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PROYECTO DE GRADO 2018-02
MODELACIÓN NUMÉRICA DEL COMPORTAMIENTO HIDRODINÁMICO
DEL RÍO ARAUCA, EN EL SECTOR DE “BOCA DE GAVIOTAS”, EN EL
MUNICIPIO DE ARAUQUITA, COLOMBIA.
Nicolás Felipe Ojeda Franco
Asesor: Camilo Andrés Salcedo Ballesteros
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
PREGRADO DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2018
AGRADECIMIENTOS
Un especial agradecimiento a Camilo Ballesteros por su amabilidad y
colaboración en el desarrollo de mi proyecto. Fue un gusto para mí que haya sido
mi asesor. La elaboración de este proyecto con su asesoría fue muy
enriquecedora y agradable.
Gracias a Claudia Contreras por suministrar la información inicial de este
proyecto, sin su ayuda no hubiera sido posible. Siempre estuvo muy atenta y con
la mejor disposición para ayudarme en el proyecto.
Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA
Modelación Hidrodinámico Del Río Arauca, Sector “Boca De Gaviotas”
Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado i
Contenido 1 Introducción ........................................................................................................................... 1
1.1 Objetivos ........................................................................................................................ 3
1.1.1 Objetivo General ..................................................................................................... 3
1.1.2 Objetivos Específicos ............................................................................................... 3
2 Marco teórico ........................................................................................................................ 4
2.1 Modelación de la hidrodinámica de flujos ....................................................................... 4
2.1.1 Modelación Hidrodinámica en 1 Dimensión ............................................................ 4
2.1.2 Modelación Hidrodinámica en 2 Dimensiones ......................................................... 4
2.2 Modelación de la Morfología y el Transporte de Sedimentos .......................................... 6
2.2.1 Modelación del Transporte de Sedimentos en 1D ................................................... 6
2.2.2 Modelación del Transporte de Sedimentos en 2D ................................................... 7
2.3 Uso de la Modelación Computacional en Ingeniería de Ríos ............................................ 7
2.4 Software Seleccionado Modelación: Open TELEMAC-MASCARET .................................. 11
2.4.1 Módulo de Modelación Hidrodinámica: Telemac 2D ............................................. 12
2.4.2 Módulo de modelación de Sedimentos: SISYPHE ................................................... 15
3 Caso de Estudio: Río Arauca – Sector Boca Gaviotas ............................................................. 21
3.1 Cuenca del Río Arauca y Antecedentes ......................................................................... 22
3.1.1 Hidrología ............................................................................................................. 22
3.1.2 Geología ............................................................................................................... 23
3.1.3 Análisis Morfodinámico y Dinámica Fluvial ............................................................ 23
3.2 Sector de Modelación: Boca de las Gaviotas ................................................................. 24
3.2.1 Información Disponible del Sitio de Estudio........................................................... 26
3.2.2 Dinámica Fluvial Histórica en el Tramo de Estudio ................................................. 28
4 Metodología......................................................................................................................... 30
4.1 Procesamiento Información Inicial y Creación Topo-Batimetría: ArcGIS ........................ 30
4.1.1 Procesamiento Archivos ADCP: Software RiverSurvey ........................................... 30
4.1.2 Procesamiento Batimetría Excel a Topo-Batimetría del Sector de Modelación: ArcGIS
32
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Modelación Hidrodinámico Del Río Arauca, Sector “Boca De Gaviotas”
Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado ii
4.1.3 Topo Batimetría Final del Proyecto ....................................................................... 33
4.2 Creación Malla Computacional y Condiciones de Frontera: BlueKenue ......................... 38
4.2.1 Creación de la Malla Computacional Con la Topo Batimetría ................................. 39
4.2.2 Creación de la Malla Computacional con la Rugosidad por Sector ......................... 40
4.2.3 Creación de las condiciones de fronteras del modelo ............................................ 42
4.3 Creación Archivo Final De Comandos Y Asignación De Decisiones en el Modelo: FUDAA 46
4.3.1 Archivo Comandos TELEMAC ................................................................................ 47
4.3.2 Archivos Comandos SISYPHE ................................................................................. 49
4.4 Modelación y Análisis Comportamiento de la Hidráulica del Cauce: TELEMAC .............. 51
4.5 Modelación y Análisis Comportamiento del Transporte de Sedimentos en el Cauce:
SISYPHE .................................................................................................................................... 55
5 Resultados ........................................................................................................................... 58
5.1 Resultados Modelación Hidráulica ................................................................................ 58
5.2 Resultados Modelación Transporte de Sedimentos ....................................................... 62
6 Conclusiones ........................................................................................................................ 66
6.1 Modelación Hidráulica: TELEMAC ................................................................................. 66
6.1.1 Distribución de Caudales ....................................................................................... 66
6.1.2 Distribución de Velocidades .................................................................................. 68
6.2 Modelación Hidrodinámica: TELEMAC y SISYPHE .......................................................... 68
7 Recomendaciones ................................................................................................................ 71
8 Manual de Utilización Modelo .............................................................................................. 73
9 Referencias .......................................................................................................................... 78
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Modelación Hidrodinámico Del Río Arauca, Sector “Boca De Gaviotas”
Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado iii
ÍNDICE DE GRÁFICAS
Gráfica 1. Topo batimetría final del sector de modelación mediante la herramienta Topo to Raster de ArcGIS
.......................................................................................................................................................... 34
Gráfica 2. Comparación y validación de la topografía del modelo con respecto a la batimetría real. Sección
Brazo Reinera. .................................................................................................................................... 36
Gráfica 3. Comparación y validación de la topografía del modelo con respecto a la batimetría real. Sección
Brazo Reinera – Gaviotas. ................................................................................................................... 37
Gráfica 4. Comparación y validación de la topografía del modelo con respecto a la batimetría real. Sección
Brazo Reinera – Reinera. .................................................................................................................... 38
Gráfica 5. Condiciones de fronteras establecidas en el modelo.................................................................... 42
Gráfica 6. Topografía final del sector de análisis después de realizar la modelación hidráulica con 311 𝒎𝟑𝒔.
.......................................................................................................................................................... 52
Gráfica 7. Altura de la lámina de agua del sector de análisis después de realizar la modelación hidráulica con
311 𝒎𝟑𝒔. ........................................................................................................................................... 53
Gráfica 8. Aforos sólidos disponibles del tramo de análisis. Izquierda: Aforo sedimentos en suspensión -
Derecha: Aforo sedimentos en arrastre. Suministrados por el IDEAM. ................................................ 55
Gráfica 9. Validación del modelo mediante la distribución de caudales en cada brazo comparado con los
aforos disponibles. ............................................................................................................................. 58
Gráfica 10. Resultado final de la modelación hidráulica para un caudal de 311 𝒎𝟑𝒔. Este es el estado estable
que se usa para la modelación de sedimentos. ................................................................................... 60
Gráfica 11. Resultado final de la modelación hidráulica para un caudal de 588 𝒎𝟑𝒔. Este es el estado estable
que se usa para la modelación de sedimentos. ................................................................................... 61
Gráfica 12. Esfuerzo cortante generado en el lecho, por el cual se produce el transporte de sedimentos.
Caudal de 311 𝒎𝟑𝒔. Las unidades gráficas están en pascales. ............................................................. 62
Gráfica 13. Transporte de sedimentos generado en el tramo modelado, por el cual se produce una
involución o crecimiento del lecho. Caudal de 311 𝒎𝟑𝒔. Las unidades gráficas están en 𝒎𝟐𝒔. ........... 63
Gráfica 14. Esfuerzo cortante generado en el lecho, por el cual se produce el transporte de sedimentos.
