamos a ver tres elementos adicionales que se pueden añadir a las secciones
transversales y que nos van a permitir acercar más el modelo a la realidad. Estos tres
elementos son: levees, obstructions e ineffective flow areas.
3.1. Levees.
Estos elementos, que se pueden ubicar a la izquierda y/o a la derecha del cauce principal a una
distancia del origen y a una determinada cota, vienen a simular el efecto físico de una mota o
barrera.
Los levees no permiten que el agua pase al lado contrario que no está en contacto con la lámina de agua hasta que ésta no supere la altura de la mota.
Levee en margen izquierda. Fuente: HEC-RAS River Analysis System. User´s Manual.
Estos elementos, además de emplearse para simular motas o barreras existentes, permiten
también obligar a que el flujo de un cauce transcurra por un canal determinado (útil cuando
tenemos secciones transversales con varios puntos bajos donde puede producirse flujo
dividido pero no queremos que ocurra hasta que el agua no desborde el canal principal).
Levee en margen izquierda para evitar flujo en canal adyacente. Fuente: HEC-RAS River Analysis System. User´s Manual.
3.2. Obstructions. Las obstrucciones son elementos, que introducidos en las secciones transversales, representan
zonas bloqueadas para el paso del agua. Con estos elementos, pues, puede simularse la
presencia de obstáculos frente a la corriente como pueden ser edificaciones, muros, etc.
A diferencia de las levees las obstrucciones si permiten que el agua fluya a ambos lados de la misma.
Las obstrucciones pueden aparecen en una sección de HEC-RAS de dos maneras distintas: las
llamadas normal obstructions, las cuales bloquean el paso del agua desde una determinada
Station hacia la izquierda o hacia la derecha:
Obstrucciones normales en márgenes izquierda y derecha. Fuente: HEC-RAS River Analysis System. User´s Manual.
O en forma de bloques aislados e individuales blocked obstructions:
Grupo de Blocked obstructions.
3.3. Ineffective flow areas. Las ineffective flow areas, o zonas de área inefectiva, son los elementos de una sección
transversal a través de los cuales vamos a poder modelizar zonas del cauce en las que se va a
producir un estancamiento de agua. Estas zonas se las denomina inefectivas porque no van a
contribuir al transporte de agua.
Fundamentalmente será necesario introducir este tipo de elementos en las siguientes situaciones:
o Aguas arriba de estrechamientos del cauce producidos tanto de forma natural
como de manera artificial (por la existencia de una estructura).
o En aquelllas márgenes laterales del cauce en las que se vaya a producir un
embalsamiento de las aguas.
Zonas de flujo inefectivo en las márgenes del cauce. Fuente: HEC-RAS River Analysis System. User´s Manual.
o En el caso de expansiones bruscas del cauce tanto naturales como artificiales
(a la salida del una estructura).
Ensanchamientos y estrechamientos naturales y zonas de flujo inefectivo.
Gráficamente, las áreas de flujo inefectivo aparecen como un sombreado rallado que ocupan
una porción de la sección transversal (representando el área de aguas remansadas). En estas
zonas la velocidad del flujo calculada por HEC-RAS será cero o muy próxima a cero pero sí que
existirá una altura calculada de la lámina de agua.
Aspecto de las ineffective flow areas en una sección de HEC-RAS. Fuente: HEC-RAS River Analysis System. User´s Manual.
Como en el caso de las obstrucciones, el programa permite introducir áreas de flujo inefectivo
en forma de normal ineffective areas o como blocked ineffective areas (grupos de zonas de
flujo inefectivo). HEC-RAS permite además introducir estos elementos de forma no
permanente (cuando el agua sobrepasa la altura de la zona de flujo inefectivo, ésta zona deja
de funcionar como tal) o de manera permanente (aunque la lámina de agua sobrepase la
altura del área inefectiva, ésta lo seguirá siendo, repercutiendo en los cálculos).
Aspecto de las blocked ineffective areas en una sección de HEC-RAS.
4. CREACIÓN DE UNA GEOMETRÍA.
Expuesta ya la filosofía de funcionamiento del programa y explicadas las características y
elementos fundamentales de una geometría en HEC-RAS, pasamos a ver un ejemplo práctico
que va a clarificar lo anteriormente visto.
