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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA

TRABAJO ESCALONADO N°1 “HERRAMIENTAS DE SOFTWARE/HARDWARE PARA DISEÑOS HIDRÁULICOS” Curso: IRRIGACION HH-413 H Profesor: ING. RIVAS OYOLA, Nilton ING. CASTRO, Luis INTEGRANTES: REYES DÁVALOS, Jorge MORENO RUIZ, Octavio Bernardo TOVAR QUINTANILLA, Jharol Jhordan SALAZAR ARAUJO, Frank SOPLA GÓNGORA, Rohiser HUAYHUARIMA LAURA, Pool Andrés

Lima- Perú

2018

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IRRIGACIÓN HH413-H

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN 2. PRESENTACIÓN DE SOFTWARES PARA DISEÑOS HIDRÁULICOS 2.1. CROPWAT 8.0 2.1.1. DESCRIPCIÓN GENERAL 2.1.2. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA 2.1.3. EJEMPLO APLICATIVO 2.2. ArcGIS 2.2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL 2.2.2. DIAGRAMA DE FLUJO 2.2.3. EJEMPLO APLICATIVO 2.3. HIDROESTA 2.3.1. DESCRIPCIÓN GENERAL 2.3.2. DIAGRAMA DE FLUJO 2.3.3. EJEMPLO APLICATIVO 2.4. SLIDE 2.4.1. DESCRIPCIÓN GENERAL 2.4.2. DIAGRAMA DE FLUJO 2.4.3. EJEMPLO APLICATIVO

2.5. IBER 2.5.1. MODELO NUMÉRICO 2.5.2. PROCEDIMIENTO PARA MODELAR 2.5.3. APLICACIÓN 2.5.4. EJEMPLO APLICATIVO 2.6. HEC-HMS 2.6.1. DESCRIPCIÓN GENERAL 2.6.2. DIAGRAMA DE FLUJO 2.6.3. EJEMPLO APLICATIVO

3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4. BIBLIOGRAFIA 5. ANEXOS

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1. INTRODUCCIÓN

La necesidad de mejorar la calidad del agua suministrada y de optimizar las operaciones implicadas en ello, ha ido incorporando el uso de nuevas técnicas como la informática y la automática en la gestión y control de los sistemas hidráulicos. Debido a esto, el uso de modelos matemáticos se ha generalizado y actualmente abarca todos los sistemas del ciclo del agua. Los modelos se utilizan en el estudio y desarrollo de proyectos de mejora o revisión de las instalaciones (modelos de análisis y diseño) o de su explotación diaria (modelos operacionales). Para la confección de estos modelos se necesita un programa de cómputo que permita simular los diferentes elementos necesarios en proyectos hidráulicos y aplicar un algoritmo de cálculo rápido y confiable a fin de que puedan generar y ajustar las solicitaciones hídricas en el menor tiempo posible con la mayor confiabilidad. Existen en el mercado diversos software que cumplen estas características entre los que están: Cropwat, Hidroesta, HEC-HMS, HEC-RAS, Goldsim, Arcgis, Civil 3D, watercad, sewercad, HY-8, Flow-2D, Iber, Slide.

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2. PRESENTACIÓN DE SOFTWARES PARA DISEÑOS HIDRÁULICOS 2.1. CROPWAT 2.1.1. Descripción General CROPWAT es una herramienta de apoyo a la decisión desarrollada por la División de Desarrollo de Tierras y Aguas de la FAO. CROPWAT 8.0 para Windows es un programa informático para el cálculo de los requerimientos de agua de cultivo y los requisitos de riego basados en el suelo, el clima y los datos de cultivos. Además, el programa permite el desarrollo de programas de riego para diferentes condiciones de manejo y el cálculo del suministro de agua del esquema para diferentes patrones de cultivo. CROPWAT 8.0 también se puede utilizar para evaluar las prácticas de riego de los agricultores y para estimar el rendimiento del cultivo tanto en condiciones de secano como de riego.

Todos los procedimientos de cálculo utilizados en CROPWAT 8.0 se basan en las dos publicaciones de la FAO de la Serie de Riego y Drenaje, concretamente, el Nº 56 "Evapotranspiración de cultivos Directrices para calcular los requisitos de agua de cultivo" y el Nº 33 titulado "Respuesta al rendimiento del agua".

Como punto de partida, y solo para ser utilizado cuando los datos locales no están disponibles, CROPWAT 8.0 incluye datos estándar de cultivo y suelo.

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Cuando los datos locales están disponibles, estos archivos de datos se pueden modificar fácilmente o se pueden crear nuevos. Del mismo modo, si los datos climáticos locales no están disponibles, estos se pueden obtener para más de 5.000 estaciones en todo el mundo a partir de CLIMWAT, la base de datos climáticos asociados. El desarrollo de los programas de riego en CROPWAT 8.0 se basa en un balance diario de suelo-agua utilizando varias opciones definidas por el usuario para el suministro de agua y las condiciones de manejo del riego. El suministro de agua del esquema se calcula de acuerdo con el patrón de cultivo definido por el usuario, que puede incluir hasta 20 cultivos.

