♦ HEC-RAS

El Sistema de análisis de ríos del Centro de Ingeniería Hidrológica del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU., para abreviar, el modelo HEC-RAS, puede realizar cinco tipos de cálculos:(1) flujo permanente, (2) flujo inestable, (3) flujo bidimensional, (4) flujo de lecho móvil, y (5) temperatura y modelado de la calidad del agua. El componente de flujo permanente utiliza el método de paso estándar para la solución de flujo permanente gradualmente variado. El componente de flujo no permanente utiliza una solución numérica de las ecuaciones completas de flujo no permanente gradualmente variado, comúnmente conocido como onda dinámica. El componente de flujo bidimensional utiliza las ecuaciones de movimiento promediadas en profundidad para calcular los patrones de flujo en los casos en que se justifica el flujo bidimensional. El componente de lecho móvil utiliza la continuidad de los sedimentos y una de varias ecuaciones de transporte de sedimentos para calcular la degradación y/o degradación del lecho del río.

Río Misisipí cerca de Bemidji, Minnesota.

Chané río en etapa de inundación, Santa Cruz, Bolivia.

♦ ¿Cuándo es necesario utilizar flujo no permanente?

Esta pregunta tiene mucho interes práctico, ya que el flujo no permanente es más complejo y requiere más datos que el flujo permanente. Sin embargo, la respuesta no es sencilla y requiere cierta elaboración.

♦ Flujo permanente vs no permanente

Bajo flujo permanente, el usuario especifica: (1) caudal en en la frontera aguas arriba, y (2) tirante en la frontera aguas abajo. El modelo de flujo permanente procede a calcular los tirantes en los puntos interiores, manteniendo el caudal constante.

Bajo flujo no permanente, el usuario especifica: (1) un hidrograma de caudales en la frontera aguas arriba, y (2) una relación caudal-tirante en la frontera aguas abajo. El modelo procede a calcular caudales y tirantes en los puntos interiores.

Bajo flujo permanente, las relaciones caudal-tirante son únicas, es decir, son las mismas que en el flujo cinemático no permanente. Sin embargo, bajo un flujo dinámico no permanente, el modelo calcula las relaciones caudal-tirante con histéresis de acuerdo con la variabilidad del flujo. Por lo tanto, la especificación de una relación caudal-tirante única en la frontera aguas abajo contradice la solución.¹ En pocas palabras, ¡la onda no puede ser cinemática en la frontera aguas abajo y dinámica en el resto del canal!

Río Aquidauana, Mato Grosso, Brasil.

Una forma de evitar esta dificultad es: (1) mover artificialmente la frontera aguas abajo más abajo, (2) especificar la clasificación única caudal-tirante en la nueva frontera artificial aguas abajo, y (3) dejar que el modelo calcule la histéresis en todos los puntos interiores, reales y artificiales, incluido el punto donde se encuentra la frontera física aguas abajo real.²

A pesar de su aparente artificialidad, este procedimiento funciona bien y evita la necesidad de conocer la relación caudal-tirante en la frontera aguas abajo antes de calcularla.

♦ Ondas cinemáticas vs dinámicas

The decision de usar o no flujo no permanente en HEC-RAS dependerá de si la onda que se analiza es cinemática o dinámica. Si la onda es cinemática: (1) la descarga no variará en el tiempo; (2) Las relaciones caudal-tirante serán únicas; y (3) la condición de frontera aguas abajo puede especificarse como una relación única. En este caso, las soluciones de flujo permanente y no permanente son esencialmente las mismas; por lo tanto, no se necesita el cálculo de flujo no permanente.

Si la onda es dinámica: (1) El caudal variará en el espacio y en el tiempo, atenuándose a medida que avanza río abajo; (2) las relaciones descarga-tirante calculadas no serán únicas; y (3) para una mayor precisión, la frontera aguas abajo se puede mover artificialmente aguas abajo para permitir que se desarrolle una relación de histéresis en la frontera física aguas abajo real. En este caso, el cálculo del flujo no permanente está justificado, asumiendo por supuesto, que la onda es realmente dinámica.

Canal principal Wellton-Mohawk, cerca de Wellton, Arizona.

Chané Río Chané en etapa de crecida, Santa Cruz, Bolivia.

♦ Uso de flujo no permanente en el diseño de canales

Las consideraciones anteriores plantean la cuestión de si una onda de inundación dada puede interpretarse como cinemática o dinámica. O, mejor aún, si se debe usar una onda dinámica para determinar los tirantes en el diseño de proyectos de mejora de canales. En proyectos típicos, de longitudes de canal limitadas, una onda cinemática, la cual mantiene su caudal constante, es una suposición más apropiada que una onda dinámica, que atenúa su caudal.

Canal G-370, Sur de la Florida.

De hecho, la suposición de ondas cinemáticas asegura que el canal está diseñado para contener todas las ondas, cinemáticas o dinámicas. Los tirantes calculados con la suposición de ondas cinemáticas son esencialmente los mismos que los calculados utilizando un flujo permanente gradualmente variado. Por lo tanto, el uso de flujo no permanente de HEC-RAS para el cálculo de tirantes en el diseño de proyectos de mejora de canales no parece estar justificado.