El ejemplo va a consistir en un caso sencillo donde trazaremos el eje de un cauce, a lo largo del
cual posicionaremos una serie de secciones transversales. Además, y a modo de ejercicio
práctico, en estas secciones incluiremos todos los elementos singulares vistos en el apartado
anterior.
No se pretende montar un modelo real, sino una geometría sencilla que, eso si, lleve todos los
elementos básicos incorporados. Con esto se pretende que el alumno se familiarice con el
entorno gráfico del editor de geometrías de HEC-RAS para que, en posteriores temas, tenga la
soltura suficiente a la hora de desenvolverse con el programa y pueda realizar con éxito las
prácticas que se propongan en el curso.
Para empezar debemos abrir el proyecto que creamos en el tema 2 o bien crear uno nuevo siguiendo las explicaciones que se dieron.
Se plantea la creación de una geometría consistente en un tramo de cauce rectilíneo de 1000m
de longitud con una pendiente del 1%. A lo largo del mismo se van a posicionar 5 secciones
transversales espaciadas entre sí 250m.
Estas secciones presentarán una geometría determinada y en ellas se irán colocando
elementos específicos como levves. obstructions e ineffective flow areas. La primera sección
supongamos tiene una cota de fondo de 10m y la última 0m.
En primer lugar debemos trazar el eje del cauce, para ello entramos en el editor de geometrías. Aparecerá la siguiente ventana:
Ventana del editor de geometrías de HEC-RAS.
A continuación pulsamos sobre el icono River/Reach. El puntero pasará a convertirse en un lápiz con el que pasaremos a dibujar el eje del cauce.
En un caso real podremos introducir una imagen de fondo del cauce a modelizar, por medio de
un archivo georreferenciado tipo CAD, shape o jpg entre otros. Esta imagen nos ayudará a la
hora de trazar el eje del cauce, de forma que este sea más fiel a la realidad y quede además en
coordenadas. Para insertar un archivo de este tipo pulsaremos el icono indicado en la imagen
siguiente:
Icono para introducción de imágenes de fondo.
Si no estamos trazando un eje de cauce georreferenciado, no importa la longitud del mismo,
pues este vendrá dado por las distancias entre secciones (introducidas en el editor de
secciones). Digamos que lo que se pintaría es un eje esquemático. Lo que si que debemos
tener en cuenta es que el inicio del trazado del eje será considerado por HEC-RAS como el
punto aguas arriba del cauce o canal: el eje hay que dibujarlo de aguas arriba hacia aguas
abajo.
Al terminar de dibujarlo aparecerá una ventana, a través de la cual deberemos dar un nombre
al río en general y otro al tramo en particular (puede haber diferentes tramos si queremos
modelizar afluentes).
Ventana de introducción de nombre para el río y el tramo del mismo.
Tendremos algo similar a la imagen adjunta. Aparecerá una flecha indicando el sentido de la corriente así como los nombres introducidos.
Ventana del editor de geometrías de HEC-RAS.
Podríamos modificar las características del eje del cauce, para ello basta con entrar en el menú
Edit y seleccionar la opción deseada: cambiar nombre, mover el eje, añadir o quitar puntos del
eje, etc. También podríamos poner en coordenadas, de manera manual, los puntos que
conforman el eje del cauce, para ello entraremos en el menú GIS Tools – Reach Invert Lines
Table.
Pasamos a introducir las secciones transversales a lo largo del eje. Al menos necesitamos la
sección de aguas arriba y la de aguas abajo, pero vamos a introducir tres secciones más entre
medias. Para ello pulsamos en el icono de creación de secciones:
Icono para creación y edición de secciones transversales en HEC-RAS.
Aparecerá la siguiente ventana:
Ventana del editor de secciones transversales de HEC-RAS.
Para crear la primera sección pulsamos en Options – Add a new Cross Section, el programa nos
pedirá un valor numérico para identificar la sección y posicionarla siguiendo un orden, de
forma que la sección más alejada del extremo aguas abajo del cauce tendrá el mayor valor y la
más próxima al extremo aguas abajo tendrá el menor. Así, y como vamos a tener 5 secciones
transversales, podemos darle el valor 1000 a la más alejada y el valor 0 a la última (es práctico
numerar las secciones de acuerdo a su distancia respecto al extremo aguas abajo del cauce).