CROPWAT 8.0 es un programa de Windows basado en las versiones anteriores de DOS. Además de una interfaz de usuario completamente rediseñada, CROPWAT 8.0 para Windows incluye una serie de características nuevas y actualizadas, que incluyen:

   



       

Datos mensuales, de décadas y diarios de datos climáticos para el cálculo de la evapotranspiración de referencia (ETo) Compatibilidad hacia atrás para permitir el uso de datos de la base de datos CLIMWAT Posibilidad de estimar datos climáticos en ausencia de valores medidos Cálculo de la década y el día de los requerimientos de agua de cultivo basados en algoritmos de cálculo actualizados, incluido el ajuste de los valores del coeficiente de cultivo Cálculo de las necesidades de agua de cultivo y programación de riego para arroz de arrozales y tierras altas, utilizando un procedimiento recientemente desarrollado para calcular los requisitos de agua, incluido el período de preparación de la tierra Horarios de riego ajustables por el usuario interactivo Hablas de salida diarias del balance hídrico del suelo Fácil guardado y recuperación de sesiones y de programas de riego definidos por el usuario Presentaciones gráficas de datos de entrada, requisitos de agua de cultivo y programas de riego Fácil importación / exportación de datos y gráficos a través del portapapeles o archivos de texto ASCII Extensas rutinas de impresión, compatibles con todas las impresoras basadas en Windows Sistema de ayuda sensible al contexto Interfaz multilingüe y sistema de ayuda: inglés, español, francés y ruso

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2.1.2. Diagrama de Flujo del programa

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2.1.3. EJEMPLO APLICATIVO REQUERIMIENTO DE AGUA POR CULTIVO Datos meteorológicos: La información utilizada sobre los datos meteorológicos es de la estación “FONAGRO” del departamento de ICA:

Figura Nº1.Modelo de datos meteorológicos de la estación “FONAGRO”. Fuente: SENAMHI-OFICINA DE ESTADISTICA

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Se utiliza el promedio mensual de información meteorológica correspondiente a 13 años desde el año 2004 al 2017.

Temperatura Temperatura Humedad Velocidad Max (°c) Min (°c) (%) del viento 13h Enero 27.5 19.7 78.4 7.2 Febrero 28.6 20.1 77.7 6.9 Marzo 28.1 19.6 78.4 6.7 Abril 26.7 17.9 79.3 6.2 Mayo 24.2 15.6 79.9 6.1 Junio 21.6 14.3 81.3 6,00 Julio 20.6 14.2 81.6 5.9 Agosto 20.3 14.4 81.8 6.4 Septiembre 20.7 14.4 80.1 6,00 Octubre 22,00 14.7 80.7 6.7 Noviembre 23.1 15.6 81,00 7,00 Diciembre 25.5 17.6 79,00 7,00 Cuadro Nº1. Información Meteorológica Procesada para el CROPWAT. Fuente: INSTITUTO NACIONAL DE RECURSOS NATURALES – INRENA Mes

Datos de precipitación media mensual: El periodo de información utilizable es 2004-2017 (Se puede ver a detalle la información en el ANEXO 2), los datos necesarios de precipitación para utilizar el Software “CROPWAT” es el promedio de precipitación mensual. Mes

Precipitación (mm)

ENERO 0.2 FEBRERO 1.2 MARZO 0.3 ABRIL 0,00 MAYO 0.6 JUNIO 3.5 JULIO 1.5 AGOSTO 1.2 SEPTIEMBRE 0.7 OCTUBRE 0.2 NOVIEMBRE 0.3 DICIEMBRE 0.2 Cuadro Nº2. Promedio de datos de precipitación mensual periodo 1992-2002. Fuente: Propia TRABAJO ESCALONADO N° 01

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1. Calculo de la demanda de riego de los cultivos: Los datos a ingresar al software “CROPWAT” están divididos por grupos que se muestran en la parte izquierda de la interfase del programa (CLIMA, PRECIPITACION, INFORMACION DEL CULTIVO, INFORMACION DEL SUELO):

Figura Nº3. Interfaz del Software “CROPWAT”. Fuente: Propia Se utilizará este software para obtener el requerimiento de agua para los siguientes cultivos: PAPA, MAIZ GRANO Y ALFALFA que conforman la cedula de cultivo. a.- Clima: La información de condiciones climáticas serán iguales para todos los cultivos en análisis.

