Science & Mathematics > Earth Sciences">
HEC Magdalena 2008
HEC Magdalena 2008
HEC Magdalena 2008
net/publication/275022451
CITATIONS READS
0 174
3 authors, including:
Some of the authors of this publication are also working on these related projects:
All content following this page was uploaded by Ana Santos on 15 April 2015.
NOTAS TÉCNICAS
Avances en Recursos Hidraúlicos - Número 17, Mayo de 2008, Medellín - Colombia - ISSN 0121-5701
44
45
Ana Carolina Santos Rocha 1 , Carlos Eduardo Cubillos Peña 2 & Andrés Vargas Luna 3 .
1 Maestría en Recursos Hidráulicos, Grupo GIREH, Universidad Nacional de ColombiaBogotá.
2 Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola, Universidad Nacional de Colombia Bogotá.
3 Departamento de Ingeniería Civil, Pontificia Universidad Javeriana Bogotá.
acsantosr@unal.edu.co.
Recibido para evaluación: 31 de Agosto de 2007 / Aceptación: 06 de Mayo de 2008 / Versión Final: 27 de Mayo de 2008
Resumen Abstract
Dentro de la modelación hidráulica es importante identificar las In hydraulic modeling is important to identify the advantages
ventajas y limitaciones de un modelo matemático. El objetivo and disadvantages of a mathematical model. The aim of the
del presente escrito consiste en reportar los resultados de un present paper consists in to report the results of an exercise
ejercicio de aplicación realizado para establecer la eficacia del of application realized to establish the one-dimensional HEC-
modelo unidimensional HEC-RAS en la simulación del RAS model efficiency in simulating hydraulic behavior of a river
comportamiento hidráulico de un cauce que presenta with high flow branches and diversions, considering the
bifurcaciones y derivaciones de gran caudal, como es el caso del Magdalena River near Canal del Dique. Based on field data
río Magdalena en proximidades al Canal del Dique. Con base en collected in June 2005 (discharge and transversal sections
mediciones de campo realizadas en junio de 2005 (aforos y measurements) and hydraulic information of discharges and
barimetrías) y registros hidrométricos de caudal y nivel en dos levels in two gauging stations (Calamar in the Magdalena River
estaciones (Calamar en el río Magdalena e INCORA K7 en el and INCORA K7 in the Dique Channel). The model calibration
Canal del Dique), se realizó la calibración del modelo; se was performed, subsequently, a validation processes was
desarrolló un proceso de validación simulando un hidrograma developed using an entrance hydrograph between 1st June
de entrada correspondiente al período comprendido entre el 1° 2004 and 1st November 2005, and comparing with the
de junio de 2004 y el 1° de noviembre de 2005, y comparando registered hydrograph in the INCORA k7 station located close
los resultados con el hidrograma de caudal registrado en la to the Dique Channel entrance. The results prove the model
estación INCORA K7, situada a aproximadamente 7 kilómetros efficiency and his high predictive capability in that conditions.
de la embocadura del Canal del Dique. Los resultados obtenidos
evidencian la efectividad del modelo y su alta capacidad predictiva
para tales condiciones.
Key Words: HEC-RAS, Hydraulic modeling, Calibration,
Validation.
Palabras Clave: HEC-RAS, Modelación hidráulica,
Calibración, Validación.
