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Escobar Sierra, Carlos Alejandro; Prez Mesa, Jess Alberto

Aplicacin del anlisis de sensibilidad de un modelo hidrodinmico en la determinacin

de la relevancia de procesos fsicos y forzamientos externos en las corrientes del

embalse Punchin (Antioquia)

Revista Universidad EAFIT, vol. 45, nm. 156, octubre-diciembre, 2009, pp. 73-89

Universidad EAFIT

Medelln, Colombia

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REVISTA Universidad EAFITVol. 45. No. 156. 2009. pp. 73-89

R e c e p c i n : 2 2 d e e n e r o d e 2 0 0 9 I A c e p t a c i n : 0 2 d e a g o s t o d e 2 0 0 9

Aplicacin del anlisis de sensibilidadde un modelo hidrodinmico en la determinacinde la relevancia de procesos fsicos y forzamientos externos en las corrientes del embalse Punchin

(Antioquia)*

Carlos Alejandro Escobar Sierra, PhD.Magster en Aprovechamiento de Recursos Hidrulicos

Universidad Nacional (Medelln) y Doctor en Costas, Alemania

Docente Departamento de Ingeniera Civil

Universidad EAFIT

carloses@eafi t.edu.co

Jess Alberto Prez Mesa, Esp.Ingeniero Mecnico, Universidad EAFIT.

Especialista en Economa, Universidad de Los Andes

Docente Departamento de Ingeniera Civil

Universidad EAFIT

jperez@eafi t.edu.co

* Esta investigacin fue desarrollada dentro del marco del proyecto Punchin, Sedimentacin en embalses, Evaluacin de alternati-vas aplicadas al manejo de sedimentos, Caso Punchin, Fase I. Los autores quieren agradecer a la Universidad EAFIT por fi nanciar el proyecto. De igual manera, al departamento de Instrumentacin de la Central San Carlos por facilitar la informacin de niveles, caudales de afl uentes y efl uentes en el embalse. As mismo, a la estudiante de Ingeniera Liliana Velsquez por su participacin en la edicin de las fi guras.

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Key wordsHydrodynamic modeling Punchin reservoirSensitivity analysisSpatial sensitivityPhysical processes

Resumen

En el artculo se presenta un anlisis de sensibilidad a un modelo hidrodinmico frente a un grupo de procesos fsicos y forzamientos externos, de los cuales se asume inicialmente que afectan el comportamiento del fl ujo en el embalse Punchin. La base del anlisis es una metodologa para determinar la variacin espacial de la sensibilidad a los procesos considerados, que posibilita evaluar el efecto en la hidrodinmica debido a los afl uentes, efl uentes, viento y corrientes de densidad, precisando las reas donde son dominantes y su grado de infl uencia. Se consideraron dos escenarios, el embalse en su nivel mximo y en su nivel medio, donde se evidenci el efecto que tiene la operacin del embalse en su estratifi cacin trmica. Se hizo clara la relevancia de los tributarios principales en el comportamiento hidrodinmico del embalse, en particular en zonas menos profundas, y cmo se debilita esta infl uencia en las zonas ms profundas.

Sensitivity analysis of a hydrodynamic model to determine the relevance of physical processes and external forcings on the currents of the Punchin reservoir (Antioquia)

AbstractThis paper presents a sensitivity analysis on a hydrodynamic model in relation to a number of physical processes and external forcings which were initially assumed to have some infl uence on the characteristics of the fl ows in the Punchin Reservoir. This analysis was based on a methodology that defi nes the spatial variation of the sensitivity for the involved processes, quantitatively indicating where and to what degree they are relevant inside the interest area.

The effect on the hydrodynamics of the reservoir due to the tributaries, outlets, wind, and density currents was determined, indicating the areas where they are predominant and the degree of impact on each. This analysis was taken into consideration under two scenarios: the reservoir at its maximum and at its mean water level, where the effect on temperature stratifi cation can be seen due to the operation of the reservoir. Additionally, the impact that the main tributaries have on the behavior of the hydrodynamics in the reservoir was made clear, particularly in shallow areas as well as the weakening of the impact in deep areas.

