cambio climático - biblioteca.mti.gob.ni:8080biblioteca.mti.gob.ni:8080/docushare/dsweb/get... ·...
TRANSCRIPT
GUÍA METODOLÓGICA
Hidrotecnia Vial
incorporando la adaptación al
Cambio Climático
Ministerio de Transporte e Infraestructura, octubre 2017
Con la cooperación financiera del Fondo Nórdico de Desarrollo (NDF), Convenio de Donación
NDF-C32, se elaboró el presente documento.
Dirección del contrato ES-007-2015 Ing. Fabio Guerrero
Director Unidad de Gestión Ambiental (UGA)
Ministerio de Transporte e Infraestructura de
Nicaragua (MTI)
Coordinación del Fondo Nórdico de
Desarrollo
MSc. Aage Jorgensen
Gerente regional
Ing. Ileana Holt
NDF
Coordinación de la elaboración de la
guía
Ing. Oscar Ruiz Lozano
Experto en Hidrotecnia Vial
IDOM
Equipo redactor de la guía Ing. Iñigo Aizpuru de los Llanos
Experto en Cambio Climático
IDOM
Dr. Josep María Solé
Experto en Meteorología
Meteosim
Coordinación de la supervisión de la
Guía
Ing. Jerónimo Sánchez Mendoza
MTI – División General de Planificación (DGP)
Ing. Eduardo Acuña
Asesor Técnico de Largo Plazo, contrato ES-007-
2015
Equipo revisor de la guía Ing. Fidel Rodríguez
MTI –DGV - CV
Ing. Pedro Martínez
MTI – UGA
Ing. Carlos Silva
MTI – DGV – CV
Ing. Raquel Delgado
MTI –COERCO
Ing. Cristian Gutiérrez
MTI – DGP
Managua, 7 de octubre de 2017
INTRODUCCIÓN .................................................................................... 1
LOS EFECTOS DEL CAMBIO CLIMÁTICO EN NICARAGUA ........................ 2
EL EFECTO DEL CAMBIO CLIMÁTICO EN EL DRENAJE ............................. 8
KCC ..................................................................................................... 10
APLICACIÓN DEL KCC EN LOS CÁLCULOS HIDROLÓGICOS .................. 12
ANÁLISIS SOBRE EL DISEÑO DE LAS OBRAS DE DRENAJE ................... 14
AJUSTE DE PRECIPITACIONES EN FUNCIÓN DEL ÁREA DE CUENCA ..... 15
PERIODOS DE RETORNO PARA EL DISEÑO DE DRENAJE ...................... 16
DIÁMETRO MÍNIMO ............................................................................. 18
BORDO LIBRE ...................................................................................... 19
ANEXO 1: COEFICIENTES DE CAMBIO CLIMÁTICO DE LAS ESTACIONES PRINCIPALES ...................................................................................... 20
ANEXO 2: HEC-RAS 5.0 ........................................................................ 23
ANTES DE EMPEZAR A TRABAJAR CON HEC-RAS .................................. 23
PASOS BÁSICOS PARA DESARROLLAR UN PROYECTO HEC-RAS ............. 24
DEFINICIÓN DEL MODELO DEL TERRENO ............................................ 25
SISTEMA DE COORDENADAS DE REFERENCIA ..................................... 26
DEFINIR EL MODELO DEL TERRENO ................................................... 26
MEJORAR/MODIFICAR EL TERRENO .................................................... 27
DESARROLLO DEL MODELO 1D/2D ..................................................... 29
DIBUJO DEL CONTORNO DE LA ZONA 2D ............................................ 29
AÑADIR LÍNEAS DE ROTURA EN LA ZONA 2D ..................................... 30
CREACIÓN DE LA MALLA DE CÁLCULO ................................................ 31
EDICIÓN DE LA MALLA DE CÁLCULO ................................................... 34
PROBLEMAS EN LA GENERACIÓN DE MALLAS ...................................... 35
ÍNDICE
IND
ICE
INTRODUCIR LA RUGOSIDAD DE MANNING ESPACIALMENTE ................ 37
ASOCIAR LA CAPA DE TERRENO A LA GEOMETRÍA DEL MODELO ............ 38
PREPROCESO DE LA GEOMETRÍA 2D .................................................. 39
CONEXIÓN ENTRE ÁREAS 1D Y 2D ..................................................... 40
CONDICIONES DE CONTORNO ÁREAS 2D ........................................... 41
CONDICIONES DE INICIALES ÁREAS 2D ............................................. 42
SIMULACIÓN RÉGIMEN NO PERMANENTE ............................................ 42
EJEMPLO DE EMPLEO DE HEC-RAS 5.0, PUENTE DE LA PALMITA ............ 43
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................ 48
GLOSARIO ........................................................................................... 49
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................... 54
IND
ICE
1
El Gobierno de Nicaragua (GdN) ha tenido
acceso a un préstamo otorgado por el Banco
Interamericano de Desarrollo (BID), para
ejecutar un programa integral de
inversiones multianuales denominado
Programa de Apoyo al Sector Transporte
(PAST), Este programa está siendo
ejecutado por el MTI y tiene por objetivo
contribuir a mejorar la eficiencia del
transporte terrestre por carreteras en
Nicaragua, a fin de estimular la actividad
económica y el bienestar de la población,
facilitando la integración de las diferentes
regiones del país y con el resto de
Centroamérica.
Adicionalmente, el GdN ha recibido una
Donación del NDF Convenio de Donación
NDF-C32, con el objetivo de apoyar el
componente 4 del PAST a través del
proyecto de Desarrollo de Capacidad
Adaptativa para el Cambio Climático en el
Sector Transporte.
El NDF ha desarrollado, en colaboración con
el BID, un Convenio de Donación a
Nicaragua para dotar al MTI de las
capacidades necesarias para incluir la
adaptación al cambio climático (ACC) en sus
políticas y prácticas.
En el marco del Convenio de donación del
NDF C32, y con el fin de integrar los
aspectos del cambio climático en la
planificación y diseño de la infraestructura
vial, se procedió a la contratación de una
Consultoría para la Asistencia Técnica de
corto y largo plazo para el proyecto de
Desarrollo de Capacidad Adaptativa para
Cambio Climático en el Sector Transporte
(Carreteras), adjudicada a un Consorcio
multinacional formado por IDOM (España),
METEOSIM (España), NCG (Noruega) y
CONDISA (Nicaragua).
Entre los documentos y normativas
modificados durante el desarrollo de la
Consultoría para incorporar las conclusiones
del estudio de cambio climático realizado,
están el Manual Técnico de Hidrotecnia
Vial (2016), y la Guía hidráulica para el
diseño de obras de drenaje en caminos
rurales (2011). El presente documento
sirve para mostrar los cambios introducidos
en ambos manuales con el objetivo de
facilitar la compresión de los mismos.
Esta Guía permitirá divulgar de forma rápida
y eficiente los cambios introducidos en el
Manual Técnico de Hidrotecnia Vial (2016) y
en la Guía hidráulica para el diseño de obras
de drenaje en caminos rurales (2011). Debe
tenerse en consideración que esta Guía no
debe ser empleada para la realización de
cálculos hidrológicos o hidráulicos. Se
considera que, si el usuario de esta Guía
quiere profundizar en el empleo de alguno
de los métodos citados, éste deberá
consultar la versión modificada del Manual o
la Guía Hidráulica para conocer los métodos
de cálculo y su empleo.
El conocimiento de esta Guía no faculta al
lector para realizar ningún tipo de cálculo
hidrológico e hidráulico, pero le permitirá
conocer los cambios considerados sobre la
forma de realizar dichos cálculos en
Nicaragua.
INTRO
DU
CCIÓ
N
INTRODUCCIÓN
2
EL CAMBIO CLIMÁTICO
De acuerdo a Field et al. se denomina
cambio climático a la “variación del estado
del clima, identificable (por ejemplo,
mediante pruebas estadísticas) en las
variaciones del valor medio o en la
variabilidad de sus propiedades, que
persiste durante largos períodos de tiempo,
generalmente decenios o períodos más
largos” (2014, p. 5).
El cambio climático es una consecuencia de
la alteración del balance radiativo de la
Tierra, a causa de cambios en la
composición de la atmósfera por la emisión
de gases de efecto invernadero (GEI), y
cambios de uso del suelo.
Existen tres características del cambio
climático que lo convierten en un problema
de dimensiones desconocidas hasta ahora:
En primer lugar, que es un problema de
escala global donde la responsabilidad es
compartida (aunque diferenciada). En
segundo lugar, que los impactos son locales,
a largo plazo, y repartidos de forma muy
diferente por el globo; y, en tercer y último
lugar, que por la complejidad del sistema
climático global, la incertidumbre que rodea
a los impactos pronosticados es
significativa. Todos somos responsables de
unos impactos de magnitud incierta que, en
cualquier caso, afectarán más a los
colectivos más vulnerables.
Por esta problemática son necesarios dos
tipos de estrategia, la adaptación y la
mitigación. La adaptación se basa en asumir
ciertos impactos, ya irreversibles,
y adaptarse a ellos, mientras que la
mitigación busca reducir la concentración de
GEI en la atmósfera, para reducir así la
magnitud del cambio.
Los países en vías de desarrollo son
especialmente vulnerables frente al cambio
climático, a la vez que su responsabilidad
histórica en el mismo es muy inferior a la de
los países desarrollados.
En materia de ACC, por su carácter
transversal, las principales acciones
tomadas por los gobiernos consisten en
introducir criterios de cambio climático en el
resto de políticas. Se busca crear un mundo
menos vulnerable a los impactos
proyectados, con sistemas e
infraestructuras “a prueba de cambio
climático”.
La introducción de criterios de adaptación en
las fases de planeamiento, diseño,
construcción, mantenimiento y gestión de
las infraestructuras se ha revelado como
uno de los mecanismos más costo-efectivos
para reducir los impactos económicos del
cambio climático en el futuro. Por la
incertidumbre de las proyecciones y la
escasez de información, estos criterios se
deben basar en medidas tipo “no regret” o
“low regret” (resultados garantizados), que
aporten beneficios incluso si los impactos
proyectados de cambio climático fueran
inexistentes.
LO
S E
FECTO
S D
EL C
AM
BIO
CLIM
ÁTIC
O E
N N
ICARAG
UA
LOS EFECTOS DEL CAMBIO
CLIMÁTICO EN NICARAGUA
3
Dentro de este marco, es por tanto
relevante la identificación de todos los
impactos del cambio climático en la red de
infraestructuras de transporte por carretera,
así como aplicar acciones de adaptación de
dicha red al cambio climático.
CLIMA DE NICARAGUA. REGIONES
CLIMÁTICAS
Introducción y regiones climáticas
Nicaragua es una región que se encuentra
afectada por multitud de fenómenos
meteorológicos, algunos de los cuales
pueden venir asociados o causar fenómenos
extremos, muchos de ellos relacionados
entre sí: ENSO (variabilidad climática
interanual de Nicaragua: El Niño-Oscilación
del Sur), ciclones tropicales, ondas
tropicales, vientos alisios, interacción
orográfica, frentes fríos.
De acuerdo con la división en regiones
climáticas establecida por el Instituto
Nicaragüense de Estudios Territoriales
(INETER), las principales regiones son las
siguientes:
Figura 1. Regiones Climáticas de
Nicaragua. Fuente: INETER.
Elaboración propia.
Precipitación anual acumulada
Las precipitaciones en Nicaragua varían de
menos de 800 mm en las zonas más secas
a más de 5.000 mm en la zona más
húmeda. Estas precipitaciones pueden
registrarse en cualquier mes del año, pero
la mayor cantidad cae entre mayo y
noviembre. En la Región del Pacífico y en
gran parte de la Región de Intramontana
Norte y Sur, existen dos estaciones bien
marcadas: la estación lluviosa que se
extiende de mayo a octubre y la estación
seca de noviembre a abril. En la Región
Atlántica (Caribe) y en los territorios que se
encuentran en las pendientes del Este del
macizo montañoso central, la precipitación
se distribuye en el transcurso de todo el año.