Avances en Recursos Hidraúlicos - Número 17, Mayo de 2008, Medellín - Colombia - ISSN 0121-5701
Avances en Recursos Hidraúlicos - Número 17, Mayo de 2008, Medellín - Colombia - ISSN 0121-5701
46
47
3. Información utilizada
00
K0 +00
+2
0
3.1. Topobatimetría
K1
9 Canal del Dique
8 Salida
00
El modelo requiere de las secciones transversales del tramo
+0
K0
7 Izq Loca abajo
de estudio en las cuales debe definirse su canal principal y la Canal Dique
Der Isla
de Ensayos Hidráulicos de la Universidad Nacional de Colombia
(LEH -UN) durante los días 13 a 18 de junio de 2005 en un
tramo de 14,5 km de longitud (K0+000 hasta K14+500) en el
río Magdalena, y de 1,2 km (K1+900 hasta K0+700) en el
Canal del Dique. Las secciones trasversales, por lo general,
Isla Becerra
fueron tomadas cada 50 metros. Se utilizó un equipo GPS
PROMAK II con precisión submétrica y corrección satelital, 3 Izq Becerra
2 Der Becerra
TRA MOS Y BRA ZOS
para la medición de coordenadas norte, este y cota. Para la (Tramo)
Entrada
toma de las profundidades se empleó una ecosonda Raytheon Izq Becerra
Der Becerra
(Brazo)
(Brazo)
DM con una precisión de 10 cm. Inter islas
Der Loca
(Brazo)
(Brazo)
Izq Loca arriba (Brazo)
En total se obtuvieron 431 secciones sobre el Río Magdalena y Izq Loca abajo
Salida
(Brazo)
(Tramo)
24 para el Canal del Dique, cuya distribución se presenta en la Canal del Dique (Brazo)
Tabla 1. NODOS
Becerra
Sólo se contó con una sección transversal en el brazo Der isla
Izq isla
1 Entrada
denominado Inter_islas; la cual se replicó 5 veces para describir K1 4+ 5
Canal Dique
Loca
0 0
el tramo en el modelo, estableciendo sus cotas según la
pendiente del cauce en el sector. En el Canal del Dique, la
batimetría del 2005 sólo incluyó secciones desde el K0 hasta el
Figura 2. Topología de la zona de estudio.
K1+200, las demás secciones (K2 hasta K10) fueron
suministradas por el LEH-UN correspondientes a una campaña
de medición realizada en estudios anteriores. Esto se hizo para
extender la modelación hasta el sitio de la estación INCORA
K7.
Avances en Recursos Hidraúlicos - Número 17, Mayo de 2008, Medellín - Colombia - ISSN 0121-5701
48
Para la calibración del modelo se utilizó la información A manera de verificación, se consultaron los registros de las
batimétrica y de aforos líquidos levantada por el LEH -UN en estaciones hidrométricas de Calamar e INOCORA K7 del
la campaña de junio de 2005. En la Tabla 2 se presenta el mejor IDEAM, correspondientes a las fechas de la campaña de
estimativo de la distribución de caudales en cada tramo medición de 2005, (Véase Tabla 3).
considerado, ajustada de acuerdo con la ley de conservación
de masa, condición obvia exigida por el modelo, para lo cual,
también se utilizó la información de los aforos líquidos realizados
en los años 2002, 2003 y 2006.
49
Tabla 3. Registro de niveles y caudales de las estaciones INCORA K7 y Calamar correspondiente al periodo junio 13 a 18 de 2005.
Como se puede observar, el caudal registrado en la estación En el presente estudio se optó por la condición de flujo no
Calamar es, en general, mayor al caudal medido en el tramo permanente, debido a que la calibración de los factores de
"Entrada" de la Tabla 2, en un 17 % aproximadamente; hecho rugosidad se realizaría a partir de la correcta reproducción de
que se puede atribuir a múltiples causas relacionadas con la hidrogramas registrados en las estaciones hidrométricas de control
precisión de los registros de hidrométricos y a que los valores seleccionadas. Para el efecto, se realizó una calibración
de la Tabla 2, como se ha dicho, han sido ajustados a partir de multiobjetivo.
aforos no simultáneos, con el fin de suministrar al modelo las
condiciones de distribución de caudal. La Tabla 4 presenta los
caudales establecidos como condición inicial al modelo HEC- 4.2. Condiciones de frontera
RAS, tomando como referencia el caudal observado en la
estación de Calamar el día 13 de junio de 2005. Se establecieron las siguientes condiciones de frontera: (véase
Figura 2):
En la etapa de validación se utilizaron hidrogramas de caudal
* Condición de caudal y nivel en el brazo "Entrada", en la
estimados a partir de las lecturas de niveles del río Magdalena abscisa K14+500
y del Canal del Dique, en las estaciones Calamar e INCORA
* Condición de nivel en el brazo "Salida", en la abscisa
K7, respectivamente, correspondientes al período K0+000
comprendido entre el 01 de Junio de 2004 a las 06:00 a.m. y el * Condición de profundidad normal en el brazo "Canal
11 de noviembre de 2005 a las 06:00 a.m., de acuerdo con la del Dique" en Santa Lucía, en la abscisa K10+000
información suministrada por el IDEAM.