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Figura Nº4.Ingreso de información meteorológica de la estación “FONAGRO” al software CROPWAT. Fuente: Propia b.- Precipitación: La información de condiciones climáticas serán iguales para todos los cultivos en análisis. Tomamos los valores obtenidos en el SENHAMI.

Figura Nº5.Ingreso de información de precipitación media en 13 años periodo 19902002 estación “FONAGRO” al software CROPWAT. Fuente: Propia

c.- Cultivo: La información requerida por el software por cada cultivo es el valor de Kc, duración de cada etapa del periodo de siembra, profundidad radicular del cultivo, el coeficiente de agotamiento crítico y el factor de respuesta. Por lo tanto, el ingreso de datos es distinto por cada cultivo de la cedula elegida. Para nuestro lugar de estudio: -Tomamos información de la Revista Peruana Geo-Atmosférica RPGA: Teniendo como predominantes al Algodón, Cítricos, Esparrago.

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1. ALGODÓN: - Manual de la FAO - Dirección Regional Agraria de Ica

Figura Nº6.Informacion del cultivo ALGODÓN al software CROPWAT. Fuente: Propia

1.1.

Suelo: En el caso del ingreso de datos del suelo es para todos constante excepto en el ítem que pide la profundidad radicular máxima por cultivo. Tomamos datos según la Dirección Regional Agraria de Ica:

Figura Nº9.Informacion del suelo y la prof. radicular máxima del ALGODÓN. Fuente: Propia

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1.2.

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Requerimiento de agua: Toda la información antes ingresada al software “CROPWAT” da como resultado final el requerimiento de agua por cultivo y su distribución en decaídas.

Asimismo, se desarrollarán el resto de cultivos para calcular el requerimiento total de agua para esta zona.

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2. CÍTRICOS: - Manual de la FAO - Dirección Regional Agraria de Ica

Figura Nº6.Informacion del cultivo CÍTRICOS al software CROPWAT. Fuente: Propia

2.1.

Suelo:

Figura Nº9.Informacion del suelo y la prof. radicular máxima de los CÍTRICOS. Fuente: Propia

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2.2.

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Requerimiento de agua: Toda la información antes ingresada al software “CROPWAT” da como resultado final el requerimiento de agua por cultivo y su distribución en decaídas.

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3. ESPÁRRAGO: - Manual de la FAO - Dirección Regional Agraria de Ica

Figura Nº6.Informacion del cultivo ESPÁRRAGO al software CROPWAT. Fuente: Propia

3.1.

Suelo:

Figura Nº9.Informacion del suelo y la prof. radicular máxima l ESPÁARAGO. Fuente: Propia TRABAJO ESCALONADO N° 01

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3.2.

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Requerimiento de agua: Toda la información antes ingresada al software “CROPWAT” da como resultado final el requerimiento de agua por cultivo y su distribución en decaídas.

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1. RESUMEN DE REQUERIMIENTOS DE RIEGO: ENERO FEBRERO MARZO

ABRIL

MAYO

JUNIO

JULIO

AGOSTO SETIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE

ALGODÓN

*

*

*

*

*

*

CÍTRICOS

*

*

*

*

*

*

*

*

ESPÁRRAGO

*

*

*

*

*

*

*

*

kc CULTIVO INICIAL ALGODÓN 0.35 CÍTRICOS 0.65 ESPÁRRAGO 0.50

kc medio 1.17 0.65 0.95

kc final 0.60 0.60 0.30

Referencia FAO FAO FAO

TIEMPOS APROXIMADOS DE LOS TIEMPOS DE CULTIVO (días) ETAPA MEDIA ESTACIÓN CULTIVO INICIAL CRECIMIENTO ESTACIÓN TARDIA ALGODÓN 30 50 55 45 CÍTRICOS 60 90 120 95 ESPÁRRAGO 50 30 100 50 Área de cultivo

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Calculo de requerimiento Bruto Para el cálculo del requerimiento bruto utilizamos la siguiente formula:

El sistema de riego es a gravedad por lo que la eficiencia sera de 0.4.

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2.2.

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ArcGIS

DESCRIPCIÓN GENERAL ArcGIS es un completo sistema que permite recopilar, organizar, administrar, analizar, compartir y distribuir información geográfica. Como la plataforma líder mundial para crear y utilizar sistemas de información geográfica (SIG), ArcGIS es utilizada por personas de todo el mundo para poner el conocimiento geográfico al servicio de los sectores del gobierno, la empresa,

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la ciencia, la educación y los medios. ArcGIS permite publicar la información geográfica para que esté accesible para cualquier usuario.

