Ventajas de HEC-RAS 5.0 frente a HEC-RAS 4.3

Como consecuencia del cambio climático, se produce la construcción de diversas obras hidráulicas de diverso tipo, dado que la ausencia de lluvias durante largos períodos de tiempo ocasión fuertes sequías dificultando la vida de los peces, los sistemas de riego de los diferentes campos de cultivo (medio de vida de numerosas familias).

Esta ausencia de agua provoca la ausencia de agua para poder beber,  llevar a cabo las actividades domésticas y empresariales,… De ahí la necesidad de construcción de presas, depósitos.

En el caso de fuertes lluvias sucede lo contrario: el exceso de agua provoca el desbordamiento de ríos e inundaciones anega campos, ciudades….arrastrando todo lo que encuentra a su paso. Surge así la necesidad fundamental del estudio de los ríos fuente de agua para el desarrollo de la vida humana, animal y vegetal pero que en momentos de exceso de agua pueden originar grandes daños materiales, humanos.

Una forma de llevar a cabo ese estudio es realizar un mapa indicando las zonas potencialmente inundables en caso de aumento de caudales en los ríos, Este estudio puede llevarse a cabo hoy en día de un modo fácil dado el avance en las nuevas tecnologías que nos permite llevar a cabo un análisis del terreno de un accesible , bien previo pago o bien de modo gratuito.

Esta información territorial se puede combinar con el avance en los software de cálculo entre los que se encuentran los programas de modelado hidráulicos. Hay que tener presente como el cálculo hidráulico es tedioso en cuanto que es un proceso largo dada la complejidad de la formulación a emplear.

De esta forma tenemos que tener presente el avance no sólo en las modelización hidráulica sino también en la modelización del terreno a través de las herramientas GIS para el tratamiento de la información territorial (cartografías, modelos de elevaciones, coberturas, etc… ) permite optimizar y aprovechar al máximo nuestros esfuerzos con el objeto de conformar un modelo hidráulico detallado, fiable y representativo.

Una vez realizadas estas tareas previas de preproceso, Ia existencia de modelos hidráulicos con capacidad para realizar simulaciones bidimensionales (e incluso ya tridimensionales) nos ofrecen la oportunidad de analizar y comprender con mayor certeza el comportamiento hidráulico del flujo … Muchos programas son capaces de efectuar simulaciones en 2D e incluso algunos también permiten combinar en un único modelo computaciones 1D y 2D.

HEC-RAS es una herramienta que ha venido evolucionando, y en su versión 5.0 (versión beta) cuenta con una extensión que permite simular el flujo de agua combinando modelos 1D/2D, así como totalmente 2D. Este último (el análisis 2D) basa su aplicación en las ecuaciones de Onda Difusiva y Sant Venant (a criterio del usuario) las cuales resuelve mediante el algoritmo de Volúmenes Finitos Implícltos. Una de las novedades de esta nueva versión, es que incorpora la ventana de Interface RAS Mapper en la cual el usuario Integra el modelo digital del terreno, como paso inicial para la modelización del flujo.

HEC-RAS es un software libre en cualquiera de sus versiones. A continuación se acompaña cuadro comparativo con los avances en cada versión

HEC-RAS 5.0 (versión beta), mantiene los métodos de cálculo y herramientas de la versión anterior a la que añade nueva formulación para de este modo poder realizar el la modelización en:

•       1D
•       2D
•       Una combinación de ambos

Dentro de las nuevas formulaciones que incluye la versión 5.0 podemos destacar las siguientes:

-Emplea las ecuaciones de Saint-Venant y Onda Difusa en 2D.

-Esquema numérico empleado: Volúmenes Finitos Implícitos.

-Algoritmo de solución para el acoplamiento de modelos 1D y 2D.

-Mallas computacionales estructuradas y no estructuradas.

-Tabla detallada de propiedades hidráulicas para celdas y contornos de celdas computaciones 2D, que permiten acelerar los tiempos de cálculo.

La nueva versión presenta unas limitaciones, siendo la más destacada, que aún no se puede emplear la modelización en 2D para el análisis de transporte de sedimentos y calidad de agua.

Previo a la ejecución del modelo 2D, se requiere de una serie de configuraciones previas que involucran establecer tolerancias de cálculo que permitan obtener resultados coherentes. Dos de los más importantes parámetros que hay que configurar son: el tamaño de malla y el paso de tiempo de cómputo.