Debido a las limitaciones de información, la pendiente de la
línea de energía en el Canal del Dique se dedujo a partir de los
datos de los aforos bajo una suposición de flujo uniforme.
4. Calibración del modelo
4.1. Parámetros hidráulicos 4.3. Estimación del coeficiente de rugosidad de
Manning
Para realizar una simulación empleando HEC-RAS, es necesario
determinar el tipo de flujo con el que se va a trabajar y establecer Para precisar el coeficiente de rugosidad (n de Manning) para
las condiciones iniciales y de frontera para ejecutar la simulación. el río Magdalena en el sector de interés, se realizaron varios
Avances en Recursos Hidraúlicos - Número 17, Mayo de 2008, Medellín - Colombia - ISSN 0121-5701
50
ensayos numéricos suponiendo diferentes valores posibles de se obtuvo el caudal derivado por cada brazo más próximo al
dicho coeficiente en cada uno de los brazos; de esta manera se caudal previamente definido para cada uno de ellos. Los
seleccionaron los resultados para las condiciones en las cuales resultados de esta calibración se resumen en la Tabla 4.
Caudal der ivado
Coeficiente de Pendiente de
Tr amo Obser vado Simulado Obser vado Simulado
Rugosidad n ener gía
(m³/s) (% )
Entrada 9540 9757,85 100% 102.3% 0,031 0,00009
Brazo Izq Becerra 2480 2386,56 26% 25.0% 0,029 0,00007
Brazo Der Becerra 7060 7371,35 74% 77.3% 0,030 0,00004
BrazoInter islas 1336 1408,60 14% 14.8% 0,028 0,00007
BrazoDer Loca 5724 5962,77 60% 62.5% 0,023 0,00007
Brazo Izq Loca arriba 3816 3793,61 40% 39.8% 0,028 0,00006
Brazo Izq Loca abajo 3148 3127,20 33% 32.8% 0,025 0,00006
Salida 8872 9089,98 93% 95.3% 0,030 0,00009
Canal del Dique 668 668,00 7% 7.0% 0,022 0,00005
Dado que las diferencias entre el caudal observado y el simulado junio de 2005, se utilizó una curva de calibración suministrada
son inferiores al 5%, se concluye que los valores del coeficiente por el LEH-UN (válida para una cota inferior a 6,2 m.s.n.m.),
de rugosidad n de Manning son adecuados. Puesto que se realizó deduciéndose de esta manera un nivel de 5.92 m.s.n.m. La
una calibración multiobjetivo, se verificó que los resultados ecuación de la curva de calibración empleada es:
obtenidos al variar el coeficiente de rugosidad, n de Manning,
en cada brazo, también reprodujeran los niveles de la lámina Q = 22,02 × (H + 0,6)1,82
de agua medidos en el levantamiento topobatimétrico, en cada
una de las secciones consideradas, como se muestra en la Tabla Tabla 5. Diferencias en el nivel de agua obtenidas en la calibración.
5.
Difer encia Diferencia
Durante el proceso desarrollado se dio gran importancia a la Sector de altur as Sector de altur as
reproducción del nivel de agua en las estaciones Calamar e (m) (m)
Entrada 0,09 Izq_Loca_abajo 0,06
INCORA K7. Para la sección transversal correspondiente a la
Der_Becerra 0,12 Der_Loca 0,06
estación Calamar se conoce el nivel del agua de la batimetría Inter_islas 0,06 Salida 0,05
(6,44 m.s.m.m.); sin embrago, en la estación INCORA K7, no Izq_Becerra 0,07 Canal del Dique 0,14
se cuenta con tal información debido a que la batimetría en el Izq_Loca_arriba 0,07
Nivel en Calamar 0,05 Nivel en INCORA K7 0,1
Canal del Dique se realizó solo hasta el km 1+200, y la estación
se encuentra en el km 7 (a partir de la embocadura del Canal
en el río Magdalena).