El presente proyecto tiene como fin mostrar una herramienta del Arcgis, y llegar a manejarla correctamente. Por medio de esta herramienta se puede resolver complicados problemas como delimitar una cuenca. El uso del programa Arcgis facilita el método de trabajo en menos tiempo ya que nos permite por medio de posicionamiento geográfico delimitar de manera rápida el terreno en el que queremos elaborar una delimitación de una cuenca. La principal característica de un SIG es que está diseñado para trabajar con datos referenciados con respecto a coordenadas espaciales o geográficas, así como trabajar con distintas bases de datos de manera integrada, permitiendo así generar información gráfica (mapas) útil para la toma de decisiones; Es por ello que el correcto uso de este software permite al ingeniero una aproximación detallada de planos reales para obtener un análisis de vastas zonas de estudio.

DIAGRAMA DE FLUJO

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EJEMPLO APLICATIVO

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A continuación, vamos a ver como delimitar de forma automática una microcuenca determinada. Recordando que para delimitar una cuenca hidrográfica se procede a determinar el punto de desfogue o drenaje de la cuenca e ir dibujando el perímetro de acuerdo a la línea divisoria de aguas (previamente cargadas las curvas de nivel o relieve y la red hidrográfica).

En caso de no contar con un DEM, crear un TIN a partir de curvas de nivel y transformarlo en ráster (de preferencia tipo GRID). Una vez que se ha cargado el DEM, desde al ArcToolbox vamos hacer uso de las siguientes herramientas siguiendo la siguiente secuencia: Eliminar imperfecciones herramienta Fill.

(huecos

y

sumideros)

ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Hydrology > Fill

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del

ráster

con

la

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Establecer la dirección del flujo hidrológico de la pendiente con la herramienta Flow Direction. ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Hydrology > Flow Direcction

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Determinar la acumulación del flujo de las celdas que fluyen hacia cada celda descendiendo sobre la pendiente por medio de la herramienta Flow Accumulation. ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Hydrology > Flow Accumulation

Si todo marcha correcto debemos tener un ráster como se muestra en la siguiente imagen.

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Ahora vamos a construir automáticamente la red hídrica por medio de un condicional (esto depende del tamaño del ráster en “Input true raster or constant value” colocar la unidad 1, señalar directorio de salida, ahora es muy importante en “Expression” usar la expresión value > 400, este valor depende del tamaño del pixel y del ráster, mientras más grande sea la microcuenca se debe usar un valor mayor, otra opción es usar Raster Calculator) con la herramienta Con, es decir el condicional permite clasificar las celdas con acumulación de flujo superior a un umbral especificado por el usuario, por ejemplo al ingresar un valor bajo como resultado mostrará afluentes pequeños de la red de drenaje, pero mientras más alto sea el valor se obtendrá la red de drenaje de mayor tamaño. ArcToolbox > Spatial Analyst > Conditional > Con

Como siguiente paso generar un vector entre el resultado de los rásters de la acumulación de flujo y el condicional con, con ayuda de la herramienta Stream to Feature. ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Hydrology > Stream to Feature

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El siguiente paso determinar el punto de desfogue o drenaje de la microcuenca, esto se puede hacer creando un shapefile tipo punto, luego interpolarlo con un modelo de elevación digital (TIN o DEM) para obtener sus coordenadas en tres dimensiones. ArcToolbox > 3D Analyst Tools > Functional Surface > Interpolate Shape

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Para culminar con la herramienta Watershed usar el ráster creado con Flow Direction y el punto de desfogue interpolado. ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Hydrology > Watershed

Finalmente, para obtener el polígono de la microcuenca tan solo basta en convertir el ráster a shapefile tipo polígono. ArcToolbox > Conversion Tools > From Raster > Raster to Polygon El resultado de la delimitación de la microcuenca se muestra en la siguiente imagen.

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2.3.

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HIDROESTA

DESCRIPCIÓN GENERAL HidroEsta, es un Herramienta computacional utilizando Visual Basic, para cálculos hidrológicos y estadísticos aplicados a la Hidrología. Este software facilita y simplifica los cálculos laboriosos, y el proceso del análisis de la abundante información que se deben realizar en los estudios hidrológicos. El software permite el cálculo de los parámetros estadísticos, cálculos de regresión lineal, no lineal, simple y múltiple así como regresión polinomial, evaluar si una serie de datos se ajustan a una serie de distribuciones, calcular a partir de la curva de variación estacional o la curva de duración, eventos de diseño con determinada probabilidad de ocurrencia, realizar el análisis de una tormenta y calcular intensidadesmáximas, a partir de datos de pluviogramas, los cálculos de aforos realizados con molinetes o correntómetros, el cálculo de caudales máximos, con métodos empíricos y estadísticos, cálculos de la evapotranspiración y cálculo del balance hídrico. HidroEsta proporciona una herramienta que permite realizar cálculos, simulaciones rápidas, y determinar los caudales o precipitaciones de diseño

DIAGRAMA DE FLUJO

Analizar la problematica e identidicar lo solicitado

Comprender los datos del terreno y clima de la zona, dados como datos

Utilizar el programa para calcular en primer lugar el coeficiente de escorrantia

Sabiendo las precipitaciones medias anuales de la zona, procedemos con el calculo de concentracion e intencidad media

Con los datos obtenidos de los calculos anteriores, procedemos a calcular el cauldal maximo que el terreno no necesita para la produccion.