PACÍFICO NORTE
PACÍFICO CENTRAL
INTRAMONTANA NORTE
CARIBE NORTE
PACÍFICO SUR
CARIBE SUR
INTRAMONTANA SUR
LO
S E
FECTO
S D
EL C
AM
BIO
CLIM
ÁTIC
O E
N N
ICARAG
UA
4
Temperatura Media Anual
Las temperaturas medias anuales presentan
variaciones relativamente pequeñas,
mientras que los valores extremos diarios
muestran oscilaciones considerables. La
variabilidad estacional del régimen térmico
se aprecia en las vertientes de los
principales sistemas montañosos del país,
en particular entre los 200 y 900 metros
sobre el nivel medio del mar. Existe una
clara diferencia entre los regímenes
térmicos de las zonas costeras (Atlántico y
Pacífico), las que presentan un
comportamiento uniforme todo el año, pero
muy diferente entre sí y las zonas
montañosas localizadas por encima de los
800 msnm.
En las Regiones Autónomas del Atlántico
(Caribe), predominan los días cálidos con
temperaturas medias entre 26.0 ºC y 28.0
ºC. En la Región del Pacífico y en la cuenca
de los lagos (Cocibolca y Xolotlán),
predominan los días muy cálidos,
caracterizados por temperaturas medias
superiores a 34.0 ºC. En las regiones
montañosas más elevadas, por encima de
los 800 msnm, prevalecen los días
confortables casi todo el año, debido a la
ocurrencia de temperaturas medias
inferiores a 26.0 ºC y en algunos puntos
menores de 20.0 ºC. La temperatura media
del país es de 25.4 ºC.
PROYECCIONES DE CAMBIO
CLIMÁTICO EN NICARAGUA
Para realizar las proyecciones futuras
pueden utilizarse diferentes escenarios
radiativos disponibles en los modelos
globales de cambio climático. Estos
escenarios son conocidos como
Representative Concentration Pathways
(RCPs) y definidos en el Panel
Intergubernamental de Cambio Climático
(IPCC). Estos escenarios consisten en un
conjunto de proyecciones de forzamiento
radiativo que sirven como entrada a la
modelización climática.
Específicamente para este estudio se ha
desarrollado un modelo climático sobre el
que evaluar el efecto del cambio climático
en Nicaragua a alta resolución espacial y
temporal, en el horizonte 2010-2039 y para
el escenario climático RCP 4.5.
El escenario climático RCP4.5: corresponde
a un forzamiento radiativo de 4.5W/m2 en
2100. Este escenario ha sido desarrollado
por el equipo de modelización MiniCAM del
Pacific Northwest National Laboratory’s Joint
Global Change Research Institute (JGCRI).
Se corresponde con un escenario radiativo
estable antes del año 2100 asociado a la
aplicación de un rango de tecnologías y
estrategias para reducir los GEI, Clarke et
al. (2007). Este escenario considera
mitigación de las emisiones de GEI (un 50%
en el año 2080) y considera probable que el
incremento de temperatura sea inferior a
2°C.
LO
S E
FECTO
S D
EL C
AM
BIO
CLIM
ATIC
O E
N N
ICARAG
UA
5
Para el desarrollo del modelo se han
utilizado técnicas de regionalización
dinámica capaces de reproducir con alta
precisión las condiciones extremas en
temperatura y en precipitación que influyen
directamente en el diseño, el
mantenimiento y la gestión de las
infraestructuras de transporte. El resumen
del resultado de las proyecciones climáticas
es el siguiente:
Tabla 1. Cambios en las precipitaciones por regiones climáticas resultado de la
simulación climática realizada dentro del contrato
Regiones climáticas
Precipitaciones
Precipitación acumulada Número de días secos Intensidad de precipitación
Pacífico Norte
Aumento de un 44% en los meses de junio y octubre.
Ligera disminución los meses de julio, agosto y septiembre.
A nivel anual se proyecta un incremento del 2%.
Incremento anual de un 5%. Departamentos de Chinandega y León y durante el periodo seco.
Incremento de intensidad de
precipitación 10-minutal, 30-minutal y 1-horaria.
Pacífico Central
Aumento de un 38% en los meses de junio y octubre.
Ligera disminución los meses de julio, agosto y septiembre.
A nivel anual se proyecta un incremento del 2%.
Incremento anual de un
5%. Departamentos de
Granada, Managua y Masaya, durante el periodo seco.
No se observan cambios significativos.
Pacífico Sur
Aumento de un 17% en los meses de junio y octubre.
Ligera disminución los meses de julio, agosto y septiembre.
A nivel anual se proyecta una
reducción del 4%.
Incremento anual de un 6%.
Incremento de intensidad de precipitación 10-minutal y 30-minutal.
Intramontana Norte
Aumento de un 13% durante el mes de junio.
Ligera disminución el mes de septiembre.
A nivel anual se proyecta una
reducción del 1%.
Incremento anual de un 5%.
Incremento de intensidad de precipitación 10-minutal y 30-minutal.
Intramontana Sur
A nivel anual se proyecta una reducción del 1%.
Incremento anual de un 9%.
Reducción de intensidad de precipitación 30-minutal, 1-horaria y 2-horaria.
LO
S E
FECTO
S D
EL C
AM
BIO
CLIM
ÁTIC
O E
N N
ICARAG
UA
6
Regiones climáticas
Precipitaciones
Precipitación acumulada Número de días secos Intensidad de precipitación
Caribe Norte
Aumento de un 8% en el mes de julio.
Ligera disminución el mes de septiembre.
A nivel anual se proyecta una
reducción del 4%.
Incremento anual de un 9%.
Incremento de la intensidad de precipitación
generalizada. En el caso de 10-minutal se proyectan aumentos de entre el 8 y el 9%.
Caribe Sur A nivel anual se proyecta una reducción del 3%.
Incremento anual de un 10%.
Incremento de la
intensidad de precipitación generalizada. En el caso de 10-minutal se proyectan aumentos de entre el 8 y el 10%.
Tabla 2. Cambios en las temperaturas por regiones climáticas resultado de la
simulación climática realizada dentro del contrato
Regiones
climáticas
Temperaturas
Temperatura media 30-
anual Intensidad de precipitación
Pacífico
Norte
Aumento de 0.8⁰C Aumento del indicador en los departamentos de
Chinandega y León
Pacífico
Central
Aumento de 0.7⁰C Aumento del indicador en la zona norte del
Departamento de Managua.
Pacífico Sur Aumento de 0.6⁰C No se proyectan cambios
Intramonta
na Norte
Aumento de 0.8⁰C No se proyectan cambios
Intramonta
na Sur
Aumento de 0.7⁰C No se proyectan cambios
Caribe
Norte
Aumento de 0.8⁰C Aumento del indicador en diferentes zonas de la
Región Autónoma del Atlántico Norte
Caribe Sur Aumento de 0.7⁰C No se proyectan cambios
LO
S E
FECTO
S D
EL C
AM
BIO
CLIM
ÁTIC
O E
N N
ICARAG
UA
7 7
Cambios en el nivel del mar
Las proyecciones del IPCC muestran una
tendencia de aumento del nivel del mar de
forma global. Estas proyecciones evalúan
todos los procesos que afectan al cambio del
nivel del mar. Para el periodo comprendido
entre 2046-2065, se espera que la media
del aumento del nivel del mar esté cercana
a 0.26 m oscilando entre un rango de
incertidumbre de 0.19 m a 0.33 m, Field et
al. (2014). Un aumento de los niveles
medios del mar puede generar una
reducción de los periodos de retorno de
fenómenos extremos como las inundaciones
costeras.
LO
S E
FECTO
S D
EL C
AM
BIO
CLIM
ÁTIC
O E
N N
ICARAG
UA
8
El Cambio Climático tiene un efecto
significativo sobre el drenaje en las
carreteras. Este efecto proviene
principalmente del aumento de
precipitaciones extremas que son las que se
utilizan para el cálculo de las estructuras de
drenaje. La variación de temperatura
también afecta a los cálculos hidrológicos
pero su importancia es significativa en
cálculos a largo plazo, para análisis de
recursos hídricos, mientras que en cálculos
de drenaje su importancia es menor.
Dentro del contrato de referencia se ha
desarrollado un análisis de la climatología
extrema comentada anteriormente a través
del análisis de la proyección climática de las
curvas Intensidad – Duración – Frecuencia
(IDF). Mediante el modelo climático, se ha
realizado un proyección de las curvas IDF
correspondiente a las diferentes regiones
climáticas en el periodo histórico (1980-
2009) y el periodo futuro (2010-2039) para
diferentes periodos de retorno
observándose que:
- No hay cambios significativos en las
curvas IDF correspondientes a la región
del Pacífico Central.
- En la región del Pacífico Norte se
observa un incremento de la intensidad
de precipitación 10-minutal, pasando la
intensidad de precipitación de 128
mm/h en el periodo histórico a 132
mm/h en el periodo futuro para el
periodo de retorno de 10 años.
- Los incrementos de la intensidad de
precipitación también son relevantes
para las duraciones de 30 minutos y 1
hora, y otros periodos de retorno.
- En la región de Intramontana Sur se
observa un descenso de la intensidad de
precipitación 30-minutal, 1 horaria, 2
horaria y 3 horaria. En el caso de la
precipitación 30-minutal, la intensidad
de precipitación pasa de 109 mm/h en
el periodo histórico a 105 mm/h en el
periodo futuro para el periodo de
retorno de 10 años. La reducción de la
intensidad de precipitación también es
relevante para las duraciones de 10-
minutales pero no para todos los
periodos de retorno.
- En la región del Caribe Norte se observa
un incremento de la intensidad de
precipitación 10-minutal, pasando la
intensidad de precipitación de 141
mm/h en el periodo histórico a 152
mm/h en el periodo futuro para el
periodo de retorno de 10 años. Los
incrementos de la intensidad de
precipitación son relevantes para todas
las duraciones y periodos de retornos
considerados. En este caso, se observa
que en el periodo futuro la curva del
periodo de retorno a 25 años, coincide
prácticamente con la del periodo de
retorno histórico a 50 años, lo que
quiere decir que los fenómenos de
EL E
FECTO
DEL C
AM
BIO
CLIM
ÁTIC
O E
N E
L D
REN
AJE
EL EFECTO DEL CAMBIO CLIMÁTICO
EN EL DRENAJE
9 9
precipitación intensa se volverán mucho
más frecuentes en el futuro para esta
región climática. Para una misma
cantidad de agua precipitada, el tiempo
que transcurre entre dos fenómenos
pasa de 50 a 25 años.
- En la región del Caribe Sur se observa
un incremento de la intensidad de
precipitación 10-minutal, pasando la
intensidad de precipitación de 138
mm/h en el periodo histórico a 150
mm/h en el periodo futuro para el
periodo de retorno de 10 años. Los
incrementos de la intensidad de
precipitación también son relevantes
para todas las duraciones y periodos de
retornos considerados. En este caso, se
observa que en el periodo futuro la
curva del periodo de retorno a 25 años,
es muy similar a la del periodo de
retorno a 50 años.
Estas variaciones de la intensidad, algunas
muy importantes, están directamente
relacionadas con las variaciones de los
caudales circulantes que deben atravesar las
obras de drenaje y puentes.
El efecto de las variaciones y su aplicación al
cálculo hidrológico se han sintetizado en la
definición de unos coeficientes de cambio
climático que se explicarán en los apartados
siguientes.
Figura 2. Distribución geográfica de la
intensidad asociada a periodo de
retorno 10 años y duración 10-minutal
en el periodo histórico (izquierda) y el
periodo futuro (derecha), mostradas
como ejemplo del resultado del trabajo
realizado. Fuente: Consorcio
EL E
FECTO
DEL C
AM
BIO
CLIM
ÁTIC
O E
N E
L D
REN
AJE
10
En el cálculo de una obra de drenaje mayor
o menor, la variable fundamental es el
caudal de diseño. La obra de drenaje deberá
ser capaz de permitir el paso de ese caudal
de diseño sin causar daños a la carretera o
al entorno de la misma.
El cálculo del caudal de diseño depende,
entre otras variables, de las características
de la cuenca que desagua en la obra de
drenaje (superficie, permeabilidad,
vegetación, subsuelo, etc.) y de la
precipitación a considerar. La cuenca es la
superficie cuya escorrentía fluye hacia la
obra de drenaje.