Caudal de 588 𝒎𝟑𝒔. Las unidades gráficas están en pascales. ............................................................. 64
Gráfica 15. Transporte de sedimentos generado en el tramo modelado, por el cual se produce una
involución o crecimiento del lecho. Caudal de 588 𝒎𝟑𝒔. Las unidades gráficas están en 𝒎𝟐𝒔. ........... 65
Gráfica 16. Distribución de caudales en las modelaciones realizadas por la Universidad Nacional en el mismo
sector de análisis, pero con diferentes aforos. .................................................................................... 67
Gráfica 17. Distribución de caudales en las modelaciones realizadas en este proyecto de grado para el sector
Boca de las Gaviotas, para comparación de modelos. ......................................................................... 67
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Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado iv
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Ejemplo de documento de condiciones de frontera................................................................ 15
Ilustración 2. Mapa de Colombia. Localización general. Ubicación y zona de estudio. .................................. 21
Ilustración 3. Mapa de Arauca. Localización específica. Ubicación sector de estudio. ................................... 22
Ilustración 4. Imagen de Radar en 1972 de la zona de estudio. Se aprecia como desde Arauquita se va forma
un delta ............................................................................................................................................. 24
Ilustración 5. Esquema de la ubicación de las mediciones que se realizaron en los años 2016 y 2017 ........... 25
Ilustración 6. Zona de estudio detallada con los puntos de donde se tiene información de aforos líquidos y
sólidos ............................................................................................................................................... 25
Ilustración 7. Mediciones realizadas para aforos líquidos en campañas IDEAM ............................................ 26
Ilustración 8. Mediciones realizadas para aforos sólidos en campañas IDEAM ............................................. 27
Ilustración 9. Ejemplos de las batimetrías de los aforos con ADCP para los años 2016 y 2017. ..................... 27
Ilustración 10. Imagen satelital Río Arauca tramos desde Arauquita hasta Arauca ....................................... 28
Ilustración 11. Software para trabajo en campo: WinRiver y software para post procesamiento: River Survey
.......................................................................................................................................................... 31
Ilustración 12. Mediante software Matlab: Análisis métodos de interpolación y corrección de puntos
inconsistentes .................................................................................................................................... 31
Ilustración 13. Proceso de manejo de información inicial para la interpolación de la Topo Batimetría del
sector de modelación ......................................................................................................................... 32
Ilustración 14. Resultados de algunas interpolaciones con diferentes combinaciones de puntos y mediante
diferentes métodos de interpolación. ................................................................................................. 33
Ilustración 15. Boceto de la ubicación de las secciones transversales que se usaron para la validación del
modelo. ............................................................................................................................................. 35
Ilustración 16. Boceto de la malla computacional de la topografía en 3D y una imagen de cerca de la malla en
2D. ..................................................................................................................................................... 40
Ilustración 17. Selección de las tres secciones del río con rugosidad determinada por el usuario ................. 41
Ilustración 18. Rugosidades calculadas mediante el software Conveyance Estimation System para los tres
sectores de la modelación .................................................................................................................. 41
Ilustración 19. Esquema de la interfaz de FUDAA PRE PRO con los dos archivos iniciales importados ........... 46
Ilustración 20. Interfaz de modelación en TELEMAC. El lado izquierdo muestra una iteración del proceso, el
lado derecho muestra el inicio de la modelación. ............................................................................... 54
Ilustración 21. Inicio modelación transporte de sedimentos para los caudales aforados .............................. 56
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Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado v
Ilustración 22. Contenido carpeta para la modelación ................................................................................. 73
Ilustración 23. Archivos que contiene la carpeta Archivos de Entrada .......................................................... 74
Ilustración 24. Pantalla de comandos correspondiente a TELEMAC, en la dirección donde se guardó la
carpeta suministrada.......................................................................................................................... 75
Ilustración 25. Comandos para iniciar la modelación de un caudal de 311 𝒎𝟑𝒔 con transporte de sedimentos
de lecho ............................................................................................................................................. 76
Ilustración 26. Interfaz de BlueKenue luego de importar los resultados obtenidos en la modelación ejemplo.
.......................................................................................................................................................... 77
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Modelación Hidrodinámico Del Río Arauca, Sector “Boca De Gaviotas”
Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado vi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Comparación y Selección de Software Modelación......................................................................... 10
Tabla 2. Número de nodos utilizados en cada cauce para crear la malla computacional de la modelación.... 39
Tabla 3. Discretización del sector de modelación en zonas con diferente rugosidad .................................... 41
Tabla 4. Condiciones de frontera en la salida de los brazos, con base en el caudal de entrada del Brazo
Reinera .............................................................................................................................................. 44
Tabla 5. Condiciones de frontera, en TELEMAC2D, para 10 nodos correspondientes al caudal de entrada del
Brazo Reinera ..................................................................................................................................... 44
Tabla 6. Condiciones de frontera, en SISYPHE, para 10 nodos correspondientes al caudal de entrada del
Brazo Reinera ..................................................................................................................................... 45
Tabla 7. Diámetros sedimentos transportados en arrastre. Datos suministrados por los aforos sólidos del
IDEAM. .............................................................................................................................................. 56
Tabla 8. Caudales modelados, se estableció un caudal inicial y el modelo determina la distribución en cada
brazo. ................................................................................................................................................ 59
Tabla 9. Mediciones para la carga de transporte de sedimentos, realizada por aforos en los años 2016 y
2017. ................................................................................................................................................. 69
Tabla 10. Mediciones para la carga de sedimentos, resultantes del presente modelo para caudales de 311
𝒎𝟑𝒔y 588 𝒎𝟑𝒔.................................................................................................................................. 69
Tabla 11. Archivos de comandos disponibles para modelación hidráulica y su compilación con el transporte
de sedimentos ................................................................................................................................... 75
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Modelación Hidrodinámico Del Río Arauca, Sector “Boca De Gaviotas”
Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado vii
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1. Ecuación de conservación de la energía o Ecuación de Bernoulli ................................................. 4
Ecuación 2. Ecuación de Manning ................................................................................................................. 4
Ecuación 3. Conservación de la Masa - Ecuación de Saint Venant .................................................................. 5
Ecuación 4. Conservación del Momentum en la dirección X - Ecuación de Saint Venant ................................. 5
Ecuación 5. Conservación del Momentum en la dirección Y - Ecuación de Saint Venant ................................. 5
Ecuación 6. Ecuación de evolución del lecho o Ecuación de Exner ................................................................. 6
Ecuación 7. Ecuaciones de Saint Venant en su forma no conservativa ......................................................... 12
Ecuación 8. Cálculo del esfuerzo cortante por TELEMAC .............................................................................. 13
Ecuación 9. Cálculo coeficiente de rugosidad en base a ley de fricción - Caso Manning ................................ 13
Ecuación 10. Modelo de creación y destrucción de energía en la turbulencia - Viscosidad turbulenta .......... 13
Ecuación 11. Ajuste del coeficiente de Boussinesq para la ecuación de Saint Venant ................................... 14
Ecuación 12. Ecuación de Exner o de evolución del lecho ............................................................................ 15
Ecuación 13. Ajuste en la dirección del transporte de sedimentos debido a la pendiente del terreno .......... 16
Ecuación 14. Ajuste en la magnitud del transporte de sedimentos debido a la pendiente del terreno .......... 16
Ecuación 15. Ajuste por la presencia de corrientes secundarias dado por una aceleración centrípeta .......... 17
Ecuación 16. Ecuación de advección y difusión en 2 dimensiones ................................................................ 17
Ecuación 17. Perfil de concentración de sedimento en suspensión. Ecuación de Rouse ............................... 18
Ecuación 18. Fórmula de transporte de sedimentos por arrastre de Van Rijn............................................... 18
Ecuación 19. Factor de carga adimensional que utiliza SISYPHE para unificar resultados de fórmulas........... 18
Ecuación 20. Cálculo del diámetro adimensional ......................................................................................... 19
Ecuación 21. Cálculo del esfuerzo crítico o Parámetro de Shields ................................................................ 19
Ecuación 22. Condiciones para el cálculo de la velocidad de asentamiento mediante SISYPHE ..................... 19
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Modelación Hidrodinámico Del Río Arauca, Sector “Boca De Gaviotas”
Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado 1
1 INTRODUCCIÓN
La modelación hidrodinámica de ríos está siendo muy utilizada por ingenieros para predecir la
evolución del lecho y sección del río. La mayoría de los softwares ofrecen una modelación en 1D, 2D
y 3D. La selección del número de dimensiones de la modelación depende de varios factores como
el tamaño del dominio y las condiciones de frontera. De igual forma, estos programas suelen tener
similitudes en cuanto al cálculo de la hidrodinámica, mediante las ecuaciones de Saint-Venant, y el
posterior cálculo del transporte de sedimentos por el término de la advección de la velocidad.
El avance en métodos numéricos y computacionales ha permitido que se creen sistemas complejos
para la modelación numérica, a gran escala, con un tiempo de computación reducido. Los modelos
morfodinámicos están siendo usados en muchas de las aplicaciones de ingeniería para predecir la
evolución del lecho. En el mercado se encuentra varios softwares para modelar ríos como lo son:
River 2D, Open Telemac-Mascaret, RiverFlow 2D, COHE2D, HEC-RAS, entre otros. En este trabajo se
utilizó Open TELEMAC-MASCARET debido a las grandes capacidades técnicas, tiene código abierto,
libre distribución y es gratuito. Además, se determinó que la dimensión de trabajo es 2D, debido al
tamaño del dominio y el detalle que se busca lograr con este modelo. Open TELEMAC-MASCARET
se compone por varios módulos, la hidrodinámica en dos dimensiones se calcula en Telemac2D y el
transporte de sedimentos en SISYPHE, estos dos módulos se compilan internamente. Los
sedimentos pueden ser transportados como carga de lecho o en suspensión, en cuanto a la primera
se puede calcular por una ecuación clásica del transporte de arena como Hansen-Williams, y para la
segunda, la carga en suspensión, se resuelve una ecuación adicional de transporte en 2D.
El río Arauca delimita la frontera entre Colombia y Venezuela y, actualmente, presenta un cambio
en su cauce original en el sector “Boca de Gaviotas”. Este tramo del río, Boca Gaviotas, está
compuesto por los brazos Gaviota y Arauca y su condición inicial se caracterizaba por que la mayoría
del caudal era dirigido al brazo Arauca (el cual limita la frontera con Venezuela), mientras un
porcentaje pequeño fluía por el brazo Gaviota. Por lo anterior, en agosto del año 2017, el Ing.
Eduardo Bravo y su equipo de trabajo, realizaron una modelación hidrodinámica del Río Arauca, en
el sector donde se presenta la anomalía. El modelo se creó a causa de un comportamiento inusual
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Modelación Hidrodinámico Del Río Arauca, Sector “Boca De Gaviotas”
Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado 2
del río, debido a que la mayoría de su caudal fluye hacia el brazo Gaviota, por lo cual, la modelación
busca proponer una estructura hidráulica, con el fin de que el río vuelva a su cauce original (Bravo,
2018). Según el modelo numérico elaborado por el grupo de investigación de la Universidad
Nacional, liderado por Eduardo Bravo, el río puede volver a su cauce original con la ayuda de una
estructura hidráulica, este control hidráulico se ubica a la entrada del brazo Gaviota, y busca
modificar la sección mediante una estructura permeable, adicional a esto, se piensa construir un
dique en el costado sur del río Arauca, antes de la bifurcación, para evitar posibles inundaciones.