Se logró calcular lo solicitado

EJEMPLO APLICATIVO TRABAJO ESCALONADO N° 01

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Cálculo del caudal máximo para riego de cultivos, y construir un dren principal que evacue el agua excedente por escorrentía superficial. El método con el cual se desarrollará el problema será: El método racional con dyck y peschke

PROBLMA APLICATIVO:

DATOS DADOS: PRECIPITACIONES MAXIMAS ANUALES TERRENO

CONDICIONES NATURALES DEL

DATOS TOPOGRAFICOS DEL TERRENO

L: longitud de la cuenca H: altura de la cuenca T: periodo de retorno

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DESARROLLO DEL PROBLEMA UTILIZANDO EL PROGRAMA

1ER PASO: Abrimos el programa y seleccionamos el método con el que vamos a solucionar seleccionamos el metodo racional dyck y peschke

2DO PASO: TRABAJO ESCALONADO N° 01

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Se abrirá una ventana para proceder con el calculo de c (coeficiente ponderado de escorrantia), introduciendo los datos brindados.

Se procede a ingresar los datos: Area, Cobertura, textura, pendiente del terreno, en las unidades indicadas requeridas por el programa, posteriormente se obtiene el Coeficiente ponderado de escorrantia

3ER PASO:

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Posteriormente procedemos con el cálculo de Intensidad máxima, para esto utilizamos los datos de la cuenca, periodo de retorno y los datos de precipitacion maximas (desde el periodo 1980 al 2008). Como tenemos abundates datos, es mejor exportar los datos de excel hacia el programa

El programa nos calcúla el tiempo de concentración y la Intensidad máxima en la cuenca. Tambien nos muestra la ecuacion con el cual calculan los resultados y los periodos de intensidad y duraciones de periodos de retorno

4TO PASO:

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Se calcula el caudal máximo con los resultados obtenidos en los pasos anteriores

Finalmente obtenemos el valor del Qmax necesario para diseñar el canal que evacuará el agua excesiva.

2.4.

SLIDE

DESCRIPCIÓN GENERAL El programa Slide, de la casa Rocscience es posiblemente el software de análisis de estabilidad de pendientes más completo a nivel mundial, permitiendo realizar, entre otras cosas, análisis de elementos finitos de infiltración de agua subterránea, análisis de sensibilidad y análisis probabilísticos. De este modo, este potente programa se ha convertido en la herramienta principal para los profesionales en proyectos de obra civil y minería. Los objetivos de este trabajo son facilitar los conocimientos adecuados para realizar modelizaciones a nivel profesional de problemáticas geotécnicas relacionadas con la estabilidad de taludes. Se mostrarán un ejemplo con los pasos y

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opciones que ofrece el programa para llevar a cabo dicho tipo de análisis, lo que facilitará una perspectiva amplia y completa de cómo realizarlos.

DIAGRAMA DE FLUJO:

Dibujar en Autocad la Presa a analizar

Importar del Autocad la Presa a analizar

Definir materiales de la Presa

Direccionamiento de la falla del talud

Corrida del modelo

Analisis Sismico

EJEMPLO APLICATIVO

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Tener en cuenta el siguiente cuadro donde se ve los análisis que se hacen en la estabilidad de un talud de una Presa ESTATICO

ESCENARIOS DE EVALUACION

PSEUDO-ESTATICO

DINAMICO

AGUAS ARRIBA

AGUAS ABAJO

AGUAS ARRIBA

AGUAS ABAJO

AGUAS ARRIBA

AGUAS ABAJO

FIN DE CONSTRUCCION

X

X

X

X

X

X

EMBALSE LLENO A LARGO PLAZO

X

X

X

X

X

X

DESEMBALSE RAPIDO

X1 1

Se omite para presas con cara impermeable aguas arriba o con material muy permeable en el espaldon aguas arriba.

Se crea las dibujo de la presa en Autocad, pero con la creación de 3 capas que tengan los nombres: EXTERNAL, MATERIAL y WATER_TABLE esto para al momento de importar el Programa Slide lo pueda reconocer.

Guardarlo en formato .dxf

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Abrimos el programa Slide e Importamos los bordes, material y tabla de agua.

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Definimos los materiales según la tabla: MATERIAL

PESO ESPECIFICO (kN/m3)

φ (°)

C (kPa)

BASAMENTO ROCOSO

24

5

150

MATERIAL CIMENTACION

18

32

5

GRAVA LIMOSA

19

35

5

MATERIAL TRANSICION

20

30

10

NUCLEO ARCILLOSO

16

0

25

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Asignamos el material

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Definimos las grillas y sentido de análisis:

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Definimos los métodos de cálculo:

Corremos el modelo

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Para observar los resultados vamos a interpret:

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Y observamos los resultados de los metodos para luego compararlos y tomar el menor y compararlo con el Factor de seguridad minimo que se pida.