Un factor determinante para estimar el
caudal que va a producir una cuenca es la
impermeabilidad de la misma.
Esta impermeabilidad depende de la
vegetación y del tipo de suelo.
El cambio climático puede afectar al tipo de
vegetación que vive en la cuenca, sin
embargo, la urbanización y la deforestación
causada por el hombre es mucho más
significativo que los efectos de la
modificación del clima sobre la vegetación.
Por esta razón, no se ha considerado los
cambios en la vegetación en la modificación
de los manuales.
Figura 3: Delineado de una cuenca. Fuente: Elaboración propia
KCC
KCC
11 11
Entendiendo que la morfología de la cuenca
no cambia y que la alteración de la
vegetación por razones climáticas no es
significativa, solo queda estimar el efecto
del cambio climático sobre la cantidad de
lluvia que se produce sobre la cuenca.
La cantidad de lluvia se suele presentar
como intensidad de precipitación en
milímetros por hora que es lo mismo que
litros por metro cuadrado. La intensidad que
se debe usar en los cálculos proviene de
INETER, quien proporciona, previa solicitud,
los datos correspondientes a las estaciones
meteorológicas donde se mide de forma
continua la precipitación.
La información procedente de la estación
meteorológica viene representada como una
curva IDF que relaciona la intensidad de
precipitación con la duración de la lluvia y el
periodo de retorno. Este último término se
explicará posteriormente.
La duración de la lluvia a seleccionar
dependerá del tipo de cálculo que se va a
realizar y del Tiempo de Concentración (Tc)
de la cuenca. El Tc es el tiempo que tarda
en llegar al final de la cuenca la gota de
lluvia que cae en el punto más alejado.
Tanto la duración de la lluvia de diseño como
el tiempo de concentración no se ven
afectados por el cambio climático. La única
variable sobre la que podemos implementar
los efectos del cambio climático es la
intensidad de precipitación.
El estudio “D029 - Desarrollo de escenarios
climáticos regionalizados para Nicaragua”
ha analizado la variación que se produce en
cada una de las estaciones principales de
INETER y en todo el país.
Figura 4: Mapa de Isolíneas de
variación de la precipitación. Fuente:
Elaboración propia
El estudio ha permitido determinar un
coeficiente multiplicador sobre el valor de la
intensidad que representa el incremento de
la intensidad de precipitación por causa del
cambio climático. Este coeficiente produce
un incremento de precipitación equivalente
al aumento que se va producir en la lluvia
por causa de la variación climática. Este
incremento se convierte directamente en un
incremento del caudal de diseño.
KCC
12
Una vez seleccionada la estación
meteorológica más adecuada para la obra
de drenaje que se vaya a diseñar, se elige
el coeficiente Kcc de la tabla contenida tanto
en la Guía hidráulica para el diseño de obras
de drenaje en caminos rurales (2011) como
en el anexo al Manual Técnico de
Hidrotecnia Vial (2016). Mientras que los
valores de intensidad de lluvia I se obtienen
a partir de las curvas IDF proporcionadas
por INETER.
La intensidad así obtenida se multiplicará
por el coeficiente corrector, propio de cada
estación, para incluir los efectos del cambio
climático obteniéndose la nueva intensidad.
La intensidad de cálculo contemplando los
efectos del cambio climático se calculará con
la siguiente ecuación.
Icc=I·Kcc
Donde
Icc, intensidad modificada por el efecto del
cambio climático en mm/hora.
I, intensidad en mm/hora
Kcc, coeficiente de cambio climático
correspondiente a la estación
El coeficiente Kcc tiene tres valores distintos
para cada periodo de retorno (P50, P70,
P90). Se utilizará el valor que determine el
responsable del proyecto por el MTI o se
seguirán las siguientes recomendaciones:
P90. Servicios esenciales
(Hospitales, Colegios, Defensa,
Servicio eléctrico, Servicios de
Emergencias, etc.)
P70. Zonas Urbanas, carreteras
troncales principales, troncales
secundarias o colectoras principales
P50. Resto de los casos
Este valor incrementado de las fórmulas
proporcionadas por INETER será el que se
utilice en los cálculos hidrológicos donde se
considere el cambio climático.
Cualquiera de los métodos de cálculo de
caudal diseño para el drenaje de carreteras
a partir de procedimientos hidrológicos que
impliquen el empleo de una precipitación de
diseño, deberá emplear el Kcc modificando
la precipitación o la intensidad de diseño. El
anexo al Manual Técnico de Hidrotecnia Vial
(2016) explica cómo hacerlo en cada uno de
los casos.
Un ejemplo de los coeficientes se muestra
en la siguiente tabla.
APLIC
ACIÓ
N D
EL K
CC E
N L
OS C
ÁLCU
LO
S H
IDRO
LÓ
GIC
OS
APLICACIÓN DEL KCC
EN LOS CÁLCULOS HIDROLÓGICOS
13
Tabla 3: Tabla de la estación de Jinotega con sus parámetros correspondientes a las
IDF y al cambio climático
Icc=I·Kcc
I = A / (T+d)b Kcc
Estación Tr A d b P50 P70 P90
Jinotega 2 2577.454 16 1.02 1.09 1.14 1.23
Tipo: HMP 10 2148.290 13 0.885 1.10 1.16 1.26
13º05´06" Lat N 15 1879.062 11 0.844 1.12 1.18 1.29
85º59´48" LongW 25 1381.324 7 0.769 1.15 1.21 1.35
100 1064.616 3 0.677 1.22 1.33 1.59
APLIC
ACIÓ
N D
EL K
CC E
N L
OS C
ÁLCU
LO
S H
IDRO
LÓ
GIC
OS
14
El efecto del incremento de la intensidad
produce un incremento del caudal circulante
que reciben las obras de drenaje, aunque no
siempre este incremento de caudal supone
un cambio en la sección hidráulica de la
obra.
Se ha realizado una estimación del efecto
real sobre las obras de drenaje mediante el
análisis de proyectos reales finalizados
recientemente por el MTI, para ello, se ha
incrementado la intensidad de cálculo con el
coeficiente Kcc correspondiente a la
estación meteorológica. Se ha calculado el
nuevo caudal de diseño y se ha obtenido la
nueva obra de drenaje.
Las siguientes tablas muestra el efecto del
cambio climático en los caudales de algunas
obras de drenaje que se han verificado
durante el desarrollo del Estudio.
La tabla nº4 muestra, en su primera
columna, el caudal de diseño (Qd) de varias
obras de drenaje según el cálculo contenido
en el proyecto actual. En las siguientes tres
columnas muestran el caudal y el porcentaje
de incremento del caudal resultado del
efecto del cambio climático en cada una de
las tres posibilidades contempladas: P50,
P70 y P90.
La segunda parte de la tabla nº4 muestra
las dimensiones de las obras de drenaje
fruto del cálculo anterior, señalando en
negrita cuando se produce un cambio en las
dimensiones de la obra.
Tabla 4: Ejercicio de cálculo de incremento del caudal debido al cambio climático para diversas obras de drenaje de un proyecto real en Nicaragua (Estación de Puerto Cabezas) y
de cálculo hidráulico y dimensionamionamiento de las obras de drenaje contemplando el cambio climático.
Código
P50 P70 P90
Dimensiones
sin cambio
climático
P50 P70 P90
Qd Qd + cambio
climático
Qd + cambio
climático
Qd + cambio
climático
Dimensiones con cambio climático sin
cambio
climático
Caudal Increm. Caudal Increm. Caudal Increm.
(m3/s) (m3/s) (%) (m3/s) (%) (m3/s) (%)
ODT-1 0,46 0,54 18% 0,58 26% 0,64 39% 36" 36" 36" 36"
ODT-2 1,06 1,24 18% 1,33 26% 1,47 39% 36" 42" 42" 42"
ODT-3 1,4 1,65 18% 1,76 26% 1,94 39% 42" 42" 42" 42"
ODT-4 4,29 5,06 18% 5,41 26% 5,97 39% 60" 72" 72" 72"
ODT-5 4,18 4,93 18% 5,27 26% 5,81 39% 60" 72" 72" 72"
ODT-6 18,53 22,8 23% 24,47 32% 27,99 51%
1-CCR-
3.5x2.5
1-CCR-
3.5x2.5
1-CCR-
3.5x2.5
1-CCR-
3.5x2.5
ODT-7 42,48 52,25 23% 56,08 32% 64,15 51%
3-CCR-
3.5x3.5
3-CCR-
3.5x3.5
3-CCR-
3.5x3.5
3-CCR-
3.5x3.5
ANÁLISIS SOBRE EL DISEÑO DE LAS OBRAS
DE DRENAJE
AN
ÁLIS
IS S
OBRE E
L D
ISEÑ
O D
E L
AS O
BRAS D
E D
REN
AJE
15
La distribución espacial de la precipitación
nunca es uniforme y cuanto mayor es la
cuenca en estudio más probable es la
variación espacial de la precipitación,
incluso el extremo de que la lluvia no se
produzca en toda la cuenca.
En el análisis de este aspecto, el Servicio
Meteorológico de los Estados Unidos realizó
unas gráficas de reducción de la
precipitación para los distintos estados del
país. Estás gráficas, que están en revisión,
incluyen una reducción de la precipitación a
considerar en el cálculo en función de la
superficie de la cuenca y la duración de la
precipitación, siendo mayor la reducción
cuanto menor sea la duración de la
precipitación y mayor sea el área a
considerar.
Aprovechando el modelo meteorológico
realizado por el Consorcio, se ha generado
una curva específica para Nicaragua que se
presenta a continuación. Se ha generado
una única curva siguiendo la dirección de la
futura curva estadounidense que será única
para todos los estados.
Si no se emplea está gráfica, el diseño
estará por el lado de la seguridad, por lo que
el responsable del proyecto por el MTI
deberá tomar la decisión respecto a su
empleo. En general esta gráfica sólo se
utilizará en el cálculo de puentes.
La gráfica solo es válida para cuencas
mayores de 20 km2.
Figura 5: Curva de ajuste por área de la precipitación específica para Nicaragua.
Fuente Elaboración propia
AJUSTE DE PRECIPITACIONES EN FUNCIÓN
DEL ÁREA DE CUENCA
AJU
STE D
E P
RECIP
ITACIO
NES E
N F
UN
CIÓ
N D
EL Á
REA D
E C
UEN
CA
16
El periodo de retorno T es el periodo de
tiempo expresado en años, para el cual el
caudal máximo anual tiene una probabilidad
de ser excedido igual a 1/T. Es decir, un
caudal de periodo de retorno de 100 años o
T=100, tiene una probabilidad de ocurrencia
del 1% anual.
El periodo de retorno de diseño de una obra
de drenaje está directamente relacionado
con su costo y su seguridad, cuanto mayor
sea el periodo de retorno considerado,
mayor será el caudal de diseño y más
costosa será la obra de drenaje; pero, por
otro lado, esta obra tendrá una vida útil más
larga, los periodos sin interrupción del
servicio por su causa serán más breves y
proporcionará mayor seguridad a los
usuarios. La definición del periodo de
retorno debe ser fruto de un análisis
costo/beneficio.
Los periodos de retorno más habitualmente
utilizados en Nicaragua son los siguientes:
1 Cuenca con superficie inferior a 20 km2
Tabla 5. Periodos de retorno en Vías
Terciarias - Guía Hidráulica de
Caminos Rurales (2011)
Vías Terciarias
Tipo de obra T (años)
Badén 2
Alcantarillas 15
Cajas Cuencas menores1 15
Cajas Cuencas mayores 25
Vados con tuberías 2
Puentes 25
Tabla 6. Periodos de retorno en
Carreteras Tipo 1
Carreteras
Tipo de obra T (años)
Alcantarillas 25
Cajas Cuencas menores 25
Cajas Cuencas mayores 50
Puentes 100
Tabla 7. Periodos de retorno en
Carreteras Tipo 2
Carreteras
Tipo de obra T (años)
Alcantarillas 15
Cajas Cuencas menores 15
Cajas Cuencas mayores 25
Puentes 50
PERIODOS DE RETORNO PARA EL DISEÑO
DE DRENAJE
PERIO
DO
S D
E R
ETO
RN
O P
ARA E
L D
ISEÑ
O D
E D
REN
AJE
17
Figura 6: Carreteras tipo 1: carreteras con categoría después de la intervención con
clasificación funcional de carretera troncal principal, troncal secundaria o colectora principal.