Palabras clave

Modelacin hidrodinmicaEmbalse PunchinAnlisis de sensibilidadSensibilidad espacialProcesos fsicos

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l embalse Punchin sirve a la central hidroelctrica de San Carlos, una de las principales proveedoras de energa del sistema interconectado

elctrico colombiano. Tiene una capacidad instalada de 1.240 MW, lo cual denota la importancia del embalse en el pas y la necesidad de contribuir a su sostenibilidad. Un aspecto de relevancia en la sostenibilidad de un embalse es el manejo de sus sedimentos, a travs del cual se busca establecer un equilibrio en el sistema que evite o postergue su colmatacin.

La efi cacia de una metodologa para el manejo de los sedimentos en un embalse (fl ushing, sluicing, dragado, etc.) depende de las caractersticas propias de este (morfologa, hidrologa, sedimentos, clima, hidrodinmica, la presa, obras de descarga, operacin, etc.). Por consiguiente, implementar a la ligera alguna de estas metodologas no garantiza necesariamente un resultado ptimo y eventualmente puede conllevar a situaciones indeseadas (colapso de taludes, prdida infruc-tuosa de agua, dao de estructuras o alteracin de su funcionamiento, por ejemplo) que generan temor y reserva al momento de tomar decisiones.

En tal sentido, sera clave poder anticipar a travs de un modelo matemtico la respuesta que tendra un embalse a alguna de las medi-das para restablecer el equilibrio dinmico de sus sedimentos; no solo en la prediccin de su efi ciencia sino tambin en la anticipacin de con secuencias que este procedimiento puede

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EIntroduccin desen cadenar. Un modelo matemtico basado en

procesos que acople simultneamente los mdulos de hidrodinmica, transporte de sedimentos y evolucin morfolgica permitira lograr este objetivo, tal como lo plantea Ghoreishi (2007). En el trabajo que refl eja este artculo se da un primer paso en la construccin de ese complejo sistema de modelacin, el cual se limita a la modelacin hidrodinmica del embalse. Esta modelacin hace parte de la fase inicial del proyecto Sedimentacin en embalses. Evaluacin de alternativas aplicadas al manejo de sedimentos. Caso Punchin, Fase I, fi nanciado por la Universidad EAFIT.

En este estudio se enfatiza en una de las fases que comprende la construccin de un modelohidrodinmico: anlisis de sensibilidad a procesos fsicos y forzamientos externos. Para este fi n, se hizo uso de la plataforma de modelacin numri-ca de fl ujos y fenmenos de transporte existente, denominada Delft3D y desarrollada por WL | Delft Hydraulics. En consecuencia, se propone una me-todologa que permite identifi car dnde y en qu grado son relevantes los distintos procesos que intervienen en el rea de inters. De esta mane-ra, los recursos disponibles para mejorar la predic -

cin del comportamiento hidro dinmico del embal-se se podrn dirigir en primera instancia a obtener mayor informa-cin de los fac to res realmente signifi cativos.

En la literatura exis tente se encuentran di versos anlisis de sensibilidad a modelos hidrodinmi-cos en cuer pos de agua estratifi cados (Villegas, Toro & Velez, 2005; Daz, 2005; Montoya y Toro, 2006). Tales estudios tienen como objeti-vo general conocer el comportamiento global

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del modelo numrico y su respuesta a cambios inducidos en algunos parmetros fsicos y num-ricos (Toro, 2004). Adicionalmente, se puede inferir la incertidumbre en los resultados del modelo si se conoce el rango de variacin del parmetro ms sensible. En esencia, el anlisis de sensibilidad debe proveer criterios de juicio objetivos para el de-sarrollo de las fases subsecuentes de calibracin y validacin requeridas en la construccin del modelo (Saltelli, Tarantola & Campolongo, 2000).

El anlisis de sensibilidad propuesto en este artculo se caracteriza por su componente espacial, donde se hace nfasis en determinar la variacin de la sensibilidad en la totalidad del rea de estudio, sin limitarse a un nmero de puntos de control o representativos. Adicionalmente, la metodologa sugerida permite determinar cuantitativamente la relevancia en la hidrodinmica de un determinado proceso y su peso relativo respecto a los dems. Por consiguiente, a travs de este procedimiento es posible alertar con anticipacin al desarrollo de las fase