El tamaño de malla (Δx); nos permitirá que el modelo se adecue apropiadamente al terreno y de esa forma pueda incluir todas Ias obstrucciones presentes. El paso de tiempo de cómputo (Δt), está relacionado al Número Courant, que se obtiene de la relación entre espacio, velocidad y tiempo; siendo conocido que dicha relación debe ser menor igual que la unidad. Ambos serán necesarios para obtener buena precisión numérica y reducir al mínimo el tiempo de cálculo.

Capacidades y ventajas de la modelización de flujo en 2D con HEC-RAS

En su versión 5.0, resulta novedosa por su análisis en 2D. Este tipo de modelización ha permitido que desarrolle nuevas capacidades para la simulación de flujo en 2D; así por ejemplo puede ejecutar modelos en 1D, 2D o una combinación de ambos. Estas capacidades serán descritas a continuación (la información fue tomada del manual del usuario de HEC-RAS 2D).

Puede realizar modelización en 1D, 2D o una combinación de ambos

La capacidad de ejecutar modelos combinados, permite al usuario trabajar en amplios sistemas de ríos, así por ejemplo, se puede usar el modelo 1D sobre el cauce de un río y el modelo 2D sobre las zonas adyacentes al mismo, en donde se requiere mayor detalle los resultados hidráulicos.

Emplea las ecuaciones de SaintVenant y Onda Difusa en 2D

El programa permite elegir entre las ecuaciones de SaintVenantu Onda Difusa en 2D para llevar a cabo la modelización. De forma general las ecuaciones de Onda Difusa en 2D permiten que el software procese la información rápidamente y tiene mayores propiedades de estabilidad, sin embargo las ecuaciones de SaintVenant 2D son aplicables a una gama más amplia en la resolución de problemas.

Esquema numérico empleado: Volumen Finito Implícito

El método de volúmenes finitos, incrementa la mejora en la estabilidad y robustez sobre las técnicas de diferencias finitas y elementos finitos; pudiendo manejar adecuadamente situaciones de flujo en regímenes Subcrítico, Supercrítico y Mixto.

Algoritmo de solución para el acoplamiento de modelos 1D y 2D

Este algoritmo permite la retroalimentación directa en cada paso de tiempo entre los elementos de flujo 1D y 2D. Por ejemplo el caso del río modelado en 1D que se conecta a cualquiera área (modelada en 2D) mediante algún dique (estructura lateral). Si consideramos que el flujo se desplaza por encima del dique, o por efecto de la ruptura del dique, del modelo 1D hacia el 2D, entonces el programa emplea la ecuación de vertedero para resolver el cómputo del flujo. Por cada paso de tiempo, la ecuación de vertedero emplea los resultados de los modelos 1D y 2D permitiendo la contabilización exacta del vertedero sumergido.

Mallas computacionales estructuradas y no estructuradas

HEC-RAS 5.0 fue diseñado para trabajar con mallas no estructuradas, pero también puede trabajar con mallas estructuradas. Las celdas computacionales de una determinada malla pueden ser triángulos, cuadrados, rectángulos o polígonos de hasta 8 lados como máximo. La malla computacional no necesita ser ortogonal, sin embargo si fuera así la discretización numérica es más simplificada y eficiente.

Mapas detallados de inundación y animaciones de los mismos

HEC-RAS, a través de su herramienta RAS Mapper, ofrece la posibilidad de visualizar mapas de zonas inundadas, así como la animación del flujo de agua cuando acontece la inundación. Dicho proceso se basa en función del terreno subyacente y no en el tamaño de celda computacional de la malla generada.

Tabla detallada de propiedades hidráulicas para celdas y contornos de celdas computaciones 2D

Cada celda y contorno de celda es preprocesada con la finalidad de obtener tablas de propiedades hidráulicas basadas en el terreno subyacente empleado en la modelización. Básicamente el preproceso, calcula una relación detallada de “Elevación Volumen” para cada celda; y para cada contorno de celda calcula la relación “Elevación Perímetro Mojado”, “Elevación Área”, “Elevación Rugosidad”, y demás propiedades hidráulicas.

Solución del esquema numérico basado en multiprocesadores

La solución obtenida de la modelización, ha sido programada para que aproveche los procesadores que tiene el ordenador, lo que permite que se ejecute más rápido si solo empleáramos uno.

Permite trabajar con procesadores de 64Bit y 32Bit

HEC-RAS puede trabajar ahora en ordenadores que tengan procesadores de 32 y 64 bit, siendo conocido que un procesador de 64Bit se ejecutará más rápido que el de 32Bit y puede manejar gran cantidad de datos.

Limitaciones actuales de la modelización en 2D con HEC-RAS

Debido a que el programa se encuentra en su versión beta, existen ciertas limitaciones de uso, que tal y como se indica en el manual del usuario, algunas de ellas podrán ser superadas en la versión oficial; tales limitaciones se describen en el siguiente ítem.