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2.5.

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IBER

Iber es un modelo matemático bidimensional desarrollado por el Grupo de Ingeniería del Agua y del Medio Ambiente, GEAMA (Universidad de A Coruña, UDC) y el Instituto FLUMEN (Universidad Politécnica de Catalunya, UPC, y Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería, CIMNE) Es un programa de simulación en dos dimensiones, el cual permite la simulación de flujos en lámina libre y en régimen no-permanente, y consta de 03 módulos: hidrodinámico, turbulencia y transporte de sedimentos. Combina estos y utiliza el método de volúmenes finitos para resolver las ecuaciones correspondientes. 1. Modelo numérico 1.1 ecuaciones El módulo hidrodinámico de Iber resuelve las ecuaciones de St. Venant bidimensionales, incorporando los efectos de la turbulencia rozamiento superficial por viento:

Dónde:        

h es el calado Ux, Uy son las velocidades horizontales promediadas en profundidad g es la aceleración de la gravedad es la densidad del agua Zb es la cota del fondo ts es la fricción en la superficie libre debida al rozamiento producido por el viento tb es la fricción debida al rozamiento del fondo vt es la viscosidad turbulenta.

La fricción de fondo se evalúa mediante la fórmula de Manning como:

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La fuerza de rozamiento realizada por el viento sobre la super ficie libre se calcula a partir de la velocidad del viento a 10 m de altura, utilizando para ello la ecuación de Van Dorn:

Dónde:   

VX,10 y VY,10 son las 2 componentes de la velocidad del viento a 10 m de altura |V10| es el módulo de la velocidad del viento a 10 m de altura CVD es un coeficiente de arrastre superficial que se calcula en función de la velocidad del viento a partir de la siguiente expresión:

Dichas ecuaciones asumen una distribución de presión hidrostática (se desprecia la presión dinámica debido al movimiento del fluido) y un campo de velocidad relativamente uniforme en profundidad. 1.2 condiciones de contorno Iber distingue entre contornos cerrados (tipo pared) y contornos abiertos por los cuales entra y sale el agua del dominio de cálculo a) contornos cerrados (tipo pared) Se puede imponer o una condición de deslizamiento libre o una condición de fricción de pared

Fig. Fricción en canales y tuberías TRABAJO ESCALONADO N° 01

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b) contornos abiertos En los contornos abiertos se desprecia el rozamiento generado por los contornos sobre el fluido

Fig. Sin rozamiento márgenes de rios 1.3. Condiciones internas Las condiciones internas se usan cuando es necesario analizar estructuras hidráulicas tipo compuertas, vertederos o puentes que entran en carga. En estos casos las ecuaciones de St. Venant dejan de ser válidas por incumplirse las hipótesis de presión hidrostática y velocidad uniforme en profundidad En estos casos es conveniente calcular la relación entre el caudal y la pérdida de carga a través de dichas estructuras mediante ecuaciones de descarga específica

Fig. Estructura donde existen perdidas de carga 1.4 Esquemas numéricos Las ecuaciones se resuelven mediante el método de volúmenes finitos, la cual discretiza volúmenes finitos en mallas no estructuradas, formadas por elementos triangulares y cuadrangulares bidimensionales.

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Fig. Esquema de volúmenes finitos 1.5. Interfaz de usuario La interfaz de usuario de Iber está realizada en base al programa GiD. Entre las características principales destaca la incorporación de una malla irregular, para un correcto tratamiento de un río, el cual tiene una geometría. Por ello Iber incorpora las capacidades estándar de mallado de GiD, como la creación de mallas estructuradas y no estructuradas, de triángulos y de cuadriláteros, mediante el uso de diversos algoritmos de mallado. Si el terreno presenta irregularidades importantes, Iber implementa la metodología de creación de geometrías en formato RTIN (Regular Triangular Irregular Network).

Fig. Tipos de malla en Iber

Fig. Ejemplo de mallas TRABAJO ESCALONADO N° 01

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2. PROCEDIMIENTO PARA MODELAR El modelamiento varía de acuerdo al tipo de estructura, el fenómeno a analizar, etc. Pero en términos generales podemos definir en tres etapas:

2.1 Preproceso a) Geometría Representación más o menos idealizada del problema a estudiar  

Creación y edición del modelo geométrico Asignación de condiciones de contorno y propiedades

b) Malla Discretización del modelo generado a partir de la geometría.  

Creación y edición de la malla Recoge la información de la geometría

c) Condiciones de contorno Condiciones de iniciales, contorno de entrada salida, rugosidad

Fig. Asignación de condicion de contorno 2.2. Proceso a) Cálculo  

Menú Calcular Ventana de evolución de la simulación

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

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Es posible visualizar resultados a medida que se Es posible visualizar resultados a medida que se van calculando, sin esperar a que termine el cálculo.

Fig. Ventana para iniciar el cálculo b) Modos de visualización    

Mapa de colores, isolíneas, suavizado de result d ti ltados no continuos Vectores Gráficos: evolución espacial de una variable a lo largo de un corte, evolución temporal en un punto. Cortes, integración de valores.

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Fig. Ventana para visualizar resultados 2.3. Postproceso a)      b)    

Resultados básicos: Calado Caudal específico Velocidad Cota de agua Cota de agua Froude Resultados adicionales: Máximos Riesgo Capacidad de arrastre Courant

Fig. Resultado de los valores de calado en un rio 3. USOS El programa es usado generalmente para:       

Con Iber se pueden realizar gran cantidad de modelos numéricos con aplicación a la hidráulica y morfología fluvial. La simulación de rotura de BALSAS Y presas, Flujo en ríos, para definir zonas inundables, evaluación de zonas de riesgo, y delimitación de vías de intenso desagüe El cálculo de transporte de sedimentos de fondo junto con el flujo de marea en estuarios La simulación de paso del agua bajo puentes, compuertas y vertederos, Cálculo de velocidades en un tramo de río con azud y escala de peces Estudio del efecto de una infraestructura en los niveles de inundación

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

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Calidad de aguas

4. EJEMPLO DE APLICACIÓN Para llegar a establecer la cota mínima de tablero y cota máxima de cimentación, se debe calcular los parámetros hidráulicos tales como la velocidad y el tirante que producto del emplazamiento eb un cauce. a) Mallado Para el mallado, se necesita la topografía del río, la cual es procesada en GIS y así convertida a formato ASCII, compatible con el IBER. Entonces se importa la superficie para luego ser modificada en el mismo software de acuerdo a las diferentes secciones de puente propuestas para el estudio.

Fig. Mallado de Sección 01 Fuente: Ramírez cornejo Omar b) Hidrogramas Se tiene un hidrograma con periodo de retorno 500 años para el cálculo de la socavación.

Fig. Hidrograma de Tr = 200 años TRABAJO ESCALONADO N° 01

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Fuente: Ramírez cornejo Omar c) Rugosidad Se determinaron tres tipos de rugosidad: arbustos (n=0.05), río (n=0.025) y concreto (0.014) (Fuente: Ven Te Chow 1994). d) Resultados Entonces, luego de ingresar los datos se procede a ejecutarlo con el hidrograma de 500 años, para determinar la socavación que afectara el puente

Fig. Socavación potencial estimada Fuente: Ramírez cornejo Omar

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2.6.

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HEC-RAS

2.5.1. DESCRIPCIÓN DEL HEC-HMS Modelo HEC-HMS El HEC-HMS (siglas que provienen de su nombre en inglés Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modeling System) está diseñado para simular el proceso de precipitación-escorrentía de cuencas dendríticas. Este programa posee una vasta gama de modelos matemáticos para simular la precipitación, la evapotranspiración, la infiltración, la transformación de la precipitación neta, el flujo base y el tránsito hidráulico en canales abiertos.1 Según Joo et al. (2013), el HEC-HMS se puede categorizar como un modelo conceptual agrupado, ya que representa el proceso de escorrentía de la cuenca por medio de un modelo de pérdidas agrupado el cual combina con un hidrograma unitario principalmente. Además, al ser un modelo conceptual, éste posee menos parámetros y menos solicitaciones en lo que a información de entrada respecta, en comparación con los modelos físicos totalmente distribuidos (Jan Seibert & Vis, 2012). Por su parte, Villón (2013) indica que el HEC-HMS puede utilizarse en pequeñas cuencas urbanas para simular la respuesta que tendría un río o afluente de éste, en su escurrimiento superficial, producto de una precipitación. Expone también que sus aplicaciones pueden enfocarse en estudios de disponibilidad de agua, drenaje urbano, observación de flujo. También, debido a que es un programa de simulación hidrológica de eventos, aumenta la importancia para el área de la ingeniería civil, puesto que los resultados obtenidos pueden ser empleados en el diseño de obras de infraestructura. Esto se debe a que estructuras como puentes, alcantarillas y represas, requieren conocer datos de caudales picos o máximos, así como los volúmenes por trasegar2 .