Lo siguiente es empezar a introducir valores de Station y Elevation para construir la propia
sección. Los valores de Station serán positivos o negativos según situemos el eje vertical de
coordenadas. Este eje puede ir donde se prefiera, pero es práctico, para evitar valores
negativos, situarlo en el extremo izquierdo de la sección.
Posteriormente debemos situar los Banks de la sección transversal, para ello debemos dar su correspondiente Station.
A continuación asignamos unas distancias respecto a la sección situada inmediatamente aguas
abajo de la que estamos construyendo. Esto lo haremos rellenando las casillas
correspondientes a Downstream Reach Lenghts.
El paso siguiente es introducir los valores del número de Manning correspondientes a las tres zonas básicas de la sección transversal (Channel, LOB y ROB).
Por último debemos introducir el valor del coeficiente de contracción y expansión (HEC-RAS
aplica por defecto 0.1 y 0.3 respectivamente). Si no sabemos qué valor introducir, existe un
icono con un interrogante (?) que al pulsarlo nos llevará directamente al capítulo del Manual
del Usuario del HEC-RAS con los valores recomendados en cada caso, los cuales son los
siguientes:
Valores propuestos por el Manual del Usuario del HEC-RAS para los coeficientes de contracción y expansión.
A continuación se muestra la ventana del editor de secciones transversales con los datos
propuestos para introducir en la sección 1000. Una vez introducidos todos los valores
pulsamos Apply Data.
Parámetros introducidos para construir la sección 1000 del ejemplo propuesto.
Para introducir el resto de secciones debemos seguir los mismos pasos, volviendo a pulsar Options – Add a new Cross Section, y asignando un valor identificativo de la sección.
La sección siguiente será la 750. En este caso, para montar esta sección vamos a ver una nueva
opción que permite copiar secciones transversales y modificar sus cotas (Elevation) con
rapidez. En ella además vamos a introducir una obstrucción.
Para ello pulsamos Options – Copy Current Cross Section, y le asignamos la River Station 800: se habrá creado una copia exacta de la sección 1000.
Ahora lo que queremos es que todos los puntos de la sección tengan 2.5metros menos, para ello pulsamos Options – Adjust Elevations y marcamos -2.5m.
Lo siguiente que vamos a incluir es va a ser una obstruction, para simular la presencia de un
obstáculo. Para ello vamos a utilizar el editor gráfico de secciones transversales, una
alternativa a la edición manual con valores numéricos. Pulsamos sobre el icono indicado en la
imagen siguiente:
Icono para pasar a la ventana de edición gráfica de secciones transversales. Aparecerá la ventana del editor gráfico. Para añadir la obstrucción pulsamos en Options – Add
Blocked Obstruction (2pts). Podremos ver como el cursor cambia de aspecto. Se propone ahora
dibujar una obstrucción cualquiera que abarque una cierta superficie de la sección. Si
queremos borrar lo dibujado no hay más que pulsar Options – Delete Objects, y con el ratón
pulsar sobre el contorno de la obstrucción a eliminar.
Con este editor gráfico se pueden incluir además otros elementos, como levees o areas de flujo
inefectivo. Es una herramienta muy recomendable porque agiliza el proceso de creación de
secciones. La imagen siguiente muestra cómo quedaría la sección.
Sección 750 vista desde el editor gráfico de secciones.
El “problema” que presenta este editor es que no tiene la precisión que pudiera darnos la
introducción manual de los parámetros numéricos. No obstante si queremos “afinar” con la
obstrucción que hemos metido no tenemos más que pulsar el icono indicado en la imagen
anterior para volver al editor inicial de secciones transversales. Una vez en él, en la ventana
inferior aparecerá el texto Multiple Block Obstruction(s), si hacemos doble clic se abrirá una
ventana en la que podremos dar los valores exactos que marquen la posición y altura de la
obstrucción.
Edición de la obstrucción de la sección 750.