Se considerarán también categoría tipo 1 los accesos a servicios esenciales (hospitales,
servicios de emergencias, instalaciones de suministro eléctrico, etc.). Fuente: Consorcio
Figura 7: Carreteras tipo 2: resto de carreteras. Fuente: Consorcio
En cualquier caso, el periodo de retorno a aplicar será propuesto por el consultor y aprobado
por el responsable del proyecto por el MTI.
PERIO
DO
S D
E R
ETO
RN
O P
ARA E
L D
ISEÑ
O D
E D
REN
AJE
18
DIÁMETRO MÍNIMO DE
ALCANTARILLAS
De acuerdo a criterios técnicos establecidos
para la conservación de carreteras por la
Dirección de Conservación Vial del MTI, se
recomienda el empleo de alcantarillas con
diámetro mínimo interior de 36” para
garantizar una limpieza y mantenimiento
adecuados de las mismas.
En cualquier caso prevalecerá el diámetro
mínimo obtenido del análisis hidráulico si
este último resultase superior a 36”.
El responsable del proyecto por el MTI, en
función de las circunstancias particulares de
la carretera, podrá tomar la decisión de un
diámetro mínimo superior.
Figura 8: Fuente: MTI
Figura 9: Fuente: MTI
Figura 10: Fuente: MTI
DIÁMETRO MÍNIMO
DIA
METRO
MÍN
IMO
19
BORDO LIBRE
El bordo libre es la distancia entre la lámina
de agua en condiciones de avenida de
diseño del puente y la parte inferior del
tablero del puente. Esta distancia deberá
tener un valor mínimo de 1.50 metros en
regiones montañosas y 1.00 metros en
zonas de planicie.
El bordo libre es una medida de seguridad
para evitar que el transporte de árboles,
escombros y acumulaciones de material, en
episodios de caudales elevados, puedan
afectar al puente.
Figura 11: Fuente: MTI
Figura 12: Fuente: Elaboración propia
BORDO LIBRE
BO
RD
O L
IBRE
DIA
METRO
MÍN
IMO
20
Estación
Kcc
Tr P50 P70 P90
Ocotal 2 1,12 1,19 1,24
Código:45017 5 1,13 1,18 1,29
Tipo:HMP 10 1,15 1,24 1,34
13º37´30" Lat N 15 1,17 1,26 1,40
86º28´36" Long W 25 1,18 1,29 1,46
Elev: 612 50 1,18 1,36 1,54
100 1,20 1,42 1,62
Condega 2 1,11 1,17 1,26
Código:45050 5 1,09 1,15 1,23
Tipo: AG 10 1,11 1,16 1,26
13º20´22" Lat N 15 1,12 1,18 1,29
86º23´07" Long W 25 1,14 1,19 1,35
Elev: 400 50 1,16 1,25 1,43
100 1,19 1,32 1,53
San Isidro 2 1,08 1,13 1,19
Código:69132 5 1,07 1,12 1,18
Tipo:AG 10 1,10 1,14 1,22
12º54´48" Lat N 15 1,12 1,18 1,28
86º11´30" Long W 25 1,15 1,24 1,38
Elev: 480 50 1,23 1,35 1,56
100 1,32 1,48 1,81
Estación
Kcc
Tr P50 P70 P90
Quilalí 2 1,09 1,14 1,23
Código: 45004 5 1,12 1,17 1,25
Tipo:HMO 10 1,13 1,19 1,29
Lat:13º34´06" 15 1,14 1,22 1,34
Long:86º01´42" 25 1,16 1,25 1,38
Elev: 400 50 1,19 1,29 1,48
100 1,23 1,35 1,62
Jinotega 2 1,09 1,14 1,23
Código:55020 5 1,09 1,15 1,23
Tipo: HMP 10 1,10 1,16 1,26
13º05´06" Lat N 15 1,12 1,18 1,29
85º59´48" LongW 25 1,15 1,21 1,35
Elev: 1032 50 1,18 1,28 1,46
100 1,22 1,33 1,59
Muy Muy 2 1,06 1,08 1,17
Código:55027 5 1,06 1,11 1,18
Tipo:HMP 10 1,08 1,12 1,21
12º45´48" Lat N 15 1,10 1,14 1,25
85º37´36"Long W 25 1,12 1,18 1,32
Elev:320 50 1,17 1,24 1,44
100 1,21 1,33 1,58
ANEXO1: COEFICIENTES DE CAMBIO
CLIMÁTICO DE LAS ESTACIONES
PRINCIPALES
AN
EXO
1:
CO
EFIC
IEN
TES D
E C
AM
BIO
CLIM
ÁTIC
O D
E L
AS E
STACIO
NES P
RIN
CIP
ALES
21
Estación
Kcc
Tr P50 P70 P90
Puerto Cabezas 2 1,11 1,16 1,24
Código:47002 5 1,12 1,18 1,26
Tipo: HMP 10 1,14 1,20 1,29
14º02´40" LatN 15 1,15 1,22 1,32
83º22´30"Long W 25 1,18 1,26 1,39
Elev: 20 50 1,23 1,32 1,51
100 1,27 1,37 1,62
Bluefields 2 1,08 1,13 1,23
Código:61006 5 1,09 1,14 1,24
Tipo:HMP 10 1,13 1,19 1,28
11º59´20" Lat N 15 1,15 1,23 1,33
83º46´35" Long w 25 1,19 1,28 1,43
Elev: 20 50 1,24 1,37 1,60
100 1,29 1,46 1,81
El Rama 2 1,10 1,15 1,24
Código:61010 5 1,10 1,15 1,24
Tipo: PV 10 1,10 1,17 1,26
12º09´30" LatN 15 1,12 1,18 1,29
84º13´12"Long W 25 1,13 1,21 1,35
Elev: 5 50 1,17 1,27 1,46
100 1,21 1,32 1,57
Estación
Kcc
Tr P50 P70 P90
Torre I (Slilmalila) 2 1,07 1,11 1,18
Código:47003 5 1,08 1,13 1,21
Tipo: PV 10 1,10 1,16 1,26
14º360´00" LatN 15 1,12 1,18 1,30
83º 56´48 "Long W 25 1,14 1,22 1,35
Elev: 170 50 1,17 1,30 1,45
100 1,22 1,36 1,59
Bonanza 2 1,10 1,12 1,16
Código:53010 5 1,09 1,12 1,21
Tipo: PV 10 1,09 1,15 1,26
14º00´54" LatN 15 1,11 1,18 1,30
84º35´36"Long W 25 1,14 1,23 1,35
Elev: 180 50 1,18 1,27 1,41
Periodo: 100 1,19 1,34 1,51
Siuna 2 1,11 1,17 1,27
Código:53003 5 1,11 1,15 1,23
Tipo: AG 10 1,11 1,16 1,22
13º44´30" LatN 15 1,12 1,18 1,26
84º46´30"Long W 25 1,14 1,21 1,30
Elev: 180 50 1,17 1,25 1,36
Periodo: 100 1,18 1,29 1,43
AN
EXO
1:
CO
EFIC
IEN
TES D
E C
AM
BIO
CLIM
ÁTIC
O D
E L
AS E
STACIO
NES P
RIN
CIP
ALES
22
Estación
Kcc
Tr P50 P70 P90
Rivas 2 1,07 1,11 1,19
Código:69070 5 1,08 1,12 1,20
Tipo: HMP 10 1,08 1,13 1,23
11º26´06" Lat N 15 1,10 1,15 1,25
85º50´00"Long W 25 1,11 1,18 1,29
Elev:70 50 1,15 1,23 1,36
100 1,18 1,29 1,45
Chinandega 2 1,10 1,15 1,23
Código:64018 5 1,10 1,15 1,21
Tipo:HMP 10 1,13 1,17 1,25
12º38´00" Lat N 15 1,14 1,18 1,30
87º08´00" Long W 25 1,15 1,22 1,37
Elev:60 50 1,20 1,28 1,49
100 1,23 1,36 1,64
Juigalpa 2 1,05 1,08 1,15
Código:69034 5 1,06 1,09 1,16
Tipo:HMP 10 1,07 1,11 1,20
12º06´00" Lat N 15 1,08 1,13 1,22
85º22´00" 25 1,09 1,17 1,23
Elev:90 50 1,13 1,22 1,33
100 1,18 1,28 1,43
Estación
Kcc
Tr P50 P70 P90
Masaya 2 1,09 1,13 1,20
Código:69115 5 1,09 1,13 1,22
Tipo: PG 10 1,12 1,16 1,26
11º58´48"Lat N 15 1,14 1,19 1,30
86º06´18" Long W 25 1,17 1,25 1,37
Elev:210 50 1,21 1,33 1,50
100 1,26 1,40 1,67
Managua (ACS) 2 1,08 1,12 1,20
Código:69027 5 1,10 1,14 1,22
Tipo: HMP 10 1,11 1,18 1,25
12º08´36" Lat N 15 1,13 1,21 1,28
86º09´49" Long W 25 1,18 1,25 1,38
Elev: 56 50 1,23 1,31 1,51
100 1,29 1,41 1,65
San Carlos 2 1,05 1,10 1,18
Código:69090 5 1,07 1,11 1,18
Tipo: HMP 10 1,10 1,14 1,20
11º08´30"Lat N 15 1,11 1,16 1,25
84º45´58"Long W 25 1,12 1,19 1,33
Elev:40 50 1,15 1,25 1,47
periodo:1971-2003 100 1,20 1,33 1,62
AN
EXO
1:
CO
EFIC
IEN
TES D
E C
AM
BIO
CLIM
ÁTIC
O D
E L
AS E
STACIO
NES P
RIN
CIP
ALES
23
El objetivo de este apéndice es proporcionar
las herramientas básicas necesarias para la
utilización del HEC-RAS 5.0 en los proyectos
de carreteras. Se va a suponer que el lector,
tiene un conocimiento básico de la anterior
versión del programa. Si no fuera así, se
recomienda la consulta del capítulo 10 del
Manual Técnico de Hidrotecnia Vial que trata
sucintamente la versión anterior del HEC-
RAS.
Antes de empezar a trabajar con HEC-
RAS
Conviene, antes de empezar a manejar el
programa, cambiar la configuración del
símbolo decimal a punto “.”, esto evitará
futuros problemas compatibilidad de
versiones y errores difícilmente detectables.
El lugar para hacer el cambio es el Panel de
Control de Windows. En versiones
anteriores, el programa avisaba de esta
necesidad, pero ahora no lo hace, sin
embargo, no está completamente
conseguida la compatibilidad con la coma “,”
usada como símbolo decimal. Lo mismo
ocurre con el formato de fecha del
ordenador, susceptible de producir errores
al lanzar la simulación. También es
aconsejable fijarse en las unidades que
están definidas (SI/US)
El siguiente paso consiste en definir qué tipo
de problema vamos a afrontar. La decisión
de usar un modelo 1D o 2D influye en los
datos que se van a necesitar para construir
el modelo.
Un modelo 1D se empleará preferentemente
en los siguientes casos:
Situaciones donde el canal fluvial está
bien definido y no se pueden producir
desbordamientos laterales
Zonas donde el desbordamiento tiene
pequeña entidad y el flujo es
mayoritariamente unidireccional
Zonas donde el canal principal y la llanura
de inundación están bien conectados y el
flujo en ambos es principalmente
unidireccional
Zonas donde la cantidad/calidad de la
topografía está limitada
Un modelo 2D se empleará preferentemente
en los siguientes casos:
Grandes llanuras de inundación
Zonas Urbanizadas
Aguas abajo de roturas de diques
Estudios de lagos, estuarios o humedales
Estudios en abanicos aluviales
Zonas donde el flujo se propagará en
múltiples direcciones
Una vez lanzada la aplicación, observamos
que existen pocas diferencias entre la
ventana principal de versión actual y de la
anterior. En la siguiente figura, se ha
señalado con un círculo rojo la única
diferencia, un botón que dirige directamente
al RAS Mapper que toma mucha más
importancia en esta versión debido a la
gestión de la información bidimensional.