Estas diferencias en la mayoría de los sectores son inferiores a
Para estimar el nivel de agua en la estación INCORA K7 los 10 cm, excepto en 12 de las 470 secciones transversales
correspondiente al caudal derivado por el Canal del Dique en involucradas en el cálculo.
Modelación hidráulica de un Sector de río caudaloso con derivaciones, empleando HEC-RAS - Santos, Cubillos & Vargas
51
4.4. Verificación con otros aforos En general, se observa una buena correspondencia entre los
valores calculados y medidos. Los sectores donde las diferencias
Con la información de los aforos mostrada en la Tabla 2 se son mayores, corresponden al brazo izquierdo de la isla La Loca
ejecutó una simulación con el fin de verificar el comportamiento y al brazo derecho de la isla Becerra, lo cual se puede explicar
del modelo ya calibrado, para otras condiciones de caudal. Para por la dinámica del río que afecta la configuración de la sección
ello se mantuvieron las condiciones de frontera establecidas trasversal y, por lo tanto, su capacidad de conducción de flujo.
en la calibración, excepto en el brazo "Salida" donde se introdujo
un valor de profundidad normal, mientras que en el Canal del
Dique, se impuso la condición de flujo uniforme. 5. Validación del Modelo par a
La distribución de caudales obtenida en los 9 brazos para 4 Flujo no Per manente
condiciones de caudal diferentes, se presenta en la Figura 3,
donde se comparan con los caudales aforados. Se realizó esta validación comparando un hidrograma calculado
10000 por el modelo, con el correspondiente hidrograma registrado
Noviem bre d e 2002
7900
7900
9000
en la estación INCORA K7 en el Canal del Dique, para una
7362
7292
8000
Caud al derivado (m³/s)
6102
7000
4966
6000
4819
5000
fueron: profundidad normal en el Canal de Dique y en el tramo
3081
2934
4000
3000
1802
1132
1106
2000
establecidas en la etapa de calibración) y un hidrograma de
608
576
1000
0
Entrada Izq Der Inter islas Der Loca Izq Loca Izq Loca Salida Canal del Caudal en el brazo "Entrada". El hidrograma elegido proviene
Becerra Becerra arriba abajo Dique
Tr amo
del registro de la estación Calamar del período comprendido
a) Noviembre de 2002 entre el 01 de junio de 2004 y el 11 de noviembre de 2005.
Nov ie m bre de 2003
En la Figura 4 se presentan los resultados obtenidos en esta
8899
8899
10000
8265
8158
8000
6788
6084
6000
4655
4244
4000
2815
2762
2115
2000
741
673
0
comprendidos entre el 22 de marzo y 5 de abril de 2005 para
Entrada Iz q Der Inter islas Der Loca Izq Loc a Izq Loca Salida Canal del
Becerra Becerra arriba abajo Dique condiciones de bajo caudal. Estos resultados permiten destacar
Tram o
7000
5929
5886
Cau dal d eriv ad o (m³/s )
6000
5014
45 34
5000
4119
3774
4000
2542
3000
2198
2112
1809
1782
1306
2000
892
760
430
421
1000
0
E ntrada Izq Becerra Der Inter islas Der Loca Izq Loca Izq Loc a Salida Canal del
B ecerra arriba abajo Dique
Tram o
c) Febrero de 2006
Q Medido (m³/s) Q Calculado (m³/s)
52
1100
Hidrograma observado Hidrograma simulado
1000
900
800
Caudal (m³/s)
700
600
500
400
300
200
100
01 Jun04 01 Ago04 01 Oct04 01 Dic04 01 Feb05 01 Abr05 01 Jun05 01 Ago05 01 Oct05
Tiempo (Días)
Figura 4. Comparación entre el hidrograma real y el calculado en INCORA K7 para el período 01 de junio de 2004 a 03 de
noviembre de 2006.
6. Resultados de la Modelación Tabla 6. Ecuaciones y coeficientes de determinación para la
relación del caudal en el tramo "Entrada" y los demás brazos
Hidráulica del esquema de modelación.
53
54