En el modelo elaborado por el profesor Bravo, se presenta gran incertidumbre en lo que respecta al
transporte de sedimentos en suspensión, ya que el río Arauca presenta alta variabilidad en el
tamaño de sus sedimentos y eso genera dificultad, a falta de datos, a la hora de calibrar el modelo.
Con base en lo anterior, se puede presentar una desviación de lo que se modeló y lo que puede
ocurrir en realidad, por consiguiente, es preciso realizar una calibración del modelo con nuevos
datos de batimetrías. De igual forma, es relevante la modelación del sector aguas abajo del brazo
Gaviotas posterior a construcción de la estructura hidráulica o modelación conceptual de lo que
puede ocurrir en el río por la modificación del cauce actual. Esto, debido a que los ríos son entes
complejos que pueden tener reacciones en lugares diferentes a donde se realiza la intervención
hidráulica. Además, los ríos tienen muchas variables que puedan modificar el modelo y que son
difíciles de obtener en el sector, como una buena información hidrometereológica.
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Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado 3
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo General
Realizar una modelación hidrodinámica del río Arauca, en los sectores aledaños a Boca Gaviotas,
donde se piensa realizar una intervención hidráulica. El objetivo es crear un modelo conceptual del
comportamiento de este sector. Sin embargo, es preciso mencionar que el modelo, aunque busca
predecir el comportamiento hidrodinámico del río, hay muchas variables que no pueden tener en
cuenta debido a las limitaciones en información en el sector y el poco tiempo para su realización, ya
que la investigación se realizó durante 1 semestre académico.
1.1.2 Objetivos Específicos
Elaborar la modelación hidráulica del modelo bajo diferentes condiciones. Se debe crear un modelo
que describa el comportamiento del tramo del Río Arauca con caudales de entrada de 50 𝑚3
𝑠 hasta
los 1200 𝑚3
𝑠. Se debe validar mediante los dos aforos disponibles y por medio de una comparación
al comportamiento que tiene el modelo computacional de la Universidad Nacional de este mismo
sector del río.
Establecer la cantidad de sedimentos que se transportan en suspensión y arrastre mediante el
modelo. Esto, se realiza con diferentes aproximaciones según las características de los sedimentos.
Se debe validar mediante los dos foros disponibles. Es aquí donde se espera encontrar la mayor
incertidumbre debido a la poca información en TOPOBatimetría y en las características del suelo.
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Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado 4
2 MARCO TEÓRICO
2.1 Modelación de la hidrodinámica de flujos
La modelación hidráulica de un canal a flujo libre se resuelve dependiendo el número de
dimensiones a utilizar.
2.1.1 Modelación Hidrodinámica en 1 Dimensión
Los modelos en 1 dimensión simulan el flujo longitudinalmente, por lo que promedian la velocidad
y la profundidad a lo largo de toda la sección transversal. Estos modelos suelen ser usados para
simulaciones a gran escala donde el ancho de la sección es irrelevante comparado con el largo del
cauce en la zona de estudio. Además, el principal uso es determinar estados de inundación. Un
software muy utilizado para un análisis es 1 dimensión es HEC-RAS, el cual es un modelo de flujo
libre en un canal desarrollado por US ACE. Este modelo resuelve la ecuación de Bernoulli y encuentra
el perfil de la superficie:
Ecuación 1. Ecuación de conservación de la energía o Ecuación de Bernoulli
𝑧2 + 𝑌2 +𝑉2
2
2𝑔= 𝑧1 + 𝑌1 +
𝑉12
2𝑔+ ℎ𝑓
HEC-RAS usa la ecuación de Manning para calcular las pérdidas relacionando el flujo con las
características físicas del canal:
Ecuación 2. Ecuación de Manning
𝑉 =1
𝑛∗ 𝑌
23 ∗ 𝑆
12
Donde 𝑍1y 𝑍2 representan la cabeza topográfica, 𝑌1y𝑌2 la altura de la lámina, 𝑉1 y 𝑉2la velocidad del
flujo, g la gravedad, ℎ𝑓 la pérdida de energía, 𝑛 es el factor de rugosidad y 𝑆 la pendiente del terreno.
Este tipo de modelación resulta ser muy superficial y no cumpliría el objetivo de este proyecto.
2.1.2 Modelación Hidrodinámica en 2 Dimensiones
La modelación en 2 dimensiones es usada en condiciones donde se requiere un detalle superior, en
donde el ancho de la sección transversal es un tema relevante y el cambio de velocidades es
determinante. Se usa, normalmente, cuando se quiere modelar la evolución de un cauce en dominio
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Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado 5
de estudio mediano (10-30 kilómetros). Es la modelación más utilizada y está basada en la solución
de la conservación de la masa y el momento. Las ecuaciones diferenciales resultantes, de la mallan
computacional, pueden ser resueltas por elementos finitos o volúmenes finitos.
Para el caso de estudio se utilizó esta modelación. Se utilizó el software Open TELEMAC-MASCARET
y la hidrodinámica es resuelta por el módulo TELEMAC2D. Este módulo resuelve las ecuaciones de
Saint-Venant bidimensionales o ecuaciones bidimensionales en lámina libre, las cuales se deducen
de la conservación de masa y el momento como se muestra a continuación:
Ecuación 3. Conservación de la Masa - Ecuación de Saint Venant
𝜕ℎ
𝜕𝑡+
𝜕𝑞𝑥
𝜕𝑥+
𝜕𝑞𝑦
𝜕𝑦= 0
Ecuación 4. Conservación del Momentum en la dirección X - Ecuación de Saint Venant
𝜕𝑞𝑦
𝜕𝑡+
𝜕
𝜕𝑥(𝑢𝑞𝑥) +
𝜕
𝜕𝑦(𝑣𝑞𝑥) +
𝑔𝜕ℎ2
2𝜕𝑥= 𝑔ℎ(𝑆𝑜𝑥 − 𝑆𝑠𝑥) +
1
𝜌[(
𝜕
𝜕𝑥(ℎ𝜏𝑥𝑥)) + (
𝜕
𝜕𝑦(ℎ𝜏𝑥𝑦))]
Ecuación 5. Conservación del Momentum en la dirección Y - Ecuación de Saint Venant
𝜕𝑞𝑦
𝜕𝑡+
𝜕
𝜕𝑥(𝑢𝑞𝑥) +
𝜕
𝜕𝑦(𝑣𝑞𝑥) +
𝑔𝜕ℎ2
2𝜕𝑥= 𝑔ℎ(𝑆𝑜𝑥 − 𝑆𝑠𝑥) +
1
𝜌[(
𝜕
𝜕𝑥(ℎ𝜏𝑥𝑥)) + (
𝜕
𝜕𝑦(ℎ𝜏𝑥𝑦))]
Donde 𝑡 es el tiempo, 𝑢 y 𝑣 son las velocidades promedio en las direcciones 𝑥 y 𝑦, 𝑞𝑥 = 𝑢ℎ y 𝑞𝑦 =
𝑣ℎ es la descarga promedio en altura, 𝑔 es la gravedad, ℎ es la altura de la lámina de agua, 𝜌 es la
densidad del agua, 𝑆𝑜𝑥 y 𝑆𝑜𝑦 son las pendientes del terreno en las direcciones correspondientes, 𝑆𝑓𝑥
y 𝑆𝑓𝑦 son las pendientes de fricción para los esfuerzos 𝜏𝑥𝑥 y 𝜏𝑥𝑦 y, finalmente, 𝜏𝑦𝑦 es el factor de
fricción.
TELEMAC-MASCARET es un poderoso software de modelación, el cual ha sido utilizado alrededor
del mundo en el campo del flujo a superficie libre. Es compuesto de varios módulos, los cuales tienen
algoritmos basados en el método de elementos finitos. El dominio es discretizado por medio de una
malla no estructurada triangular. Uno de sus módulos es TELEMAC2D, el cual resuelve la
hidrodinámica del campo de estudio. Una descripción completa de TELEMAC2D se encuentra en la
sección 4 de este capítulo. TELEMAC-MASCARET ha sido utilizado en diferentes aplicaciones, por
ejemplo, fue utilizado por el profesor Bravo de la Universidad Nacional para modelar el río Arauca.
Bravo logró representar exitosamente el tramo de río, validado con trazadores y aforos, a pesar de
la poca información disponible y la complejidad del caso.
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Nicolas Felipe Ojeda Franco Proyecto de Grado 6
Otros programas computacionales, de modelación en 2 dimensiones, han tenido resultados exitosos
y son usados internacionalmente por su confiabilidad en la modelación de ríos. Estos softwares
incluyen el modelo RMA2, desarrollado por King en 1990, CCHE2D desarrollado por el Centro
Nacional de Computación e Hidro ciencia e Ingeniería de la Universidad de Mississippi, HEC-RAS,
RIVER2D, RIVERFLOW2D, entre otros.