ANEXO 2. HEC-RAS 5.0
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
24
Figura 13: Comparación entre las Pantallas Principales de
HEC-RAS 4.1 (1D) y 5.0 (2D). Fuente: Elaboración propia
Pasos básicos para desarrollar un
proyecto HEC-RAS
El orden lógico, a modo de recordatorio,
para desarrollar un proyecto HEC-RAS exige
seguir los siguientes pasos:
1. Iniciar un nuevo proyecto
2. Introducir los datos geométricos y el
modelo del terreno
3. Definir los datos de caudal y
condiciones de contorno
4. Ejecutar los cálculos hidráulicos
5. Visionar y validar los resultados
Además de los modelos que se podían
realizar en las versiones anteriores de HEC-
RAS, los nuevos elementos bidimensionales
de la versión 5 aumentan sus capacidades,
permitiendo:
Modelización detallada del cauce fluvial
en 2D
Modelización detallada del cauce fluvial y
la llanura de inundación en 2D
Combinar canales 1D con llanuras de
inundación en 2D
Combinar cauces fluviales y la llanura de
inundación en 1D con zonas 2D al otro
lado de diques de protección
Conexión directa de elementos 1D con
elementos 2D
Conexión directa de elementos 2D con
zonas de almacenamiento (Storage
Areas) 1D mediante estructuras
hidráulicas
Múltiples zonas 2D en la misma
geometría
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
25
Esto requiere que el paso 2, de los citados
anteriormente, tenga una cierta
complejidad añadida, siendo necesaria más
información y procesos:
1. Establecer el sistema de
coordenadas de referencia (HEC-RAS
Mapper)
2. Definir el modelo del terreno (HEC-
RAS Mapper)
3. Realizar una clasificación del terreno
(HEC-RAS Mapper)
4. Añadir todas aquellas capas
necesarias para una adecuada
representación del modelo (HEC-RAS
Mapper)
5. Dibujar los contornos de las áreas 2D
(Geometry editor)
6. Dibujar las líneas de rotura dentro de
las zonas 2D (muros, diques,
carreteras, taludes naturales,
estructuras hidráulicas,…)
(Geometry editor)
7. Crear la malla de cálculo para cada
2D Flow Area (2D Flow Area editor)
8. Editar la malla si fuera necesario (2D
Flow Area editor)
9. Ejecutar el 2D geometric pre-
processor (HEC-RAS Mapper)
10. Conectar las 2D Flow Area con los
elementos hidráulicos en 1D
(Geometry editor)
11. Añadir todas las estructuras
hidráulicas necesarias
12. Introducir todas las líneas de
contorno externas de las geometrías
2D
Un elemento significativo de las
simulaciones 2D frente a las 1D es que sólo
se pueden realizar simulaciones 2D en
régimen no permanente (unsteady).
Definición del Modelo del Terreno
Un modelo bidimensional requiere
esencialmente un modelo detallado y
preciso del terreno que se transformará en
un adecuado modelo hidráulico. La calidad
del modelo del terreno será limitante de la
calidad del modelo hidráulico. Los datos del
terreno pueden provenir de múltiples
fuentes, formatos y niveles de detalle.
Actualmente, HEC-RAS usa información
mallada para formar el modelo del terreno.
El modelo del terreno se forma mediante la
herramienta RAS Mapper. Esta herramienta
se encuentra en el menú GIS Tools o
pulsando el botón:
Figura 14: Pantalla de RAS Mapper sin
información cargada. Fuente: Elaboración
propia
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
26
Sistema de coordenadas de referencia
Habitualmente, los datos del terreno que
vamos a procesar están en un sistema de
referencia. Los modelos bidimensionales
abarcan un área superior a los
unidimensionales y, por tanto, las
deformaciones debidas a las proyecciones
cartográficas pueden afectar
significativamente a los resultados. Por ello,
debemos establecer el sistema de referencia
adecuado en el RAS Mapper para poder
empezar a trabajar. Esto se realiza
mediante la opción Set Projection for Project
del menú Tools.
Figura 15: Selección del sistema de
referencia. Fuente: Elaboración propia
En la pantalla de la figura anterior, se debe
seleccionar un fichero de tipo “*.prj” (ESRI
projection file) que contenga el sistema de
coordenadas adecuado. Este fichero se
puede crear en ArcGIS o buscar por
internet.
Definir el modelo del terreno
Para definir el modelo del terreno, debemos
cargar la información topográfica en RAS
Mapper y crear el modelo del terreno. El
terreno se importa en el RAS Mapper
mediante la opción New Terrain del menú
Tools, al seleccionar esta opción, se abre el
diálogo New Terrain Layer:
Figura 16: New Terrain Layer. Fuente:
Elaboración propia
Pulsando el botón más (+) se añaden los
ficheros necesarios para completar el
modelo. En general estos ficheros serán de
tipo GeoTIFF, pero el programa admite
múltiples formatos de información espacial.
La precisión es una medida de los decimales
que va a almacenar en el fichero, cuanto
menor sea la precisión, el fichero será más
pequeño y más rápido, pero se perderá
precisión en la determinación de la cota. El
valor recomendado para SI es de 1/128, que
se encuentra por debajo del centímetro,
precisión más que suficiente para la
inmensa mayoría de los problemas
hidráulicos.
Una vez que se han añadido todos los
ficheros que definen el terreno, se pulsa el
botón create transformando los ficheros
cargados al formato que maneja el RAS
Mapper, una vez terminado el proceso, se
podrá visualizar el modelo del terreno.
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
27
Pulsando con el botón derecho del ratón
sobre la capa del terreno, se podrán
modificar las opciones de visualización de la
capa.
Figura 17: Terreno importado en RAS Mapper. Fuente: Elaboración propia
Mejorar/Modificar el terreno
Uno de los mayores problemas de la
información cartográfica en los modelos
hidráulicos es que el terreno por debajo del
agua no está caracterizado, necesitamos
incluir el canal del río para la simulación.
RAS Mapper se puede usar para definir este
canal modificando el modelo del terreno.
El primer paso es cargar en el proyecto HEC-
RAS una geometría del canal. Esta
geometría puede provenir de un modelo
HEC-RAS 1D realizado con anterioridad o de
un raster específico del canal, son dos
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
28
formas distintas de proporcionar la misma
información proveniente, generalmente, de
una batimetría del río.
Para usar un modelo HEC-RAS 1D, este se
debe importar desde la ventana de
Geometric Data, en el menú: File ->
Importe Geometric Data -> HEC-RAS
Format. Una vez cargada la geometría, nos
aparecerá en el RAS Mapper bajo la capa
Geometries. Pulsamos sobre la capa
señalada como “…” para ver el listado de
capas disponible en la geometría.
Aparecerá una ventana con las capas
disponibles, de ellas, seleccionamos: Rivers,
Bank Lines, XS y XS Interpolation Surfaces.
Figura 18: Selección de capas para la
exportación. Fuente: Elaboración propia
Pulsando con el botón derecho sobre la capa
del río, tenemos la opción Export Layer y de
las nuevas opciones que aparecen,
seleccionamos Create Terrain GeoTiff from
XS’s (channel only), asumiendo que la
llanura de inundación está bien
representada en el terreno que hemos
cargado con anterioridad, si esto no fuera
así, seleccionaríamos Create Terrain GeoTiff
from XS’s (overbanks and channel). El
resultado es un fichero GeoTIFF con el cauce
principal del río o con el cauce y la llanura
de inundación.
Una vez que tenemos el GeoTIFF procedente
del modelo 1D o que directamente tenemos
un raster del cauce principal, como se ha
comentado anteriormente, tenemos que
unir los dos ficheros para incorporar el canal
al terreno. Para hacerlo, seleccionamos la
opción New Terrain, explicada
anteriormente, y elegimos el fichero
correspondiente al terreno y al nuevo
fichero que queremos incorporar (el
correspondiente al canal). Al pulsar el botón
create, obtendremos un nuevo modelo del
terreno, que se sumará a los dos anteriores
en la lista, pero que incorporará el cauce
principal. AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
29
Figura 19: Modelo del terreno con y sin
cauce principal. Fuente: Elaboración
propia
Desarrollo del modelo 1D/2D
El Modelo de cálculo de HEC-RAS para la
simulación bidimensional usa una solución
de volúmenes finitos. Este algoritmo
permite el uso de mallas tanto estructuradas
como no estructuradas. Los elementos de la
malla pueden tener entre 3 y 8 lados. El
usuario define el tamaño de malla, las
herramientas de HEC-RAS generarán de
forma automática la malla computacional,
que posteriormente podrá ser modificada y
depurada por el usuario. Los siguientes
apartados muestran la forma de generar la
malla.
Dibujo del contorno de la zona 2D
Las zonas de modelización
2D (2D Flow Area) se
añaden dibujando el
contorno de las mismas. Es
importante tener una
información de base adecuada para dibujar
estas áreas, la definición adecuada de las
mismas es fundamental para el desarrollo
del modelo y para el correcto resultado de
la simulación. El uso del RAS Mapper
permite situar una imagen aérea de fondo
donde observar los elementos que forman el
relieve, las infraestructuras existentes y las
zonas preferentes para el flujo del agua. Los
resultados de la modelización pueden
contradecir la intuición del ingeniero
respecto el flujo del agua, pero, en cualquier
caso, la correcta definición del modelo
permitirá que este reproduzca la realidad del
flujo del agua. Esto es especialmente
importante cuando se define el contorno
entre una zona 2D y una 1D. El contorno
entre ambas zonas se debe situar en los
puntos altos entre ambas zonas,
habitualmente diques o carreteras, pero
también puede ocurrir que no exista una
barrera claramente definida entre ambas
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
30
zonas. En este último caso, que se puede
producir en el contacto entre el canal y la
llanura de inundación, se debe buscar el
adecuado punto de contacto que, en
general, estará en el punto más alto del
canal.
Para crear la zona 2D, se pulsa el botón 2D
Flow Area de la barra de herramientas y se
dibuja el contorno de la zona sobre la que
se habrá hecho el máximo zoom posible. Si
la zona queda fuera de la pantalla, esta se
puede centrar con el botón derecho. Una vez
finalizado el dibujo del contorno, mediante
doble click en el botón izquierdo del ratón,
terminará el proceso y el sistema solicitará
el nombre identificativo del área. Las áreas
2D no se pueden dibujar fuera de los límites
del modelo del terreno.
Añadir líneas de rotura en la zona 2D
Antes de generar la malla de
cálculo, se pueden situar
líneas de rotura sobre la que
se apoyará el desarrollo de la
malla. El sistema colocará las
caras de las celdas de la malla a lo largo de
la línea de rotura. Las líneas de rotura se
podrán añadir después de haber generado
la malla de cálculo y la malla podrá
regenerar las celdas para adaptarlas a la
nueva línea de rotura.
Las líneas de rotura se pueden importar
desde Shapefiles (GIS Tools -> Breaklines
Import from Shapefile), dibujadas a mano o
introducidas mediante coordenadas (GIS
Tools -> Breaklines Coordinates Table).
Para dibujar las líneas de rotura a mano se
selecciona la herramienta “2D Area Break
Line”, la técnica de dibujo es la habitual en
las herramientas HEC-RAS.
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
31
Figura 20: Ejemplo de líneas de rotura en lugares señalados del terreno. Fuente:
Elaboración propia
Una vez añadidas las líneas de rotura, ya se
puede generar la malla de cálculo,
posteriormente se verá cómo se puede
modificar.
Creación de la malla de cálculo
El elemento 2D flow area del HEC-RAS
define el contorno donde los cálculos van a
realizarse. La malla de cálculo
(computational mesh) se crea dentro de la
2D flow area y está formada por celdas de
forma regular o irregular. Las celdas tienen
tres elementos significativos:
- Centro de la celda (cell center). Es el
punto de cálculo de la celda. La altura
de agua calculada para la celda se
corresponde a este punto. El centro de
la celda no se corresponde
necesariamente con el centroide de la
celda.
- Aristas o Caras de la celda (cell faces).
Representan el contorno de la celda,
normalmente son líneas rectas.
- Nodos (cell face points). Son los
vértices de las celdas, se utilizan para
conectar con los elementos 1D y para
incorporar las condiciones de contorno.
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
32
Figura 21: Terminología de la Malla de Cálculo, obtenido del Manual HEC-RAS.