Se propone introducir los valores indicados en la ventana anterior.
La sección siguiente es la 500. Vamos a hacer una copia de la anterior y a restarle -2.5m a
todos sus puntos. Eliminamos la obstrucción. Además introduciremos, por medio del editor
gráfico, un área de flujo inefectivo pulsando sobre Options – Add Blocked Ineffective Area
(2pts). Tendremos algo similar a lo mostrado en la siguiente imagen:
Sección 500 vista desde el editor gráfico de secciones.
Como en el caso anterior vamos a editar manualmente los valores que fijan la posición exacta
del área de flujo inefectivo. Para ello volvemos a la ventana anterior y procedemos como con
la sección 750.
Edición del área de flujo inefectivo de la sección 500.
Pasamos a continuación a montar la sección 250. Hacemos una copia de la anterior, le restamos 2.5m de cota a cada punto y eliminamos la Ineffective Flow Area.
El paso siguiente es añadir una levee para simular la presencia de un muro de contención. Para
ello entraremos en el editor gráfico y pulsamos sobre Options – Add levees y dibujamos una. Si
queremos moverla pulsamos Options – Move Objects y podremos arrastrarla con el ratón. El
aspecto que tendrá será como el de la imagen adjunta:
Sección 250 vista desde el editor gráfico de secciones. Podremos corregir la posición de la levee de igual manera que hicimos con los otros elementos en las secciones anteriores.
Edición de la levee de la sección 250.
Para terminar crearemos la sección 0 como copia de la anterior con 2.5m menos de cota en
todos sus puntos, de forma que la cota de fondo del cauce esté a 0m. Eliminamos la levee. Nos
quedará algo similar a lo mostrado en la imagen adjunta:
Ventana de edición de la sección 0.
Tras grabar y dar un nombre, quedará construida la geometría. Si pulsamos ahora en el icono de vista 3D podremos visualizar nuestro tramo de cauce de forma tridimensional.
Vista 3D de la geometría creada
También podemos ver el perfil longitudinal del cauce pulsando en el icono correspondiente. Su aspecto será el siguiente:
Perfil longitudinal de la geometría creada.
El esquema completo del cauce junto con sus secciones transversales quedará de la siguiente manera:
Esquema final en planta de la geometría construida.
5. CONFLUENCIAS Y BIFURCACIONES.
El programa HEC-RAS tiene también la capacidad para contemplar la existencia de confluencias y bifurcaciones, permitiendo así la modelización de redes fluviales y de canalizaciones.
La creación de confluencias o bifurcaciones en HEC-RAS es bastante sencilla. Únicamente es
necesario crear un nuevo eje de cauce que empiece o acabe en un punto perteneciente al otro
cauce preexistente.
Esquema en planta de un cauce principal junto con su tributario. Fuente: HEC-RAS River Analysis System. User´s Manual.
A la hora de dibujar el segundo eje, tanto si confluye en el cauce principal como si es una bifurcación del mismo, la unión se creará de manera automática.
Una vez dibujado el sistema basta con entrar en el editor de uniones y asignar un método de
cálculo (ecuación de la energía o ecuación de conservación de la cantidad de movimiento), las
distancias entra secciones y el ángulo entre cauces si seleccionamos el método de
conservación de cantidad de movimiento.
La introducción de una confluencia la vamos a ver directamente sobre el ejemplo del capítulo
anterior. Para ello lo primero que debemos hacer es salvar la geometría creada anteriormente
dándole un nombre distinto (Se hace entrando en File – Save Geometry Data as, dentro del
editor de geometrías).
A continuación dibujaremos un nuevo cauce, en este caso será una confluencia, con lo que el nuevo eje finalizará en un punto del eje anterior.
El programa nos pedirá un nombre para el nuevo río así como para el tramo. Posteriormente
nos preguntará si deseamos que el cauce principal inicial se divida en dos tramos (uno aguas
arriba y otro aguas abajo de la confluencia), diremos que si. Deberemos introducir un nombre
para el tramo aguas abajo de la confluencia.
Para finalizar, el programa nos pedirá un nombre para identificar la confluencia. Hecho esto tendremos el siguiente esquema:
Esquema de la red fluvial creada.