2.2 Modelación de la Morfología y el Transporte de Sedimentos
El transporte de sedimentos es uno de los parámetros más difíciles de calcular en la ingeniería de
ríos y áreas afines. Lo anterior, se debe a la gran cantidad de variables que modifican este
transporte, como lo es el flujo turbulento, la irregularidad de canal, en tamaño de los sedimentos,
entre otros; que, además, suelen cambiar en el tiempo, lo cual vuelve aún más compleja la
estimación de la carga de sedimentos, ya sea de lecho o en suspensión.
La mayoría de los modelos de sedimentos se resuelven en base a la hidrodinámica basada en las
ecuaciones de Saint-Venant. En donde la evolución del lecho de calcula con la ecuación de
conservación de la masa en sedimentos o ecuación de Exner:
Ecuación 6. Ecuación de evolución del lecho o Ecuación de Exner
(1 − 𝜆) 𝜕𝑧
𝜕𝑡+
𝜕𝑞𝑥
𝜕𝑥+
𝜕𝑞𝑦
𝜕𝑦= 0
En donde 𝑧 es la elevación del lecho, 𝜆 es la porosidad del material de lecho, 𝑞𝑥 y 𝑞𝑦 son los
componentes en las direcciones 𝑥 y 𝑦 de la carga por unidad de ancho de la carga total 𝑞𝑧. Estas
cargas se calculan como 𝑞𝑥 = cos 𝛼 𝑞𝑡 y 𝑞𝑦 = 𝑠𝑒𝑛 𝛼 𝑞𝑡 , en donde 𝛼 es el ángulo de la dirección
del transporte de la carga de lecho. En TELEMAC-MASCARET se pueden usar 9 diferentes ecuaciones
para el transporte de sedimentos, sin embargo, 5 de ellas son para uso específico de bancas o cauces
a los que les afecten las mareas.
2.2.1 Modelación del Transporte de Sedimentos en 1D
La modelación de sedimentos en 1 dimensión calcula el transporte en la dirección longitudinal y no
calcula la hidráulica en toda la sección transversal. Estos modelos se consideran limitados en sus
capacidades y son más aplicables en la evaluación de la escala de alcance, los procesos a largo plazo
en canales que tienen una complejidad hidráulica limitada y una variación mínima en la geometría
del canal (Waddle, 2000; Formann, 2007). Los modelos en 1D proveen predicciones razonables en
la altura de la lámina de agua, pero tienen la tendencia a desfasarse en las velocidades de la sección
de un 10% a un 20% (Johnson, 2008). Es preciso mencionar que el esfuerzo cortante depende de la
velocidad, y el transporte de sedimentos depende de el esfuerzo cortante. Por esto, los modelos en
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1D suelen tener desfases aún mayores en la estimación del transporte de sedimentos. Por otro lado,
los modelos en 1 dimensión tienen bajos requerimientos computacionales y, usualmente, hacen
muchas suposiciones en sus cálculos, por lo cual requieren poca información inicial. Además de esto,
son más sencillos de utilizar que los modelos 2D y 3D. Por esto, la modelación en 1D sigue siendo
utilizada cuando no se necesita tener en precisión en los resultados.
2.2.2 Modelación del Transporte de Sedimentos en 2D
Los modelos de 2 dimensiones para el transporte de sedimentos usan las ecuaciones continuidad y
las ecuaciones de Navier Stokes. Estas ecuaciones se usan junto con el balance de masa para
sedimentos y un método determinado, para su resolución, de diferencias finitas, elementos finitos
o volúmenes finitos. Debido a las estructuras de cuadrícula de los modelos 2D, como R2DM, CCHE2D
y MIKE 21, estos modelos pueden representar alcances más complejos que los modelos 1D
(Papanicolaou, 2008).
Para este proyecto, al estar usando TELEMAC-MASCARET, el módulo que calcula el transporte de
sedimentos se llama SISYPHE. Este módulo, es un recurso abierto para el cálculo del transporte de
sedimentos y la evolución del lecho. Este módulo puede ser usado para modelar complejos procesos
morfodinámicos en diferentes entornos como costas, ríos, lagos, entre otros. Además, SISYPHE
permite calcular la carga mediante diferentes clases de sedimentos, diferenciar entre sedimentos
cohesivos y no cohesivos, carga gradada o con un único tamaño, entre muchas otras. En la sección
4 de este capítulo se encuentra una descripción más detallada de este módulo. Realizar una
modelación en 3 dimensiones representa una alta demanda de datos de entrada y de mucho tiempo
computacional, por esto las simulaciones en 2 dimensiones son preferidas ya que representan la
velocidad lateral y longitudinal, las cuales son las principales componentes para evaluar el
transporte de sedimentos (Johnson, 2008).
Suelen presentarse diferencias entre la hidrodinámica y el transporte de sedimentos que se
modelan, mediante el software, y las mediciones en campo hechas por aforos. Lo anterior, se debe
a muchas razones. La principal de estas causas es la sobre simplificación del problema, en donde se
usa un modelo inapropiado, por ejemplo, al usar un modelo de 1D cuando se necesita el detalle de
un 2D. Otras causas son la falta de información, datos incorrectos, las limitaciones de las ecuaciones
de transporte de sedimentos. No hay un modelo de transporte de sedimentos que pueda describir
confiablemente el fenómeno de dos fases del transporte de sedimentos y el flujo (Papanicolaou,
2008).
2.3 Uso de la Modelación Computacional en Ingeniería de Ríos
Con el avance de la tecnología y en especial de los computadores, se han construido súper
procesadores que tienen la capacidad de desarrollar miles de operaciones en poco tiempo. Por lo
anterior, el uso de modelos numéricos en diversos campos, como ingeniería y ciencias, se ha
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incrementado en gran medida. Por otro lado, los procesos morfológicos y sedimentológicos son uno
de los procesos más complejos y menos entendidos en la naturaleza. Lo anterior, teniendo en
cuenta que los ríos afectan nuestras condiciones de vida y nuestro entorno. Por estos motivos, los
científicos e ingenieros han buscado mejorar las herramientas de análisis y estudio de estos ríos.
Anteriormente, las metodologías de investigación eran principalmente mediante modelaciones
físicas u observaciones, pero en los recientes años los modelos computacionales son los más
utilizados.
Los primeros usos de los modelos computacionales, en los años 50, fue el uso conjunto en pruebas
de laboratorio, en las cuales se medían las cambios sedimentológicos y morfológicos y se
comparaban con los resultados del modelo computacional. Sin embargo, no es sino hasta los años
80 y 90 en donde la investigación, en este campo, aumentó en gran medida. Por ejemplo, los
modelos de Thomas de 1980, Rahuel en 1989, Wu y Viera en el 2002, por dar algunos expositores,
fueron utilizados en estudios de sedimentación en ríos como modelos en 1D. Más recientemente,
en la última década, los modelos 2D y 3D se han posicionado como los modelos de más utilización,
en especial los modelos de 2 dimensiones. Estos modelos simulan el transporte de sedimentos y los
cambios morfológicos en un lecho fijo o uno movible, con condiciones artificiales o naturales.
Como todas las ciencias, los problemas en la modelación han ido de los más sencillos, hasta llegar a
problemas con una gran complejidad. En las etapas iniciales de la modelación, los modelos solo
podían considerar o carga de lecho o carga en suspensión con un solo tamaño de grano
representativo. Es preciso mencionar que en la realidad los sedimentos tienen diferentes tamaños
de grano, además, presentan características físicas diferentes, como la densidad y la forma; no solo
con esto, las características del transporte de sedimentos varían en base a las condiciones del flujo.
Por consiguiente, la modelación de ríos tiene una complejidad especial y las suposiciones, como: el
único tamaño de grano, el único modo de transporte, no considerar el cambio de partículas entre
carga de lecho y en suspensión, las cuales se realizan en muchos casos, se han encontrado muy
inadecuadas (Wang y Wu, 2004). Tradicionalmente, el transporte de sedimentos, especialmente la
carga del lecho se simulaba basándose en el supuesto de equilibrio local o instantáneo (saturación)
(Thomas, 1982; Spasojevic y Holly, 1993). Todo esto se ha modificado con el avance de la tecnología
y la creación de diferentes softwares de modelación en 2D y 3D con gran capacidad como: RMA2,
CCHE2D, HEC-RAS, RIVER2D, RIVERFLOW2D y Open TELEMAC-MASCARET, por dar algunos
ejemplos.
Open TELEMAC MASCARET, el software que se utiliza en este proyecto, ha sido utilizado
internacionalmente logrando obtener resultados razonables en diferentes campos como ríos,
costas, lagos, canales artificiales, pruebas de laboratorios, entre otros. Por ejemplo, Villaret y
Hervouet, en el año 2013, realizaron diferentes modelaciones en diferentes tipos de canales, las
cuales validaron mediante mediciones en laboratorio. TELEMAC-MASCARET fue utilizado
igualmente en Argentina, en el 2018, en el Río Madre de Dios, donde Cusipuma y Kuroiwa, validaron
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el comportamiento de un río meándrico con una corriente secundaria, el modelo se realizó con
lecho móvil en un tramo curvo. Esta validación se realizó por medio de un modelo físico y la posterior
simulación en TELEMAC. En un trabajo en conjunto de la Universidad de Oxford, la Universidad de
Pittsburgh y El Laboratorio Nacional de Hidráulica de Francia; se avaluó la capacidad del modelo,
TELEMAC compilado con SISYPHE, de simular la morfodinámica de un cauce meándrico, lo cual se
realizó en base a las condiciones que hacen que la curva de un meandro crezca o se contraída.