Fuente: Brunner y CEIWR-HEC. (2016a, p. 3-5)
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
33
Para crear la malla de cálculo,
se debe seleccionar el botón
de edición 2D Flow Area,
situado en el panel izquierdo
de la pantalla gráfica
(Geometric Data editor), con ello, aparecerá
la ventana de diálogo 2D Flow Areas:
Figura 22: Ventana de diálogo 2D Flow
Areas. Fuente: Elaboración propia
Para usar esta ventana de diálogo y crear la
malla, lo primero que hay que hacer es
pulsar el botón Generate Computation Point
on Regular Interval with All Breaklines…,
esto lanzará una nueva ventana donde nos
solicita el Computacional Point Spacing esto
define la distancia entre los puntos centrales
de las celdas que forman la malla, es decir,
la distancia entre los puntos donde se van a
obtener los resultados. Pulsando Generate
Points in 2D Flow Area genera la malla con
el espaciamiento que hemos definido,
empezando por la esquina superior
izquierda del polígono. Si alguna
circunstancia aconseja que el desarrollo de
la malla empiece en otro punto, tenemos la
opción de proporcionar un nuevo punto de
inicio completando los apartados de Shift
Generated Points (Optional), en caso de no
ser necesario, no hace falta completar estos
campos. En la siguiente figura se observa
una malla generada, fíjese la diferencia en
la malla en la zona de las líneas de rotura y
fuera de ella.
Figura 23: Malla Generada. Fuente:
Elaboración propia
Si se vuelve a utilizar esta herramienta, la
malla se volverá a generar y si hemos
realizado algún cambio manual, se perderá.
Cuanto menor sea la distancia de
espaciamiento definida, mayor será la
precisión en el cálculo pero mayor será el
tiempo de computación necesario y el
tamaño del fichero de resultados, al
contrario, cuanto mayor sea la distancia de
espaciamiento, menor será la precisión en el
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
34
cálculo y menor será el tiempo de
computación necesario y el tamaño del
fichero de resultados.
Cuando se genera la malla se incorpora un
número de Manning por defecto, el valor de
n también se puede incorporar mediante un
raster de clasificación del suelo (Land
Cover) en el RAS Mapper, la relación entre
Manning y el tipo de suelo se puede
actualizar con un botón específico en esta
pantalla desde donde se accede a la tabla
que relaciona Manning con el tipo de suelo
(Manning’s n by Land Cover).
Otros elementos en esta importante
ventana son:
Cell Volume Filter Tol. Reduce el número de
puntos que se utilizan para definir el
volumen de la celda, aumentado este valor,
se reduce el número puntos, también se
reduce la exactitud del cálculo pero mejora
el tiempo de cálculo.
Face Profile Filter Tol. Reduce el número de
puntos que se toman del terreno detallado.
Face Area-Elev Filter Tol. Reduce el número
de puntos en las caras de cálculo reduciendo
en la exactitud del resultado pero
aumentando la velocidad de procesamiento.
Face Conveyance Tol Ratio. Valor del error
de convergencia en el cálculo interno de los
valores hidráulicos, cuanto mayor sea el
valor menos puntos intermedios necesita
generar el cálculo de las variables
hidráulicas para dar el valor por bueno,
como en casos anteriores, un valor mayor
en este apartado, reducirá la precisión del
resultado pero también reducirá el tiempo
de simulación.
Edición de la malla de cálculo
La malla de cálculo controla el movimiento
del agua a través del área bidimensional,
por ello es fundamental que su diseño no
contenga errores. En cada paso de tiempo
en el cálculo, se obtiene la altura de agua en
el centro de la celda y las caras de las celdas
controlan el paso del agua de una celda a
otra. El preproceso de la malla consigue que
los parámetros utilizados en estos cálculos
sean muy precisos, independientemente,
hasta un cierto punto, del tamaño de las
celdas en que se divide la malla de cálculo.
El preproceso genera unas tablas de
parámetros hidráulicos donde se
caracterizan las celdas a partir de la
información detallada del terreno. El
preproceso consigue determinar el valor de
la relación elevación – volumen de la celda
y, para cada una de las aristas o caras, la
relación de la elevación con el perímetro
mojado, el área y la rugosidad, así se
obtienen resultados comparables a modelos
con celdas mucho menores y mucho mayor
tiempo de procesamiento. Los siguientes
comentarios servirán para orientar respecto
al tamaño de las celdas a procesar.
En general, el tamaño de la celda depende
de la pendiente de energía del agua en la
zona y las barreras que se pueda encontrar
por el terreno. Donde el terreno es plano y
no hay ningún elemento que pueda suponer
una modificación abrupta del flujo las celdas
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
35
pueden tener un tamaño elevado. En zonas
de pendientes pronunciadas o donde la
pendiente y el nivel del agua cambien
rápidamente, son necesarias celdas más
pequeñas para capturar esos cambios. Las
primeras simulaciones suelen evidenciar la
necesidad de celdas más pequeñas en
algunos puntos si fuera necesario, para ello,
existe la posibilidad de editar la malla de
forma manual una vez creada. Se pueden
modificar las líneas de rotura, mover
puntos, añadir puntos y borrar puntos.
Si añadimos una línea de rotura, que se
puede añadir en cualquier momento, se
modifican las celdas junto a la línea de
rotura y el resto queda igual. Esta opción es
interesante si no hemos tratado
adecuadamente alguna zona de flujo
preferente.
La Edición de puntos se realiza desde el
menú Edit del HEC-RAS Geometric Data
Editor. En el menú de edición tenemos tres
opciones: mover puntos, desplazando el
centro de una celda, añadir puntos, donde
añadimos celdas y eliminar puntos, donde
eliminamos celdas al escoger su centro.
Figura 24: zona con mayor
concentración de celdas. Fuente:
Elaboración propia
Con cualquiera de las tres opciones, las
celdas de alrededor se adaptan a la nueva
configuración modificando su aspecto.
Se añaden puntos donde queremos un
mayor detalle en el resultado y se eliminan
puntos donde es menos necesario el detalle.
Problemas en la generación de mallas
La generación automática de las mallas no
siempre consigue un resultado adecuado
para la modelización, se comentan alguno
de los errores más frecuentes.
Uno de los más característicos es el ajuste
incorrecto de las celdas con el contorno,
como se puede ver en las figuras 25 y 26,
obtenida del manual de HEC-RAS.
Figura 25: Error en la generación de la
malla, el contorno cruza el lado de una
celda. Fuente: Brunner y CEIWR-HEC.
(2016a, p. 3-14)
La solución a este problema, es sencilla, sólo
hay que añadir más puntos en la zona
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
36
conflictiva, para que la propia regeneración
de la malla mejore el ajuste.
La siguiente figura muestra el resultado
final.
Figura 26: Malla corregida añadiendo
puntos (Edit->Add points). Fuente:
Brunner y CEIWR-HEC. (2016a, p. 3-15)
Otro problema habitual son las celdas de
más de 8 lados, 8 es el límite de lados por
celda de HEC-RAS. Añadiendo más puntos,
como en el problema anterior, se crean
nuevas celdas que dividen a la celda
problemática.
Figura 27: Celda con más de 8 lados.
Manual HEC-RAS. Fuente: Brunner y
CEIWR-HEC. (2016a, p. 3-16)
Cuando el error está causado por centros de
celda duplicados, a causa, por ejemplo, de
añadir un punto repetidamente. Este error
se soluciona eliminado los puntos sobrantes.
Centros de celdas fuera del área 2D. Si
añadimos puntos fuera del área 2D o
cambiamos el límite del área dejando puntos
fuera, se producirá un error. Se solventa
eliminando los puntos fuera del contorno del
área.
Celdas con caras colineales. Este problema
surge cuando hay dos líneas de rotura muy
cercanas, y el sistema no es capaz de
realizar un paso de una a otra de forma
suave.
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
37
Figura 28: Error por lados de celdas
colineales. Manual HEC-RAS. Fuente:
Brunner y CEIWR-HEC. (2016a, p. 3-19)
La solución del problema pasa por gestionar
adecuadamente las líneas de rotura, limitar
el número de lados de las celdas o por forzar
manualmente la creación de las líneas de
rotura.
Introducir la rugosidad de Manning
espacialmente
En las zonas 2D no se puede añadir la n de
Manning para indicar la rugosidad como se
hacía habitualmente, ahora la información
tiene que ser espacial.
Hay dos maneras de introducir la rugosidad,
mediante un fichero raster o definiendo
zonas a mano. Para la primera de las
opciones, en RAS Mapper, usamos la opción
New Land Cover del menú Tools o pulsamos
con el botón derecho sobre Map Layers y
seleccionamos Add New Land Cover Layer.
Figura 29: añadir información sobre
usos del suelo. Fuente: Elaboración
propia
Al seleccionar cualquiera de estas opciones,
aparece la ventana para seleccionar el tipo
de suelo que se utiliza para definir el número
de Manning.
La ventana está dividida en 4 partes: Import
Extents; Input Files; Selected File Land
Cover Identifiers y Output File.
Import Extents define que parte se importa,
el total del fichero, la geometría, los límites
del modelo, etc.
Input Files permite seleccionar varios
ficheros para cargar, ordenándolos en orden
de importancia, así podemos mezclar una
información con poco detalle para zonas
alejadas con un estudio más detallado, por
ejemplo, del cauce. HEC-RAS mezclará los
ficheros seleccionados empezando por el
primero de la lista, completándolo donde
falte información, con los ficheros
siguientes.
Selected File Land Cover Identifiers muestra
los valores numéricos y el texto asociado de
uso del suelo del fichero seleccionado en la
parte superior de la ventana.
Output File muestra los valores que va usar
HEC-RAS como indicadores de uso del suelo,
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
38
permitiendo modificar el n de Manning
asociados a cada uno de ellos.
Figura 30: ventana Land Cover Layer.
Fuente: Elaboración propia
El programa admite 3 formatos, NLCD 2011,
Anderson II y Custom, modificable por el
usuario.
Al pulsar el botón create se generará un
fichero TIF con la información procesada.
Este fichero se debe relacionar con la
geometría, para ello, se pulsa con el botón
derecho del ratón sobre la geometría y se
selecciona RAS Geometry Properties, en la
ventana se relaciona el Land Cover con la
geometría. Una vez realizada esta
asociación, se puede realizar la tabla Land
Cover vs n Manning, en menú Tables del
RAS Geometry Editor se selecciona
Manning’s n by Land Cover.
En la práctica, salvo modelos de gran
extensión, la información disponible de usos
del suelo, no tiene detalle suficiente para la
modelización hidráulica. Esto hace que sea
necesario dibujar a mano, mediante GIS o
en el propio HEC-RAS las zonas
correspondientes a cada n de Manning o
cada uso del suelo. En el Geometry Editor se
pulsa la opción 2D Area Mann n Regions
para dibujar las zonas correspondientes a
cada rugosidad, empleando la técnica
habitual para dibujar regiones en HEC-RAS.
Cuando terminamos de dibujar la
zona, HEC-RAS nos pedirá un
nombre que deberá ser único. Este
nombre aparecerá en la tabla Manning’s n
by Land Cover donde podremos añadir el
número de Manning asociado al área
dibujada.
En el caso de que se haya definido una capa
de usos del suelo y se ponga sobre ella una
2D Area Mann n Regions cuando se realice
el preproceso de la malla, el n de Manning
de la zona definida sustituirá al incluido en
la capa de usos del suelo. Si no existiera ni
zona de n Manning ni uso del suelo, el
preproceso tomará el valor por defecto para
la n de cada celda.
Asociar la capa de terreno a la
geometría del modelo
Cuando se añade un terreno es
absolutamente necesario asociarlo a una
geometría para su posterior procesamiento.
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
39
Figura 31: ventana para asociar
geometría con terreno. Terrain
Association Editor. Fuente: Elaboración
propia
Pulsando con el botón derecho sobre
Geometries aparecerá la opción Manage
Geometry Associations que mostrará la
ventana donde se puede relacionar las
geometrías del modelo con los terrenos
(figura 31).
Preproceso de la geometría 2D
Una de las herramientas más significativas
de HEC-RAS es la creación de tablas de
propiedades hidráulicas para cada una de
las celdas. De esta forma, el modelo puede
simular celdas grandes, pero con gran
detalle, las siguientes figuras obtenidas del
manual muestran este proceso.