A continuación se mencionarán algunas de las limitaciones de la modelización en HEC-RAS 2D,para su versión 5.0. (La información fue tomada del manual del usuario de HEC-RAS 2D)

• Ofrece poca flexibilidad para añadir estructuras hidráulicas dentro de un área 2D
• No se puede ejecutar simulación de transportes de sedimentos producto de la erosión deposición dentro de un área 2D.
• No se puede ejecutar simulación de calidad de agua dentro de un área 2D.
• No se puede conectar centrales de bombeo dentro de un área 2D. No se puede utilizar las capacidades de modelización de puentes de HECRAS dentro de un área 2D. Se pueden modelar alcantarillas, vertederos, y rupturas pero usando la herramienta SA/2D Area Conn (Ver Figura N°9)

Zonas bidimensionales analizadas con HEC-RAS 5.0

Las zonas bidimensionales en HEC-RAS pueden ser útiles en un gran número de casos y situaciones como por ejemplo:

• Modelización de detalle de un canal en 2D
• Modelización de detalle de canal y márgenes de inundación en 2D.
• Combinación de análisis 1D en canales y 2D en márgenes de inundación
• Combinación de análisis 1D en canales y zonas de flujo 2D detrás de motas
• Conectar de manera directa cauces 10 hacia zonas de flujo 2D
• Conectar de manera directa zonas de flujo 2D con un elemento de retención 1D mediante una estructura hidráulica
• Múltiples zonas de flujo 2D en una misma geometría
• Conectar de manera directa múltiples zonas de flujo 2D entre sí mediante estructuras­
  hidráulicas
• Análisis de rotura de presas, balsas y motas a distintos niveles de detalle
• Flujos en régimen mixto. El módulo 2D es capaz de modelizar en régimen subcrítico, supercrítico y las transiciones entre ellos mediante remansos y resaltos hidráulicos.

La modelización en HEC-RAS 2D se consigue añadiendo elementos que representan las zonas de flujo 2D del mismo modo como se añaden las Storage Areas. De este modo, tal y como se desprende del anterior listado, con esta versión de HEC-RAS es posible:

• Conectar elementos 1D y zonas 2D
• Conectar una zona de flujo 2D a un tramo de rio 1D
• Conectar directamente un tramo de rio aguas arriba con una zona de flujo 2D aguas abajo
• Conectar directamente una zona de flujo 2D aguas arriba con un cauce 1D aguas abajo
• Conectar una zona de flujo 2D con una Storage Area
• Efectuar un modelo 2D aislado
• Conectar una zona de flujo 2D con otra zona de flujo 2D
• Múltiples zonas de flujo 2D en una única geometría

A continuación se detallan una serie de casos en los que el empleo de un modelo 2D puede ofrecer un mejor resultado

• Modelización de zonas detrás de motas o diques en las que se van a ver desbordados o se producirá rotura con lo que el flujo puede adoptar diversas direcciones,
• Bahías y estuarios en los que el flujo fluye continuamente en varias direcciones por fluctuaciones de mareas y en que las avenidas del río lleguen a la zona desde diversos lugares e instantes de tiempo.
• Cauces muy ramificados e interconexionados.
• Abanicos aluviales
• Flujo en el ámbito de cauces muy curvados en los que se producirá una sobre elevación significante de la lámina de agua.
• Llanuras de inundaciones muy anchas y planas, en las que el agua adoptará diferentes direcciones de flujo y presente diferentes cotas de lámina de agua y velocidades en diversas direcciones.
• Situaciones en las que es muy importante obtener resultados detallados de velocidades en la hidráulica alrededor de objetas como estribas, pilares, etc …

Pero hay situaciones en los que un modelo 1D producirá resultados iguales o mejores que un modelo 2D con menor esfuerzo (tanto a nivel de generación del modelo, calibración y simulación):

• Cauces y márgenes en las que las direcciones del flujo y las fuerzas sigan la dirección de flujo principal
• Cauces con mucha pendiente, en las que el flujo está principalmente regido por la gravedad.
• Redes de drenaje con muchos viaductos, alcantarillas, azudes, aliviaderos, presas, estructuras con compuertas, levees, bombeos, … y que tengan influencia en las cotas de agua y flujos computados.
• Redes de cauces de extensiones medias o grandes con ámbitos de estudios muy grandes.
• Situaciones en los que los datos de partida no aprovecharan el beneficio potencial de usar un modelo 2D.

Autor: Lourdes Fernández Cacho, profesora del Máster en Diseño, Construcción y Explotación de Obras Hidráulicas