Notamos que los modelos TELEMAC2D y SISYPHE muestran satisfactoriamente la simulación en una
macro escala y una meso escala de la dinámica del lecho. (Langendoen, Wang, Mendoza, otros,
2016).
Una cosa en común de estos proyectos es que se realizaron asumiendo un lecho movible, lo cual se
debe a que se realizaron muy recientemente, sin embargo, esto no siempre fue así. Open TELEMAC
MASCARET, es un software de código abierto y sin costo alguno, lo cual lo hace una opción muy
buena para modelar el tramo del río. El hecho de que existan diferentes programas computacionales
para modelar un río, los cuales tienen mucha trayectoria internacional, como los que ya se han
mencionado, dificulta la selección del software. Por lo anterior, en este trabajo se seleccionó el
software por diferentes factores, los cuales puede ver en le Tabla 1, sin embargo, el principal motivo
de la selección fue la selección del mismo software que utilizó el profesor Bravo de la Universidad
Nacional, en el mismo tramo de río.
A continuación, se presenta la comparación y selección de software a utilizar, se le dio un peso
cuantitativo únicamente al soporte técnico, teniendo en cuenta que los softwares eran
desconocidos y aprender a usarlos es fundamental, además, que el modelo sea gratuito es
significativo. Estas fueron las comparaciones:
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Tabla 1. Comparación y Selección de Software Modelación
SoftWareCarga
suspendida
Carga de
lecho
Modificació
n Lecho
Método de
resolución Otro Costo
Código
abierto
Soporte
Técnico
(Foro)
River2D
Meyer
Peter
Muller,
Engelund-
Hansen,
Van Rijn-
Wilcock and
Crowe
Exner
Up-winding
(Galerkin
Finite
Element
Method+Co
efficient)
Efecto
helocoidal-
Inercia y
curvatura-
Pendinte
transversal-
Modelamie
nto Habitat-
Modificació
n Humana
Gratis NO 3
Telemac
Celik and
Rodi,
Zyserman
and
Fredsoe,
Bijker,
Rouse
Meyer-
Peter,
Einstein-
Brown,
Engelund-
Hansen,
Chollet and
Cunge, Van
Rijn, Bijker
Exner BIEF
Sedimentos
cohesivos y
no
cohesivos-
Pendiente
fondo-
Bancas
Rígidas-
Corrientes
secundarias
Gratis SI 5
RiverFlow
2DFlexible Flexible Flexible DF Flexible
1500
DOLARESNO 5
CCHE2D
Celik and
Rodi-Wu
and Wang
Wu and
WangWU
Strongly
Implicit
Procedure
(SIP).
Upwind
interpolatio
n
Distancia de
no
equilibrio-
Sedimentos
cohesivos y
no
cohesivos-
Pendientes
Esparcapad
as-Efecto
Helocoidal-
Paralelo
Version
gratis y
paga
NO 2
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2.4 Software Seleccionado Modelación: Open TELEMAC-MASCARET
El software TELEMAC-MASCARET es una poderosa herramienta de modelación que es usada en el
campo del flujo en superficie libre. Ha sido utilizada en cientos de trabajo alrededor del mundo, y
se ha vuelto un estándar en lo que respecta a modelos con una alta capacidad y aprobación
internacional.
TELEMAC es compuesto de varios módulos que cuentan con algoritmos, los cuales son resueltos con
diferencias finitas. El dominio del terreno se divide en nodos dados por una malla triangular no
estructurada, lo cual permite definir un mayor interés en áreas específicas.
Para la resolución numérica se usa una única librería (BIEF). Todos los módulos, como TELEMAC2D
y SISYPHE, resuelven sus procesos internos y se comunican con esta librería para que resuelva los
algoritmos, concernientes al método numérico de resolución.
Este software también cuenta con una interfaz gráfica para su pre y post procesamiento, lo cual
hace que proceso de la modelación sea más amigable y gráfica. Esta interfaz, está dada por
herramientas como BlueKenue y FUDAA, los cuales tienen grandes capacidades técnicas. En estas
herramientas se puede crear la malla computacional, en donde se asignan los nodos al terreno dado,
o programar los archivos de comandos para la modelación.
Como se mencionó, todos los módulos de TELEMAC se basan en una malla no estructurada y
algoritmos de elementos finitos. El software y manuales pueden ser descargados en el siguiente
sitio web: http://www.telemacsystem.Com. Una característica importante del software es su
capacidad de paralelismo de operaciones, lo cual permite realizar las modelaciones en varios
computadores o en una estación. El programa está escrito en Fortran 90, por lo cual se debe
compilar, y solo está disponible para los sistemas operativos Windows, Linux y Unix.
TELEMAC se compone de 12 módulos disponibles en el momento, estos se dividen en
hidrodinámica, sedimentos y, pre y post procesamiento. ARTEMIS es el módulo que resuelve la
agitación de ondas en puertos. MASCARET resuelve la hidráulica en flujo unidimensional.
TELEMAC2D y TELEMAC3D son los módulos que resuelven los flujos en dos y tres dimensiones,
respectivamente, en 2D resuelve las ecuaciones de Saint-Venant y en 3D las de Navier-Stokes.
TOMAWAC resuelve la propagación de ondas en una zona costera. SISYPHE calcula el transporte de
sedimentos en 2 y 3 dimensiones. SEDI3D calcula únicamente los sedimentos en suspensión para
una modelación en 3 dimensiones. Hay otros 5 módulos para el procesamiento, sin embargo, aún
están en desarrollo. Para este proyecto solo se utilizarán los módulos TELEMAC2D y SISYPHE, es
decir, se va a resolver la hidrodinámica y el transporte de sedimento en 2 dimensiones. Estos se van
a explicar a continuación
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2.4.1 Módulo de Modelación Hidrodinámica: Telemac 2D
TELEMAC2D simula flujos a superficie libre en 2 dimensiones. En cada nodo de la malla se calcula
altura de la lámina de agua y la velocidad en las dos direcciones. Telemac resuelve las ecuaciones
de Saint-Venant, por medio de elementos o volúmenes finitos en una malla triangular no
estructurada. Además, puede tener en cuenta diferentes factores físicos como:
Propagación de ondas largas, teniendo en cuenta efectos no lineales
Fricción de la cama
Influencia de la fuerza de Coriolis
Influencia de los factores meteorológicos: presión atmosférica y viento.
Turbulencia
Torrente y caudales
2.4.1.1 Ecuaciones de Saint-Venant
Las ecuaciones que resuelve TELEMAC2D son las ecuaciones del flujo a lámina libre en su forma no
conservativa:
Ecuación 7. Ecuaciones de Saint Venant en su forma no conservativa
𝜕𝜑ℎ
𝜕𝑡+ �⃗⃗� ∙ ∇(𝜑ℎ) + 𝜑ℎ∇ ∙ �⃗⃗� = 𝑆ℎ
𝜕𝑢
𝜕𝑡+ �⃗⃗� ∙ ∇𝑢 = −𝑔
𝜕𝐻
𝜕𝑥+ 𝑆𝑥 +
1
𝜑ℎ∇ ∙ (𝜑ℎ휀𝑠∇𝑢)
𝜕𝑣
𝜕𝑡+ �⃗⃗� ∙ ∇𝑣 = −𝑔
𝜕𝐻
𝜕𝑦+ 𝑆𝑦 +
1
𝜑ℎ∇ ∙ (𝜑ℎ휀𝑠∇𝑣)
Donde ℎ es la profundidad del flujo, 𝜑 es la porosidad local, ∇ es la divergencia actuando en un
campo vectorial o el gradiente actuando sobre un escalar, �⃗⃗� = (𝑢, 𝑣) es el vector de la velocidad
promedio en altura para las direcciones 𝑢 y 𝑣, en las direcciones 𝑥 y 𝑦 respectivamente, 𝑡 es el
tiempo, 𝑔 es la gravedad, 𝐻 es la altura de la lámina de agua, 휀 es la viscosidad de dada por el flujo
turbulento, finalmente, 𝑆ℎ , 𝑆𝑥 y 𝑆𝑦 son las pérdidas en el sistema para cumplir la conservación del
momento y la masa; estas pérdidas se dan por las fuerzas de fricción o escapes; sin embargo, 𝑆𝑥 y
𝑆𝑦 también comprende los esfuerzos por el viento, el efecto Coriolis y un escape del sistema
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2.4.1.2 Esfuerzo Cortante
El esfuerzo cortante generado por el lecho es con el cual se determina las pérdidas 𝑆𝑥 y 𝑆𝑦. Este
esfuerzo se calcula en cada iteración, de la velocidad promedio en profundidad. Este calcula con la
siguiente ecuación:
Ecuación 8. Cálculo del esfuerzo cortante por TELEMAC
𝜏𝑜 =1
2𝜌𝐶𝑑𝑈2
Donde 𝜌 es la densidad del fluido, 𝑈 es la velocidad promedio en profundidad y 𝐶𝑑es un coeficiente
de fricción.
𝐶𝑑 depende de la ley de fricción que se elija, en este caso se utilizará el coeficiente de Manning, por
lo cual este coeficiente tiene la siguiente forma:
Ecuación 9. Cálculo coeficiente de rugosidad en base a ley de fricción - Caso Manning
𝐶𝑑 =2𝑔
ℎ13
𝑛2
En donde 𝑔 es la gravedad, ℎ la altura del flujo y 𝑛 es el coeficiente de Manning que se ingresa como
parámetro o TELEMAC puede suponerlo.
2.4.1.3 Viscosidad Turbulenta
Por otro lado, para calcular el efecto dado por el esfuerzo turbulento de Reynolds, o viscosidad de
turbulencia, se usó el siguiente modelo, el cual se basa en un intercambio de energía cinética y
turbulencia de disipación, para lo cual las ecuaciones serían estas:
Ecuación 10. Modelo de creación y destrucción de energía en la turbulencia - Viscosidad turbulenta
𝜕𝑘
𝜕𝑡+ �⃗⃗� ∙ ∇(𝑘) =
1
ℎ𝑑𝑖𝑣 (ℎ
𝑉𝑡
𝜎𝑘∇⃗⃗ 𝑘) + 𝑃 − 휀 + 𝑃𝑘𝑣
𝜕휀
𝜕𝑡+ �⃗⃗� ∙ ∇(휀) =
1
ℎ𝑑𝑖𝑣 (ℎ
𝑉𝑡
𝜎𝜀∇⃗⃗ 휀) +
휀
𝑘(𝑐1𝜀𝑃 − 𝑐2𝜀휀) + 𝑃𝜀𝑣
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Donde 𝑘 representa la energía dada por turbulencia y 휀 es la disipación turbulenta. Los términos de
la derecha representan la producción y pérdida de energía.
2.4.1.4 Ajuste de Boussinesq
Las ecuaciones de Saint-Venant están calculadas en el caso de que exista precesiones hidrostáticas.
Por lo anterior, ante la eventualidad de que esta suposición sea importante, se puede aplicar
diferentes métodos para corregirlo. Uno de estos métodos es el coeficiente de Boussinesq o Serre.
En este caso se utilizará el método el Boussinesq, por esto, se debe agregar los siguientes términos
al lado derecho de las ecuaciones de Saint-Venant:
Ecuación 11. Ajuste del coeficiente de Boussinesq para la ecuación de Saint Venant
−𝐻𝑜
2
6𝑔𝑟𝑎𝑑⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ [𝑑𝑖𝑣 (
𝜕�⃗�
𝜕𝑡)] +
𝐻𝑜
2𝑔𝑟𝑎𝑑⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ [𝑑𝑖𝑣 (𝐻𝑜
𝜕�⃗�
𝜕𝑡)]
Una descripción completa de la teoría, correspondiente a la corrección de Boussinesq y su
modificación en las ecuaciones de Saint-Venant, es dada en el libro “Hydrodynamics of free Surface
flows” de Jean-Michael Hervouet (Wiley, 2007).
2.4.1.5 Requerimientos de TELEMAC
A este módulo se le deben dar mínimo tres archivos de texto con la información que requiere. El
primero de estos es el de comando que da las instrucciones o decisiones que el modelo debe tomar,
el segundo archivo representa la geometría o topografía del sitio de análisis, finalmente, el tercer
archivo describe las condiciones de frontera del modelo. A pesar de que estos son los tres archivos
básicos, existen otros 15 tipos de archivos que se pueden incluir, como lo son el archivo de la fricción
del lecho, archivos para los límites líquidos por hidrogramas o curvas de altura caudal, archivos
Fortran en caso de querer programar alguna característica especial en el modelo, archivo de
secciones de control, archivo para una computación previo o un inicio rápido, entre otros tipos de
archivos de texto. Estos documentos se usan según la especificidad y detalle que se quiera tener en
la modelación.
El modelo debe tener condiciones iniciales bien establecidas, éstas se ponen en el documento de
comandos, por medio de números o mediante una computación previa.
En cuanto a las condiciones de frontera se asignan a los nodos extremos del dominio. Estas se
asignan en su documento correspondiente y consiste en una serie columnas con números, los cuales
representan tipos diferentes de frontera, como Neumann Nula o Dirichlet No Nula. (Ver Ilustración
1)
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Ilustración 1. Ejemplo de documento de condiciones de frontera
En el documento de comandos se debe especificar la duración de la simulación, los criterios para
que se detenga la simulación si se llega a tener ciertos valores, también se pueden crear sección de
control para calcular el caudal que pasa por ellas. En el documento de comandos se especifica que
factores se quieren tener en cuenta, como la pendiente, o corrientes secundarias, el efecto Coriolis,
la ley de fricción, entre otros parámetros que se deben especificar, si no se especifica el software
utiliza el que tiene por default.
2.4.2 Módulo de modelación de Sedimentos: SISYPHE
2.4.2.1 Evolución Lecho
El módulo SISYPHE calcula el transporte de sedimentos y la evolución en la morfología del cauce.
Calcula los cambios temporales en el lecho usando la ecuación de Exner e incorpora las fórmulas
más comunes para el transporte de sedimentos. Con estas fórmulas calcula la carga por unidad
volumétrica del transporte de sedimentos 𝑄𝑏. La evolución del lecho está dada por la ecuación de
Exner, la cual es representada de la siguiente forma:
Ecuación 12. Ecuación de Exner o de evolución del lecho
𝜕𝑍𝑏
𝜕𝑡= −
1
1 − 𝜆∇ ∙ �⃗� 𝑏
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Donde 𝜆 es la porosidad del material de lecho, 𝑍𝑏 es la evolución del lecho, �⃗� 𝑏 = (𝑄𝑏𝑥 , 𝑄𝑏𝑦) es el
vector de la carga de sediemntos en la dirección 𝑥 y 𝑦 respectivamente.
2.4.2.2 Efecto de la Pendiente
Usualmente la carga de sedimentos tiene la misma dirección que flujo, sin embargo, en ríos
meándricos o ramificados esto varía, lo cual modifica no solo la dirección, sino la magnitud de la
carga transportada (Langendoen y Wang, 2016). SYSIPHE usa la formulación de Koch y Floktra para
corregir la magnitud, de la carga de sedimento, por el efecto de la pendiente. Esta fórmula de
corrección es la siguiente:
Ecuación 13. Ajuste en la dirección del transporte de sedimentos debido a la pendiente del terreno
𝑄𝑏
𝑄𝑏𝑜− (1 − 𝛽
𝜕𝑍𝑏
𝜕𝑠)
Donde 𝑄𝑏 es la carga correcta carga de sedimentos, 𝑄𝑏𝑜 es la carga incorrecta de sedimentos, 𝑍𝑏 es
la evolución del lecho, 𝑠 es la dirección del flujo y 𝛽 es un factor empírico.
La pendiente no solo modifica la magnitud, también la orientación. Para el ajuste en la dirección de
la carga de sedimentos, TELEMAC utiliza la siguiente fórmula:
Ecuación 14. Ajuste en la magnitud del transporte de sedimentos debido a la pendiente del terreno
tan ∝ − tan 𝛿 −2
3𝜃∙𝜕𝑍𝑏
𝜕𝜂
Donde 𝛼 es la dirección del transporte de sedimentos, la cual es relativa a la dirección del flujo
promedio en profundidad, 𝛿 es la dirección del esfuerzo cortante, el cual es relativo al flujo principal,
finalmente, 𝜂 es la dirección normal del flujo y 𝑍𝑏 es la evolución del lecho.
2.4.2.3 Corrientes Secundarias
Por otro lado, cuando en el cauce existe la presencia de corrientes secundarias, como en este caso,
se genera una variación en la dirección del esfuerzo cortante en el lecho. Por lo anterior, se debe
establecer una formulación que solucione esto. Para resolver esto, se utilizó la formulación dada
por Engelund, la cual es la siguiente:
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Ecuación 15. Ajuste por la presencia de corrientes secundarias dado por una aceleración centrípeta
tan 𝛿 − 7ℎ
𝑅𝑐
Donde 𝛿 es la dirección del esfuerzo cortante, 𝑅𝑐 es el radio de curvatura, el cual genera que haya
un flujo secundario y ℎ es la profundidad del flujo.
2.4.2.4 Rugosidad de Formas
En cuanto a la rugosidad, TELEMAC tiene una distinción en cuanto rugosidad de grano y de forma,
en caso de la presencia de formas en el lecho la rugosidad se modifica y, por ende, el esfuerzo
cortante, como se muestra a continuación:
𝜏𝑜 = 𝜏′ + 𝜏′′
Donde 𝜏𝑜 representa el esfuerzo total, 𝜏′ es el esfuerzo dado por rugosidad de grano y, finalmente,
𝜏′′ es esfuerzo por rugosidad de forma. Es preciso decir que para determinar la carga de lecho y la
concentración de equilibrio se utiliza únicamente la rugosidad de grano y, por otro lado, la rugosidad
total determina la velocidad de advección o viscosidad de turbulencia y, además, con la rugosidad
total se determina los perfiles de velocidad y el perfil de concentración.
2.4.2.5 Transporte de Sedimentos
El transporte de sedimentos se puede dar de dos formas, en suspensión o por arrastre, por esto
TELEMAC divide la carga en estos dos modos de transporte. La carga total de sedimentos está dada
por la suma de la de suspensión y la de lecho.
Carga en Suspensión: Es la sumatoria del flujo de sedimentos, a lo largo de la profundidad, desde
la capa superior de la capa de carga de lecho hasta la superficie de la lámina de agua.