Figura 32: Terreno y tablas de valores
hidráulicos. Fuente: Brunner y CEIWR-
HEC. (2016a, p. 3-32)
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
40
La figura 32 muestra la conversión de la
información del terreno en las tablas
hidráulicas. El terreno, representado por la
imagen en color, se transforma en tres
tablas asociadas a cada una de las caras de
la celda: una sección transversal (elevación-
terreno), una relación elevación – área
hidráulica y una relación elevación –
perímetro mojado. Estas relaciones
permiten que el resultado obtenido para
toda la celda tenga una precisión muy
superior a la que tendrían si el análisis sólo
hiciera referencia al valor de elevación de la
celda, como hacen muchos modelos
bidimensionales.
Para generar estas tablas en RAS Mapper,
se debe pulsar con el botón derecho del
ratón sobre 2D Flow Areas de la geometría
que se vaya a simular y elegir la opción
Compute 2D Flow Areas Hydraulic Tables. Si
este proceso no se realiza, el sistema lo
lanzará automáticamente cuando se ejecute
la simulación.
Conexión entre áreas 1D y 2D
La conexión entre una zona 1D y otra 2D
puede ser directa o gobernada por una
estructura. Los pasos a seguir para lograr la
conexión se detallan a continuación.
Conexión mediante estructura lateral:
1.- Añadir una estructura lateral como se
hace habitualmente en HEC-RAS
2.- En Tailwater Connection del editor de
Lateral Structure seleccionar el tipo Storage
Area/2D Flow Area y en SA/2D FA
seleccionar el nombre del área 2D.
3.- Mediante el botón Weir/Embankment
definir la cota superior de la estructura de
conexión y los puntos de conexión lateral.
4.- El último paso es comprobar que los
puntos de las caras de las celdas están
correctamente conectados con la estructura
lateral. Hay que tener en cuenta que
cualquier cambio que se realice en la malla
con posterioridad a la definición de la
conexión, puede alterar los números de los
puntos de las caras y la conexión dejaría de
ser válida.
Conexión directa:
1.- Dibujar la zona 2D de forma que el borde
coincida con la última sección de la
geometría 1D
2.- En el menú Edit del Geometry Data
Editor, activar la opción Move
Points/Objects.
3.- Mover el último punto del eje del stream
dentro de la zona 2D. El sistema preguntará
si se quiere conectar la 1D River Reach con
el 2D Flow area.
La conexión directa requiere que el punto de
conexión sea una zona de flujo
unidimensional (la superficie del agua es
horizontal y las líneas de flujo
perpendiculares a la sección), también es
necesario que el terreno que define la
sección 1D sea exactamente el mismo que
el terreno en el borde de la zona 2D y que
coincida la rugosidad.
La modelización 1D de HEC-RAS en régimen
no permanente (unsteady) no puede
manejar secciones “secas”, a diferencia del
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
41
2D, que es capaz de controlar al cambio de
seco a húmedo y viceversa de las celdas. Por
esta razón, la zona de conexión entre 1D y
2D tiene que tener agua, si no se
producirían inestabilidades en el cálculo.
Si la conexión se va a realizar entre un área
2D y una zona de almacenamiento (Storage
Area) mediante una estructura, HEC-RAS
tiene una herramienta específica para esta
conexión, Storage Area/2D flow area
Hydraulic Connector (SA/2D Area Conn).
Esta herramienta también sirve para
conectar dos zonas 2D mediante una
estructura.
Condiciones de contorno áreas 2D
Las condiciones de contorno de las
zonas 2D se dibujan mediante la
herramienta SA/2D Area BC Lines
del Geometry Data Editor. Esta herramienta
permite dibujar en el contorno de la zona 2D
de la forma habitual, al hacer doble click y
terminar la línea, el sistema preguntará por
un nombre para la condición de contorno y
pasará a figurar en el Unsteady Flow Data
editor.
Figura 33: Condición de contorno
asignada. Fuente: Elaboración propia
Hay 5 tipos de condiciones de contorno:
- Flow Hydrograph
- Stage Hydrograph
- Normal Depth
- Rating Curve
- Precipitation
Y se pueden añadir cuantas de
ellas se quieran en una zona 2D,
con la única salvedad, que una
celda no puede tener dos condiciones de
contorno simultáneamente.
Una vez añadidas las condiciones de
contorno necesarias, será en la ventana de
Unsteady Flow Data donde se introducirá el
tipo de condición de contorno y los datos
necesarios para que la condición de
contorno esté plenamente definida.
No se debe olvidar separar lo suficiente la
condición de contorno de la zona que
queremos estudiar para que la imprecisión
en la definición de esta, no afecte al
resultado en la zona de estudio.
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
42
Figura 34: Unsteady Flow Data editor
Fuente: Elaboración propia
Condiciones de iniciales áreas 2D
Hay 4 opciones para definir las condiciones
iniciales de las zonas 2D: inicio seco, una
altura de agua definida, usar una simulación
anterior como punto de partida (Restart
File) o arranque de la simulación (2D Initial
Conditions Ramp up Time).
La primera opción, considerar todas las
celdas secas, es la opción por defecto, no
requiere ninguna acción. En la segunda, en
la pestaña de Initial Conditions del Unsteady
Flow Data editor introducimos una cota
asociada al área 2D, esa cota marcará el
nivel del agua, el terreno que esté por
encima, se mantendrá seco. Para usar el
punto final de una simulación anterior como
punto de partida es necesario haber
marcado la opción de generar Restart File en
la simulación anterior. Por último, 2D Initial
Conditions Ramp up Time realiza un periodo
de arranque o calentamiento del modelo. En
esta situación, se realiza una simulación
durante un periodo de tiempo con las
condiciones de contorno con el mismo valor
que la situación inicial, esto sirve para que
el modelo genere caudales y niveles de agua
antes de empezar la simulación. Estas dos
últimas opciones son las requeridas cuando
hay conexiones entre zonas 1D y 2D, que si
la conexión está seca produciría
inestabilidad durante la simulación.
Simulación régimen no permanente
La simulación de un modelo con 2D en HEC-
RAS obliga a utilizar la simulación en
régimen no permanente (unsteady flow).
HEC-RAS utiliza las fórmulas de Saint
Venant para el cálculo del flujo del agua en
este régimen. Estas ecuaciones tienen tres
niveles de precisión: Onda cinemática,
difusiva u onda dinámica (Full Momentum),
en función de los términos de la ecuación
que consideremos. HEC-RAS incluye los dos
últimos en su unsteady flow. Su diferencia
se encuentra en los términos inerciales de
las ecuaciones diferenciales de Saint
Venant. La Onda difusiva es la solución por
defecto, más rápida y menos precisa. Válida
en ciertos casos y obligatoria cuando se está
preparando el modelo.
Una vez que el modelo está completamente
operativo, se debe realizar una simulación
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
43
con la opción de Full Momentum, si hay poca
diferencia con la onda difusiva, se puede
seguir usando esta, si no, la onda dinámica
es obligada.
La selección entre onda difusiva y onda
dinámica se realiza en la ventana de
Unsteady Flow Analysis - > Options -
>Calculation Options and Tolerances.
Figura 35: Unsteady Flow Analysis.
Fuente: Elaboración propia
La simulación con la resolución completa de
las ecuaciones de Saint Venant es necesaria
cuando se den alguno de estos casos:
- Ondas muy rápidas: roturas de
diques e inundaciones rápidas (flash
floods)
- Contracciones y expansiones
abruptas
- Mareas
- Análisis de propagación de ondas:
aperturas/cierres de compuertas,
movimiento de ondas junto a
infraestructuras
- Estudio detallado de velocidades y
niveles junto a infraestructuras
- Cambios de régimen y resaltos
hidráulicos
Por lo demás, la ventana es la misma que
en versiones anteriores del software.
Pulsando el botón Compute, se lanza la
simulación.
Ejemplo de empleo de HEC-RAS 5.0,
puente de La Palmita
El primer paso es crear el proyecto, para ello
se escoge la opción New Project del menú
File en la pantalla principal de HEC-RAS. En
la pantalla que aparece tras seleccionar la
opción se elige directorio y nombre del
proyecto.
Figura 36: Ventana de creación de
proyecto. Fuente: Elaboración propia
Una vez generado el proyecto, añadimos la
cartografía, entrando en el RAS Mapper,
como ya se ha visto en apartados
anteriores. Una herramienta útil en la
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
44
gestión de la cartografía es colocar una
imagen de fondo que sirva de orientación.
Recuérdese que es necesario definir la
proyección cartográfica a utilizar a partir de
un fichero ArcGIS.
Figura 37: Proyección añadida. Fuente:
Elaboración propia
Figura 38: Terreno y ortofoto
simultáneamente cargados en el RAS
Mapper. Fuente: Elaboración propia
La zona es claramente para una simulación
bidimensional por lo que vamos crear un
área 2D en el Geometry Data Editor.
Figura 39: Malla y terreno sobre el
Geometry Data Editor. Fuente:
Elaboración propia
Dibujamos el área 2D y posteriormente la
editamos para generar la malla ajustada al
terreno. Para dibujarla se pulsa el botón
de la parte superior y para editarla,
generando la malla, al mismo botón por
aspecto, pero en la parte derecha de la
pantalla.
Figura 40: Generación de la Malla.
Fuente: Elaboración propia
Generada la malla se editan los números de
Manning, si fuera necesario, y situamos las
condiciones de contorno.
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
45
Figura 41: Condiciones de contorno a
la entrada. Fuente: Elaboración propia
Se introducen los datos que definen las
condiciones de contorno en el Unsteady
Flow data Editor y ya se puede lanzar la
simulación.
Figura 42: Condiciones de contorno a
la entrada, valores de caudal. Fuente:
Elaboración propia
Figura 43: Ventana de simulación.
Fuente: Elaboración propia
Finalizada la simulación y confirmada la
validez de los datos del terreno, se puede
introducir la estructura del puente para
estudiar su funcionamiento.
Se introduce una estructura Storage
Area/2D flow area Hydraulic Connector
(SA/2D Area Conn), que define el puente y
su configuración. AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
46
Figura 44: SA/2D Area Conn,
definiendo el puente. Fuente:
Elaboración propia
La única limitación, es que el HEC-RAS no
puede trabajar con puentes dentro de la
malla 2D y se debe definir como culvert.
Introducido el puente se vuelve a lanzar la
simulación para el estudio del puente. El
resultado obtenido se compara con la
modelización 1D del mismo puente, en las
mismas condiciones de caudales.
Se observa una importante diferencia en los
niveles alcanzados, siendo
significativamente más baja la cota del agua
con el modelo 2D que con el modelo 1D.
Figura 45: Simulación 1D, 50 años de
periodo de retorno, cota de lámina
58.75 m. Fuente: Elaboración propia
Figura 46: Simulación 2D, 50 años de
periodo de retorno, cota de lámina
54.12 m. Fuente: Elaboración propia
0 100 200 300 400 50048
50
52
54
56
58
60
Puente La Palmita v3 Plan: puente 40m 13/09/2017
Main Channel Distance (m)
Ele
vation
(m
)
Legend
WS PF 1
Ground
PLTA Alineamiento Eje
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
47
Figura 47: Simulación 2D, 50 años de
periodo de retorno, planta. Fuente:
Elaboración propia
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
48
Referencias bibliográficas
Brunner, G.W. (2016). HEC-RAS: River
Analysis System Hydraulic Reference
Manual. Davis, California: US Army
Corps of Engineers, Hydrologic Engineering
Center (HEC).
Brunner, G.W., & CEIWR-HEC. (2016a).
HEC-RAS: River Analysis System, 2D
Modeling User's Manual-Version 5.0.
Davis, California: US Army Corps of
Engineers, Institute for Water
Resources, Hydrologic Engineering
Center (HEC).
Brunner, G.W., & CEIWR-HEC. (2016b).
HEC-RAS: River Analysis System User's
Manual- Version 5.0. Davis, California:
US Army Corps of Engineers, Institute for
Water Resources, Hydrologic
Engineering Center (HEC).
Brunner, G.W., Warner, J.C., Wolfe, B.C.,
Piper, S.S., & Marston, L. (2016). HEC-RAS:
River Analysis System Applications Guide.