Como podemos ver tenemos por un lado un río (Curso), con dos tramos (Curso y Curso_2) y por otro el río Curso_1 con su tramo de igual nombre.
Antes de editar la unión (Junction) vamos a añadir un par de secciones transversales al río
Curso_1. Para ello hacemos clic sobre el eje del río Curso_1 y entramos en el editor de
secciones. Para hacer más rápido el proceso, podemos copiar, para la sección de aguas arriba,
los datos de la sección 1000, y nombrarla como sección 100.
Esto se puede hacer automáticamente entrando primero en la sección 1000 y pulsando en
Options – Copy Current Cross Section, el programa nos pedirá sobre qué tramo copiar dicha
sección y que River Station darle.
Creada la sección 100, únicamente modificaremos las distancias a la sección de aguas abajo, daremos, por ejemplo, 50m.
Sección 100 del tramo de río llamado Curso_1
La sección siguiente, a la que llamaremos 50, será una copia de la anterior pero con sus cotas reducidas 0.5m.
Sección 50 del tramo de río llamado Curso_1
Es muy importante tener en cuenta que las secciones situadas inmediatamente aguas arriba
de una confluencia deben tener unas Reach Lengths de valor nulo, ya que esas distancias se
introducirán en el editor de uniones. Así pues las secciones 750 y 50 deberán tener valor 0 en
sus casillas de Downstream Reach Lengths.
EL paso siguiente será entrar en el editor de uniones, cuyo icono se sitúa a la izquierda en la ventana de edición de geometrías.
Icono de edición de uniones.
Al entrar en el editor deberemos escribir la distancia de la sección 750 a la propia unión así
como la distancia de la sección 50 a la misma unión. Es, a través de esta ventana, por donde se
introducirán las distancias a la confluencia de las secciones situadas inmediatamente aguas
arriba de la unión. El resultado será el siguiente:
Edición de la unión (Junction).
Montado ya el modelo, podremos visualizar el perfil longitudinal de un tramo concreto o el montaje completo con todos los perfiles longitudinales de todos los tramos.
En la página siguiente adjuntamos las vistas tridimensionales y longitudinales de la geometría que acabamos de construir.
Vista 3D de la geometría creada
Perfil longitudinal de la geometría creada.
6. INTERPOLACIÓN DE SECCIONES.
Una opción que ofrece el programa HEC-RAS es la de interpolar secciones transversales para
tratar de afinar más la geometría. Es una herramienta que puede resultar bastante útil, sobre
todo en la modelización de canales de sección regular. No obstante no debemos olvidar que la
interpolación de secciones nunca podrá solventar la ausencia de datos sobre el terreno. El programa ofrece dos métodos de interpolación de secciones:
o Interpolación completamente automática a lo largo de un tramo de cauce
(Within a Reach).
o Interpolación entre dos secciones transversales consecutivas, en las que el
usuario va a poder indicar al programa la forma de interpolar (Between 2 XS´s). En el presente curso veremos el primer caso. Los pasos a seguir serían los siguientes:
Dentro del editor de geometrías entramos en el menú Tools – XS Interpolation – Within a Reach. Aparecerá la siguiente ventana:
Editor de interpolación de secciones Within a Reach.
El proceso ahora es sencillo, hay que seleccionar el río y tramo en el que queremos realizar la interpolación y seleccionar las secciones entre las que vamos a interpolar.
Después introduciremos el valor del máximo espaciamiento entre secciones interpoladas. SI
introducimos un valor no entero, al final HEC-RAS realizará un espaciamiento equidistante
entre secciones, tomando el valor entero más próximo al introducido por nosotros.
Posteriormente seleccionaremos el número de decimales de precisión con el que deseemos
que HEC-RAS realice la interpolación de los puntos que compondrán las secciones
transversales.
Al pulsar Interpolate XS´s, HEC-RAS realizará la interpolación. Si pulsamos Delete Interpolate XS´s borraremos la interpolación.
Al darle a Close podremos ver el esquema con las nuevas secciones generadas junto con un asterisco para distinguirlas de las secciones originales.
Visualización en planta de las secciones interpoladas.
Ing° Luis De Francesch O.