Para resolver esta carga se resuelve la ecuación de 2 dimensiones de advección y difusión. Para
encontrar la teoría a fondo de estas ecuaciones puede consultar “Manual of Practice 54,
Sedimentation Engineering” (García M., 2006). A continuación, se presenta la forma no conservativa
de esta ecuación:
Ecuación 16. Ecuación de advección y difusión en 2 dimensiones
𝜕ℎ𝐶
𝜕𝑡+
𝜕ℎ𝑈𝐶
𝜕𝑥+
𝜕ℎ𝑉𝐶
𝜕𝑦=
𝜕
𝜕𝑥(ℎ휀𝑠
𝜕𝐶
𝜕𝑥) +
𝜕
𝜕𝑦(ℎ휀𝑠
𝜕𝐶
𝜕𝑦) + 𝐸 − 𝐷
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Donde 𝐶 = 𝐶(𝑥, 𝑦, 𝑡) es la concentración de sedimentos en suspensión, la cual se expresa en
porcentaje, 𝑈 𝑦 𝑉 son las velocidades promedio en profundidad, en las direcciones 𝑥 y 𝑦
respectivamente, 휀𝑠 es la difusividad turbulenta del sedimento, muy similar a la viscosidad de
turbulencia y ℎ es la profundidad del flujo.
La rata de no cohesión es igual a 𝐸 = 𝑤𝑠𝐶𝑒𝑞, en donde 𝐶𝑒𝑞 es la concentración de equilibrio. El perfil
de concentración se calcula mediante la formulación de Rouse, la cual es la siguiente:
Ecuación 17. Perfil de concentración de sedimento en suspensión. Ecuación de Rouse
𝐶(𝑧) = 𝐶𝑧𝑟𝑒𝑓(𝑧 − ℎ
𝑧
𝑎
𝑎 − ℎ)𝑅
𝑅 =𝑤𝑠
𝜅𝑢∗
Donde 𝜅 es la constante de Von Karman, igual a 0.4, 𝑢∗ es la velocidad de corte, 𝑎 es el límite
superior de la capa donde ocurre el transporte de lecho, ℎ es la profundidad del flujo, 𝑤𝑠 es la
velocidad de asentamiento y 𝑅 es el número de Rouse.
Carga de lecho: Es el flujo de sedimentos que ocurre en una delgada capa muy pegada al lecho.
Se utilizó la formula de Van Rijn, debido a la gran utilización que ha tenido en ríos con sedimentos
de bajo tamaño en su vida media. Además, esta fórmula es a la que mejor se acopla el tamaño de
los sedimentos del proyecto, los cuales van de 315 a 400 micrómetros de diámetro. La fórmula de
Van Rijn es válida para un material que tenga un rango de diámetro igual a 𝑑50 = [0.2 − 2] 𝑚𝑚. La
carga adimensional se calcula mediante la siguiente fórmula:
Ecuación 18. Fórmula de transporte de sedimentos por arrastre de Van Rijn
𝜙𝑏 = 0.053𝐷∗−0.3 (
𝜃 − 𝜃𝑐𝑟
𝜃𝑐𝑟)2.1
Esta carga se expresa se vuelve dimensional mediante la siguiente expresión:
Ecuación 19. Factor de carga adimensional que utiliza SISYPHE para unificar resultados de fórmulas
𝜙𝑏 =𝑄𝑏
√𝑔(𝑠 − 1)𝑑3
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2.4.2.6 Parámetro de Shields
El parámetro de Shields se puede especificar como cuantificación en el documento de comandos o
puede ser calculado por el modelo según el diámetro adimensional. Si se elige la opción en donde
SISYPHE calcula el esfuerzo de Shields, el programa usa la siguiente expresión:
Ecuación 20. Cálculo del diámetro adimensional
𝐷∗ = 𝑑50 [(𝜌𝑠
𝜌− 1)
𝑔
𝑣2]
13
Ecuación 21. Cálculo del esfuerzo crítico o Parámetro de Shields
𝜏𝑐
𝑔(𝜌𝑠 − 𝜌)𝑑50=
0.24𝐷∗−1 , 𝐷∗ ≤ 4
0.14𝐷∗−0.64 , 4 < 𝐷∗ < 10
0.04𝐷∗−0.1 , 10 < 𝐷∗ < 20
0.013𝐷∗0.29 , 20 < 𝐷∗ < 150
0.045 , 150 ≤ 𝐷∗
Donde 𝐷∗ representa el diámetro adimensional, 𝑑50 es el diámetro medio del grano de sedimentos,
𝜌 es la densidad del agua, 1000𝑘𝑔
𝑚3 por defecto, 𝜌𝑠 es la densidad de los sedimentos, 2650𝑘𝑔
𝑚3 por
defecto, 𝑔 es la gravedad, 𝑣 es la viscosidad cinemática, 1.0𝑥10−6 𝑚2𝑠−1 por defecto y 𝜏𝑐 es el
esfuerzo crítico de Shields.
2.4.2.7 Velocidad de Asentamiento
Al igual que el esfuerzo cortante de Shields. La velocidad de asentamiento puede ser determinada
directamente por el usuario en el documento de comando o puede ser calculada por SISYPHE
mediante la siguiente ecuación:
Ecuación 22. Condiciones para el cálculo de la velocidad de asentamiento mediante SISYPHE
𝑤𝑆 =
(𝑠 − 1)𝑔𝑑502
18𝑣, 𝑠𝑖 𝑑50 ≤ 10−4
10𝑣
𝑑50 (√1 + 0.01
(𝑠 − 1)𝑔𝑑503
18𝑣2− 1) , 𝑠𝑖 10−4 ≤ 𝑑50 ≤ 10−3
1.1 √(𝑠 − 1)𝑔𝑑50 , 𝑅𝑒𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑎𝑠𝑜𝑠
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Donde 𝑤𝑠 es la velocidad de asentamiento, 𝑑50 es el diámetro medio del grano de sedimentos, 𝑣 es
la viscosidad cinemática, 1.0𝑥10−6 𝑚2𝑠−1 por defecto, 𝑔 es la gravedad y 𝑠 =𝜌𝑠
𝜌 la densidad relativa
del sedimento respecto al agua.
AL igual que TELEMAC, SISYPHE utiliza tres archivos para su funcionamiento. El primero de estos
archivos es el de comandos, donde se selecciona las decisiones e instrucciones que seguirá el
modelo, concerniente al transporte de sedimentos como: el diámetro medio, fórmulas a utilizar de
transporte de sedimento, sea en arrastre o en suspensión, constantes y parámetros como el
esfuerzo de Shields y la velocidad de asentamiento, secciones de control para verificar la evolución
del lecho, entre otros comandos que puede tomar el modelo. El segundo de estos archivos es el de
las condiciones de frontera, este es un documento de texto igual al que se ingresa en TELEMAC, sin
embargo, tiene valores diferentes debido a que aquí se deben poner condiciones de fronteras
distintas que en la hidráulica. Finalmente, el tercer archivo tiene la malla computacional, es decir
crea todos los nodos con unas características de altura y de rugosidad determinadas, este archivo
se crea mediante la interfaz gráfica BlueKenue. Además de esto, SISYPHE debe contar con la
hidráulica del modelo, es decir con la velocidad y altura de cada nodo, la cual arroja TELEMAC. Estos
tres archivos son los básicos para que el programa pueda funcionar, pero existen otro tipo de
archivos para crear situaciones más detalladas por el usuario.
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3 CASO DE ESTUDIO: RÍO ARAUCA – SECTOR BOCA GAVIOTAS
Se eligió el Río Arauca, ubicado en el noreste de Colombia (Ver Ilustración 2), para realizar la
modelación numérica mediante TELEMAC. Este sitio fue seleccionado por la importancia que tiene
su investigación, debido a su posición fronteriza y a las inundaciones que ocurren en la zona. Sin
embargo, es un río del cual no se cuenta con información pública relevante, con la cual realizar un
estudio apropiado. Se seleccionó el sector Boca de las Gaviotas, aproximadamente 20 kilómetros
río abajo del Municipio de Arauquita, ya que este punto presenta cambios morfológicos relevantes,
los cuales el Estado quiere revertir mediante una estructura hidráulica. Por lo anterior, La Boca de
las Gaviotas representa una convergencia de causales de investigación, como lo son: las
inundaciones del sector, la limitación fronteriza, el poco estudio que se tiene de este río, la variación
morfológica del cauce y la futura intervención hidráulica, entre otros. La combinación de estos
factores brinda la procedencia de modelar y evaluar mediante el software TELEMAC, con un interés
académico, el Río Arauca en el sector Boca de las Gaviotas.
Ilustración 2. Mapa de Colombia. Localización general. Ubicación y zona de estudio.
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3.1 Cuenca del Río Arauca y Antecedentes
El Río Arauca nace en Colombia en la cordillera oriental y desemboca en Venezuela en el Río
Orinoco. La vertiente del Arauca nace en el Páramo del Almorzadero a 4000 msnm, cerca al Nevado
del Cocuy, y luego desciende sobre toda la llanura colombiana, zona de morfología
predominantemente plana, mientras recibe las aguas de otras corrientes. El Río Arauca presenta un
cauce de llanura aluvial de comportamiento morfológico particular, con una tendencia inusual hacia
la divagación y la difluencia, particularmente durante los flujos de avenidas. Sin embargo, el cauce
principal del río se comporta, básicamente, como un rio meándrico a sinuoso y luego recto unicanal.