Davis, California: US Army Corps of
Engineers, Hydrologic Engineering
Center (HEC).
CEIWR-HEC. (2015). HEC-RAS: USDA-ARS
Bank Stability & Toe Erosion Model
(BSTEM), Technical Reference & User's
Manual. Davis, California: US Army
Corps of Engineers, Institute for Water
Resources, Hydrologic Engineering Center
(HEC).
AN
EXO
2.
HEC-R
AS 5
.0
49
Alcantarilla Pluvial: Una alcantarilla que
acarrea agua de lluvia, drenaje superficial,
drenaje de calles y otras aguas de drenaje
pero se excluyen alcantarillado sanitario y
desechos industriales,
Alcantarilla: Un conducto cerrado usado
para la conducción agua de drenaje
superficial bajo un camino, vía férrea, canal
u otro impedimento, posee de una a cuatro
celdas o tramos que pueden ser de forma
circular, rectangular u ovalada. La
alcantarilla cuenta con el piso revestido y
además requiere de aletones, cabezales y
delantales para garantizar su
funcionamiento
Altura libre: Distancia vertical entre la cota
de aguas máximas o de diseño y el fondo de
vigas o cota inferior del puente.
Área de Drenaje: El área drenada dentro
de una corriente en un punto dado. Puede
ser de diferentes tamaños por escorrentía
superficial, flujo sub superficial y flujo base,
pero generalmente el área de escorrentía de
superficie es considerada como el área de
drenaje.
Bordo libre: Distancia vertical entre el nivel
máximo del agua, generado por una
creciente de diseño y el borde de un canal,
la cresta de la cortina de la presa, el nivel
de la viga inferior de un puente o de una
caja o de otra estructura hidráulica.
Cambio climático: Variación del estado del
clima identificable mediante pruebas
estadísticas en las variaciones de su valor
medio en la variabilidad de sus propiedades
que persiste durante largos periodos de
tiempos (decenios o más)
Canal: Una porción de un curso de agua
natural o artificial cual periódicamente o
continuamente contiene agua en
movimiento, o el cual forma una conexión
entre dos cuerpos de agua. Tiene un lecho
definido y paredes o taludes cual sirven para
confinar el agua.
Carreteras tipo 1: carreteras con categoría
después de la intervención con clasificación
funcional de carretera troncal principal,
troncal secundaria o colectora principal. Se
considerarán también categoría tipo 1 los
accesos a servicios esenciales (hospitales,
servicios de emergencias, instalaciones de
suministro eléctrico, etc.).
Carreteras tipo 2: carreteras que no
cumplen las condiciones de tipo 1
Caudal de diseño: caudal utilizado para el
diseño de una infraestructura, normalmente
es el caudal correspondiente a un periodo de
retorno dado
Caudal: Volumen de agua que pasa por un
punto específico en un sistema hidráulico en
un momento o período dado.
Ciclo hidrológico: El circuito del
movimiento del agua desde la atmosfera a
la tierra y su regreso a la atmosfera a través
de varias etapas o procesos, tales como
precipitación, escorrentía, infiltración,
percolación, almacenaje, evaporación y
transpiración.
GLOSARIO
GLO
SARIO
50
Cota de aguas máximas: Es la cota de
aguas máximas esperada para el caudal de
diseño.
Cuenca hidrográfica: Superficie de
terreno cuya escorrentía superficial fluye en
su totalidad a través de una serie de
corrientes, ríos y, eventualmente, lagos
hacia el mar por una única desembocadura.
Curva Intensidad – Duración –
Frecuencia (IDF): Elemento de diseño que
relaciona la intensidad de la lluvia, la
duración de la misma y la frecuencia con la
que se puede presentar, es decir su
probabilidad de ocurrencia o el periodo de
retorno.
Divisoria de aguas: Es una línea
imaginaria que representa el límite entre las
cuencas hidrográficas vecinas de dos cursos
de agua.
Escorrentía: Se define como el agua
derivada de las lluvias que caen dentro de
una cuenca tributaria, fluyendo sobre la
superficie del suelo o colectada en canales o
conductos. Está constituida por la sumatoria
de tres componentes principales:
escurrimiento, flujo sub-superficial y agua
subterránea.
Escurrimiento: Es el agua que fluye sobre
la superficie del terreno hasta el cauce más
cercano y sólo se produce en los eventos de
lluvia.
Estación Hidrológica: Puesto de
observación situados sobre cuerpos de agua
(ríos, quebradas, embalses, etc.) en donde
se miden variables como los niveles y
caudales. También en algunas estaciones se
miden los sedimentos en corrientes y puntos
estratégicos.
Estación Pluviométrica: Puesto de
registro y medición de la cantidad de
precipitación en un lugar determinado.
Fenómeno El Niño: Es el calentamiento
anómalo de la temperatura del agua del
Pacífico Oriental, que repercute en el clima
mundial.
HEC-HMS: Sistema de modelamiento
desarrollado por el Centro de Ingeniería
Hidrológica (HEC-Hydrologic Engineering
Center) del Cuerpo de Ingenieros del
Ejército de los Estados Unidos (US Army
Corps of Engineers), que permite simular la
respuesta que tendrá la cuenca de un río en
su escurrimiento superficial, como producto
de la precipitación, mediante la
representación de la cuenca como un
sistema interconectado de componentes
hidrológicos e hidráulicos.
HEC-RAS: Sistema de modelamiento
desarrollado por el Centro de Ingeniería
Hidrológica (HEC-Hydrologic Engineering
Center) del Cuerpo de Ingenieros del
Ejército de los Estados Unidos (US Army
Corps of Engineers), que permite simular la
respuesta que tendrá el flujo de agua a
través de los ríos naturales y de otros
canales.
GLO
SARIO
51
Hidrograma Sintético: Es un hidrograma
que se obtiene usando las características
fisiográficas y parámetros de la cuenca de
interés. Su finalidad es representar o
simular un hidrograma representativo del
fenómeno hidrológico de la cuenca, para
determinar el caudal pico para diseñar.
Hidrograma Unitario: Es un método lineal
propuesto por Sherman en 1932, es un
hidrograma típico para la cuenca. Se
denomina unitario puesto que, el volumen
de escorrentía bajo el hidrograma se ajusta
generalmente a 1 cm distribuido
uniformemente sobre la cuenca (ó 1”).
Hidrograma: Gráfico que representa el
comportamiento del caudal acumulado
durante una tormenta a través del tiempo
de duración de la misma.
Hietograma: Gráfico muestra la intensidad
de la precipitación de un lugar en función del
tiempo de la tormenta.
INETER, Instituto Nicaragüense de
Estudios Territoriales.
Infiltración: La infiltración es el proceso
por el cual el agua en la superficie de la
tierra entra en el suelo.
IPCC: Panel Intergubernamental de Cambio
Climático
Isoyetas: Son líneas o curvas que
representan el mismo valor de la
precipitación, permiten trazar mapas, y ver
su comportamiento.
Número de curva: Son números que han
sido determinados y tabulados por el
Natural Resources Conservation Service
(NRCS) de Estados Unidos, con base en el
tipo de suelo y el uso de la tierra.
Pendiente: Es el grado de desviación de
una superficie desde el horizonte, medido
como una razón numérica o porcentaje.
Expresada como una razón, el primer
número es comúnmente la distancia
horizontal y la segunda es la distancia
vertical.
Periodo de retorno: Es el tiempo
promedio, en años, en que el valor del
caudal pico o precipitación, es igualado o
superado una vez cada “t” años,
consecuentemente, también se corresponde
con una probabilidad 1/t de que ocurra en el
año presente
Permeabilidad: La calidad de un suelo en
permitir el paso de agua o aire a través de
él. Usualmente expresado en milímetros por
hora.
Pilas, Pilares: Son los apoyos intermedios
de los puentes de dos o más tramos. Deben
soportar la carga permanentemente y
sobrecargas sin asentamientos, y soportar
la acción de agentes naturales como el
oleaje.
GLO
SARIO
52
RCP4.5: escenario climático corresponde a
un forzamiento radiativo de 4,5W/m2 en
2100. Este escenario ha sido desarrollado
por el equipo de modelización MiniCAM del
Pacific Northwest National Laboratory’s
(JGCRI). Se corresponde con un escenario
radiativo estable antes del año 2100
asociado a la aplicación de un rango de
tecnologías y estrategias para reducir los
GEI (Clarke et al., 2007). Este escenario
considera mitigación de las emisiones de
GEI (un 50% en el año 2080) y considera
probable que el incremento de temperatura
sea inferior a 2°C.
Remanso: Acción o efecto en un cuerpo de
agua en el cual su flujo es lento u opuesto
al flujo normal del cauce. Son zonas de
influencia de obstrucciones en el cauce de
los ríos donde el agua se detiene o la
dirección de su flujo se invierte, tal como un
puente estrecho, construcciones o material
de relleno que limita el área a través del cual
el agua debe fluir.
Sedimentación: Es el proceso que ocurre
cuando el material sólido, transportado por
una corriente de agua, se deposita en el
fondo de un río, embalse, canal artificial, o
dispositivo construido especialmente para
tal fin.
Socavación: Se denomina socavación a la
excavación profunda del suelo causada por
el agua. Puede deberse a la embestida de
las olas contra un acantilado, a los remolinos
del agua, especialmente donde encuentra
algún obstáculo la corriente, y al roce con
las márgenes de las corrientes que han sido
desviadas por los lechos sinuosos.
Talud: Es la diferencia que existe entre el
ancho del sector inferior del muro y el del
sector superior, creando una pendiente.
Esto permite que el muro pueda resistir la
presión que ejerce el suelo detrás de él.
Tasa de infiltración: Es la tasa,
usualmente expresada como milímetros por
hora, en el cual el agua se transporta a
través del perfil del suelo.
Terraplén: Se le denomina al suelo con el
que se rellena un terreno para ascender su
nivel y formar una superficie de apoyo
adecuada para ejecutar una obra.
Tiempo de concentración: Es el tiempo
requerido por una gota para recorrer desde
el punto hidráulicamente más lejano hasta
la salida de la cuenca.Transcurrido el
tiempo de concentración se considera que
toda la cuenca contribuye al caudal.
Tormenta de diseño: Un evento
seleccionado, descrito en términos de
probabilidad de ocurrencia una vez dentro
de un número dado de años, para el cual se
ha diseñado y construido la estructura de
drenaje o mejorado los controles de flujo.
Tránsito de avenidas: Es un
procedimiento matemático para predecir el
cambio en magnitud, velocidad y forma de
una onda del flujo en función del tiempo
(Hidrograma de Avenida), en uno o más
puntos a lo largo de un curso de agua
(Cauce o canal).
GLO
SARIO
53
Velocidad Media: Es la velocidad promedio
de una corriente fluyendo en un canal o
conducto en una sección transversal dada o
en un tramo. Es igual al caudal entre el área
de la sección transversal del tramo.
Vida de útil: El periodo de tiempo para el
cual se espera que una instalación o
estructura realice su función.
GLO
SARIO
54
MTI. 2011. Guía hidráulica para el diseño de obras de drenaje en caminos rurales. Managua,
Nicaragua: MTI.
Bervis, E.A. 2016. Manual Técnico de Hidrotecnia Vial. Nicaragua: MTI.
Clarke, L., Edmonds, J., Jacoby, H., Pitcher, H., Reilly, J., & Richels, R. (2007). Scenarios of
Greenhouse Gas Emissions and Atmospheric Concentrations: Sub-report 2.1A of Synthesis and
Assessment Product 2.1 by the U.S. Climate Change Science Program and the Subcommittee
on Global Change Research. Washington, DC: Department of Energy, Office of Biological &
Environmental Research.
Field, C.B., Barros, V.R., Dokken, D.J., Mach, K.J., Mastrandrea, M.D., Bilir, T.E., et al. (2014).
IPCC, Cambio climático 2014: Impactos, adaptación y vulnerabilidad – Resumen para
responsables de políticas. Contribución del Grupo de trabajo II al Quinto Informe de Evaluación
del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. Ginebra, Suiza:
Organización Meteorológica Mundial.
REFEREN
CIA
S B
IBLIO
GRÁFIC
AS
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS