Desarrollo de un modelo hidrológico/hidrodinámico de simulación de procesos con erosión y sedimentación
- Autores: Daniel López García de la Barrera
- Directores de la Tesis: Pilar Brufau García (codir. tes.), Pilar García Navarro (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2011
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Sole Jose A. Garcia (presid.), Javier Murillo Castarlenas (secret.), Ignacio Villanueva Lacabrera (voc.), Félix Ramón Francés García (voc.), Jesús Asín Lafuente (voc.)
- Materias:
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- Resumen
El agua tiene una importancia innegable en el desarrollo de la vida en la tierra que se refleja, además de en muchos otros factores, en el impacto que tiene sobre la propia humanidad. Dicho impacto se nota no sólo a través de los factores históricos que el agua ha tenido sobre la evolución de la sociedad sino también en la importancia determinante que tiene y tendrá siempre sobre las bases económicas, ecológicas y sociales de la civilización.
En la actualidad, y debido fundamentalmente al crecimiento económico e industrial, los problemas de conservación del suelo y el agua están alcanzando un nivel de máxima urgencia e interés. Por un lado, las necesidades de nuevos complejos municipales e industriales, junto a la necesidad de preservar ecosistemas naturales, plantean nuevos retos en los sistemas de distribución de agua. Por otra parte, actualmente es también frecuente la adopción de medidas de protección frente a inundaciones, que pueden causar impactos adversos en dichos ecosistemas y en las características hidráulicas generales del problema. Los grandes costes de estas obras y la necesidad de ajustarse a leyes medioambientales cada vez más estrictas exigen una predicción detallada de las posibles inundaciones para un diseño adecuado de los riesgos asociados.
Una de las mejores herramientas para llevar a cabo estas labores es, sin duda, la simulación numérica que permita predecir las posibles consecuencias que determinadas actuaciones humanas o eventos meteorológicos puedan tener sobre los regímenes de los ríos o sobre las cuencas que éstos bañan. Por este motivo, históricamente se ha trabajado en el desarrollo de modelos hidrodinámicos de simulación de procesos en flujos de lámina libre. Sin embargo, la complejidad de la hidráulica de los ríos naturales dificulta el diseño de las medidas de control de inundaciones. Modelos hidráulicos orientados a la clasificación de los riesgos de inundación son una herramienta cada vez más solicitada dentro y fuera de España. La última década ha sido testigo de una gran proliferación de herramientas informáticas caracterizadas por incorporar los últimos avances del análisis numérico en una y dos dimensiones. Sin embargo, la mayoría de ellos tienen una carencia en común: No contemplan la posibilidad de un lecho móvil.
Las avenidas más significativas se dan en ríos y canales con lechos móviles erosionables. Fenómenos asociados a flujos extremos son capaces de movilizar grandes cantidades de material que incluyen tamaños de partículas estables bajo condiciones normales de flujo. El material es tomado de los tramos aguas arriba, transportado y depositado más abajo donde la onda de avenida se atenúa y pierde fuerza. Los rápidos procesos de erosión aguas arriba pueden producir grandes daños en poco tiempo por lo que la erosión del fondo y el ensanchamiento del cauce son esperables y frecuentes.
Por todas estas razones, es evidente la importancia de considerar los efectos de los cambios morfológicos de los cursos fluviales y su impacto en el flujo durante ondas extremas. Sin embargo, la práctica estándar actual todavía se basa en modelos de lecho fijo y agua limpia. El objetivo fundamental de esta memoria es presentar un modelo aplicable a flujos de inundación sobre contornos deformables capaz de predecir el efecto de distintas actuaciones o efectos meteorológicos acaecidos en las subcuencas de cabecera sobre la hidráulica y la morfología del cauce.
Teniendo en cuenta este objetivo y la necesidad de que el coste computacional sea razonable, el dominio de interés va a ser dividido en dos partes: Por un lado el cauce del río será tratado por medio de un modelo unidimensional; por otro, las subcuencas de cabecera serán descritas o bien por medio de un modelo bidimensional simplificado, o bien por medio de un modelo agregado que trate cada subcuenca como un todo.
El desarrollo de modelos hidrodinámicos de simulación se compone fundamentalmente de tres etapas. La primera de ellas es la elección de un modelo físico, es decir, la elección de un conjunto de ecuaciones que represente el fenómeno físico que se quiere simular. A continuación se debe proceder a la resolución de dichas ecuaciones, para lo cual a menudo se requieren procedimientos de tipo numérico. Finalmente, el modelo se termina por medio de la implementación de dicho método numérico en un código informático que resuelva las ecuaciones. Una vez que se dispone del programa de simulación, éste debe ser calibrado y validado. El proceso de validación consiste en comprobar la capacidad del modelo para representar el proceso físico para el que se ha diseñado mientras que el proceso de calibración conlleva el estudio de los valores que los parámetros de los que depende el modelo deben tomar para representar correctamente el fenómeno así como de la incertidumbre del resultado en función de los mismos. En este sentido, con el objeto de conseguir un modelo predictivo, es imprescindible que los parámetros de los que depende el sistema estén relacionados con variables accesibles del entorno físico.
En la primera parte de la presente memoria se describe un modelo hidrodinámico y de transporte de sedimentos basado en las ecuaciones 1D completas de Saint Venant para modelar los eventos producidos en cauces. Se describe la forma en que dicho modelo ha sido discretizado, se muestran los casos test a los que ha sido sometido para su validación y se comparan los resultados del modelo con medidas experimentales obtenidas en laboratorio.
En la segunda parte se aborda la descripción del modelo hidrológico distribuido que se ha escogido para modelar los procesos de precipitación, escorrentía, erosión y sedimentación a nivel de cuenca de cabecera y que, en conjunción con el modelo hidrodinámico unidimensional, puede ser utilizado para generar una herramienta integral de simulación de procesos hidrológicos-hidráulicos.
Teniendo en mente la necesidad de que el coste computacional resulte razonable, durante el desarrollo de este trabajo se exploraron dos posibles modelos para representar los procesos hidrológicos-hidráulicos a nivel de subcuencas de cabecera: Por un lado se planteó la posibilidad de desarrollar un modelo basado en las aproximaciones de onda difusiva o en el modelo cinemático para aprovechar las ventajas que dichos modelos implican en términos de velocidad de cálculo con respecto al modelo completo y estudiar sus posibles aplicaciones. Por otro, se estudió la aplicación de un modelo agregado bien establecido (el método del número de curva).
Así, en la segunda parte de esta memoria se describen los modelos cinemático y difusivo. Se detalla la forma en que dichos modelos han sido discretizados y se muestran los casos test que se han utilizado para su validación. Una vez hecho esto se desarrolla el modelo hidrológico que ha sido implementado junto con los modelos cinemático y difusivo y se muestran los resultados que se obtienen al usar los mismos en dos casos reales de cuencas experimentales de montaña.
Una vez descritos el modelo hidrológico-hidráulico para las subcuencas de cabecera y el modelo hidráulico para el tratamiento del cauce y las llanuras de inundación, la tercera parte de la memoria sirve para mostrar la forma en que ambos modelos pueden fusionarse para generar un modelo de tratamiento integral de la cuenca hidrográfica y se muestra la forma en que el modelo puede aplicarse a un caso real, la cuenca del Arga.
Por último se realiza un resumen de las conclusiones que se pueden obtener del trabajo realizado y se detallan algunas de las posibles actuaciones futuras que se proponen como continuación del trabajo mostrado en esta memoria.