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2.5.2. DIAGRAMA DE FLUJO

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2.5.3. EJEMPLO APLICATIVO Ejecutamos el HMS, en esta ocasión se trabajó con la versión 3.5:

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Creamos un Nuevo Proyecto:

c

Damos un nombre al proyecto y decidimos la ubicación a guardar el Proyecto:

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Creamos la Cuenca a trabajar:

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Ahora debemos proseguir a crear una Subcuenca:

Lo siguiente es crear el embalse de la presa:

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Por último debemos crear el punto de desfogue de las aguas del embalse:

Ahora debemos conectar los elementos creados anteriormente:

Y luego damos click sobre el elemento a conectar, quedando:

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De igual forma conectamos los otros dos, resultando:

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Ahora pasamos a llenar los datos de la Cuenca:

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Ahora añadimos nuestro modelo meteorológico:

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Configuramos el modelo meteorológico:

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Ahora añadiremos el tiempo de control de la Avenida:

Ponemos los datos que pide el HMS para el control de Avenidas:

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Añadimos las condiciones topográficas:

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Copiamos las celdas respectivas a partir de un EXCEL: Cota (msnm) 4056.0 4056.5

Area Espejo Area Espejo Volumen Volumen Vol. Acum. Vol. Acum. de Agua de Agua 3 3 3 (MMC) (m ) (1000 m ) (1000 m ) (m 2 ) (1000 m 2 ) 0.0 0.0 0.000 0.000 0.000 0.000 17.3 2.9 0.017 0.003 0.003 0.000

4057.0 4057.5

150.4 390.2

36.5 130.5

0.150 0.390

0.036 0.130

0.039 0.170

0.000 0.000

4058.0

671.7

262.3

0.672

0.262

0.432

0.000

4058.5 4059.0 4059.5 4060.0 4060.5

1174.2 1791.6 2444.5 2996.1 3544.0

455.7

1.174 1.792 2.444 2.996 3.544

0.456 0.736 1.055 1.358 1.633

0.888 1.624 2.679 4.036 5.670

0.001 0.002 0.003 0.004 0.006

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736.0 1054.8 1357.8 1633.1

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Luego se pega directamente en el HMS:

Al final, se ingresan los caudales base del embalse, generados por nosotros al hacer la hidrología de la presa:

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Mes

QEMBALSE (m3/s)

Enero Febrero Marzo Abril

0.7641 0.7587 0.693 0.4995

Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre

0.4554 0.4509 0.4221 0.4194 0.3672 0.3222

Noviembre Diciembre

0.3492 0.4032

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Y al final ingresamos los datos del Vertedero, el HMS trabaja por defecto con la ecuación de Vertederos de Creta Ancha: 𝑄 = 𝐶𝐿𝐻

3⁄ 2

Donde: Q : Caudal que pasa por el Vertedero. C: Coeficiente de Vertedero, varía entre 1,8 y 2,2. L: Ancho de Cresta del Vertederos H: Carga por encima del Vertedero. Los datos y resultados obtenidos por el programa fueron los siguientes:

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Para poder intrepretar los resultados, debemos repasar los niveles del embalse:

Luego del HMS, la gráfica Área – Volumen y una Hoja EXCEL generada por nosotros, sacamos las siguientes conclusiones: NAMIN =

4073.51

msnm

NAMO = NAME =

4091.46 4092.20

msnm msnm

V máx (HMS)=

3753.40

1000 m 3

B. L. =

2

m

V máx (E-V)=

3804.89

1000 m

COTA CORONA = COTA FONDO = H PRESA =

4094.20 4056.00 38.20

msnm msnm m

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3

Vertedero Bien Diseñado

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Cabe mencionar que los valores finales de diseño diferirán un poco de los mostrados, ya que los resultados mostrados son los que usamos en el análisis previo y no en el final. Como conclusión nuestro vertedero tendrá las siguientes características: C=

1.8

L=

1.5 m

Cota de su Base =

4091.5 msnm

3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4. BIBLIOGRAFIA  

 

Simulación de rotura de presas aterradas con fondo móvil – Sanz Ramos, Olivares y Bladé. Estudio hidrológico e hidráulico para el diseño del puente Pucayacu, localizado en el tramo: Mayocc – Huanta en la progresiva 3+200, aplicando los softwares HEC-HMS e Iber V2.0 – Castillo Luicho Giancarlo Roberto; Ramírez Cornejo Shamir Omar. Iber: herramienta de simulación numérica del flujo en ríos- E. Bladéa,L. Cea, G. Coresteina, E. Escolanoc, J. Puertas, E. Vázquez-Cendónd, J. Dolz y A. Coll. Guía del usuario-inicio rápido-Rocscince: https://www.rocscience.com/downloads/slide/spanish/Tutorial%2001%20%20Quick%20Start%20(Spanish).pdf

5. ANEXOS

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Fig. Inundación debido a la Influencia del acondicionamiento de una carretera analizado en Iber.

Fig. Evaluación de la velocidad en el puerto Tarragona en el programa Iber.

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Fig. Rotura de balsas en el programa Iber

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