(Moreno J, 2014). La cuenca del Río Arauca se puede dividir en tres: cuenca alta, media y baja. En
este estudio, el Sector la Boca de las Gaviotas se encuentra ubicado en la cuenca baja (Ver Ilustración
3), sin embargo, está muy cercano a la cuenca media. La cuenca baja va desde el municipio de
Arauquita hasta su desembocadura en el Orinoco.
Ilustración 3. Mapa de Arauca. Localización específica. Ubicación sector de estudio.
3.1.1 Hidrología
En la cuenca del Río Arauca juegan un papel importante los vientos alisios y la existencia de la
barrera topográfica de la cordillera oriental, cuyo efecto combinado del sistema de circulación
atmosférica con el relieve determina los rasgos climáticos de la zona (Moreno J, 2014). La
distribución temporal de precipitación tiene un comportamiento unimodal, en donde los meses de
diciembre a marzo representan el periodo seco y el otro periodo, compuesto por el resto del año,
se caracteriza por un clima húmedo con lluvias principalmente en los meses de abril a julio. En estos
meses de lluvia se despide el 60% de la precipitación anual, siendo el mes de julio el más lluvioso,
con lluvias de hasta el 20% del total de la precipitación (Lab. Hidráulica U. Nacional, 1999). En
general, en esta cuenca se tienen grandes precipitaciones en el lado oeste, en su nacimiento cerca
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de la cordillera, donde se alcanzan precipitaciones de hasta 5000 milímetros por año. En cuanto al
lado este, donde se encuentra el sector de estudio, en la cuenca media y baja, se presentan valores
con un orden de 1500 milímetros por año.
En la parte baja de la cuenca se presentan caudales uniformes, es decir que en la parte baja existe
un mayor aporte de aguas subterráneas y al efecto de amortiguamiento. Los datos obtenidos
permiten mostrar que luego de la difluencia del Brazo Bayonero, se nota una pérdida de caudal del
20 %, el cual es evacuado a través de las difluencias y que indica claramente la capacidad de
desbordamiento que tiene el río Arauca en este sector (Moreno J., 1998). No se cuenta con
información hidrometeorológica en el sector Boca de las Gaviotas. Además, no se encuentran
estaciones activas del IDEAM cerca de la zona. Por lo anterior, no es posible realizar una
caracterización precisa de la hidrología del sector de estudio. El IDEAM cuenta con una estación
limnigráfica en la cuenca media, la más cercana a la zona de estudio, la Estación el Alcaravan, la cual
muestra que para caudales altos existe la tendencia a reducir su valor rápidamente, indicando que
la zona se comporta como una planicie de inundación. Por otro lado, con caudales mínimos, el río
suele mantener estos caudales bajos con flujo base de aproximadamente 20 𝑚3
𝑠 (Martinez A, 2014).
3.1.2 Geología
Todo este sector del noreste de Colombia es conocido por la alta actividad petrolera, estas
características en la estratigrafía del subsuelo se presentan principalmente sobre el Río Arauca
(Molina, 1991). Y, superficialmente, se encuentran depósitos aluviales originados en el cuaternario.
Para consultar en detalle la geomorfología del cuaternario puede consultar “Geología,
geomorfología y dinámica fluvial. Estudio del Río Arauca internacional”. Sin embargo, en general,
estos depósitos consisten en materiales erosionados de la Cordillera Oriental que se depositaron a
lo largo de los llanos y formaron abanicos y terrazas aluviales en el terreno. Aunque la cuenca del
Arauca tiene fallas que pueden afectar la dirección del río, no se ha podido apreciar su efecto
superficialmente. No obstante, estas fallas pueden tener importancia en los cambios morfológicos
en los últimos 500 años. La dirección principal de estas fallas se encuentra en la Cordillera Oriental
de noreste a sureste y tiene carácter compresional. Las fallas más importantes son la Falla de Yopal,
la Falla de Guaicáramo y la Falla de Tame-Corozal, que son fallas inversas, paralelas al eje de la
Cordillera Oriental y tienen buzamiento al occidente, (Estudios Y Asesorías 1989).
3.1.3 Análisis Morfodinámico y Dinámica Fluvial
El Río Arauca ha presentado una divagación de sur a norte desde 1945, esta divagación se da desde
los Bajos de Lipa, en Colombia, hasta la cuenca del Río Sarare-Apure en Venezuela (Moreno 1998).
Esta divagación o comportamiento que tiene este sector representa a la morfología generalizada de
este río. En la cual, su principal característica es la difluencia en cono o delta, cuyo eje inicial o ápice
se encuentra aproximadamente en Arauquita y se va expandiendo poco a poco (Ver Ilustración 4).
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Se ha establecido la geomorfología como el producto de los diferentes procesos morfodinámicos,
asociados a los cambios de dinámica fluvial tan intensos que se han registrado. (Moreno J, 2014).
Según Moreno, quien estudio mediante fotos satelitales los cambios morfológicos del Río Arauca y
lo relacionó con las fallas existentes, su análisis no muestra una concordancia entre las fallas
definidas en el subsuelo, y los cambios morfodinámicos que tuvo el río, por lo cual resulta más
probable que estos cambios sean debidos a un comportamiento netamente dinámico, es decir el
proceso de transporte y depósito de la carga sólida en la llanura aluvial.
Ilustración 4. Imagen de Radar en 1972 de la zona de estudio. Se aprecia como desde Arauquita se va forma un delta
3.2 Sector de Modelación: Boca de las Gaviotas
El sector Boca de las Gaviotas se encuentra aproximadamente 20 kilómetros aguas debajo del
Municipio de Arauquita, Colombia. En los años 2016 y 2017 se realizaron campañas conjuntas de
recolección de datos, las cuales fueron lideradas por el IDEAM, y que buscaban obtener información
del sector por medio de aforos sólidos y líquidos. Estas campañas clasificaron los resultados en tres
grupos: aforos líquidos y perfiles transversales, aforos sólidos y curvas granulométricas y,
finalmente, gradientes hidráulicos. Para el caso se estudió se cuenta con esta información, ya
mencionada, en tres puntos: Antes de la bifurcación del Brazo Reinera y en los dos brazos justo
después de la bifurcación, el Brazo Gaviotas y el original Reinera (Ver Ilustración 5).
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Ilustración 5. Esquema de la ubicación de las mediciones que se realizaron en los años 2016 y 2017
De los brazos identificados con los números 8,9 y 10 es de donde se utilizaron los datos para realizar
el modelo computacional. A continuación, se presenta una foto del lugar exacto de la modelación.
Es preciso mencionar que esta foto es de Google Maps, y en ella se logra apreciar que el sector de
análisis está exactamente en la intersección entre dos fotos satelitales. Por esto, se puede apreciar
otro verde en la naturaleza y en el río entre ambas fotos. La foto más reciente es la de abajo, donde
se puede ver que la entrada al Brazo Reinera ya está sedimentada y su sección transversal es mucho
más pequeña. En la siguiente imagen también se encuentran marcados con puntos amarillos el lugar
de los aforos:
Ilustración 6. Zona de estudio detallada con los puntos de donde se tiene información de aforos líquidos y sólidos
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3.2.1 Información Disponible del Sitio de Estudio
Durante las dos campañas que realizó el IDEAM en los años 2016 y 2017 se midieron las mismas
variables. Se realizaron aforos líquidos y sólidos en los 3 puntos. Por lo cual, se tienen 3 batimetrías
y 3 aforos para cada año de estudio. La primera campaña del año 2016 se realizó en el mes de
agosto, por lo cual se acababa de terminar la época de lluvias intensas. En cuanto a las mediciones
del año 2017, se realizaron en el mes de marzo, por lo cual acababa de terminar el periodo seco e
iban a empezar las precipitaciones anuales. Por lo anterior, no se cuenta con ninguna medición
realizada en épocas de caudales máximos, siendo la del año 2017 la que más se acerca a este
propósito. En estas mediciones se utilizó una estación total, dada por el IGAC, para establecer la
cota 0 y las coordenadas de las mediciones. Estas coordenadas se establecieron como coordenadas
esféricas que luego se ajustaron mediante ArcGis para trabajar todas las coordenadas en TRAVERSE
MERCATOR.
Para las mediciones de caudal líquido se utilizó el perfilador de corriente ADP M9 de última
tecnología, el cual trabaja con un sistema de 9 transductores, con 2 conjuntos de 4 haces de perfiles
(cada conjunto tiene su propia frecuencia), 1 haz vertical y un sensor de temperatura. Internamente
posee una brújula, dos sensores de movimiento y memoria de 8 GB (Ver Ilustración 7). Los
resultados que arroja el modelo permiten el cálculo del aforo líquido y la batimetría de la sección
transversal (Ver Ilustración 9).
Ilustración 7. Mediciones realizadas para aforos líquidos en campañas IDEAM
Las muestras para la obtención del caudal sólido, se realizaron utilizando el método de bolsa
plegable, el cual integra en la vertical la muestra de agua y mediante un tamiz de 63 micras permite
obtener dos muestras para ser analizadas en laboratorio y así calcular la concentración media y el
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transporte total de sedimento en suspensión. Para los sedimentos de lecho se utilizó una draga y
luego se recolecto el material (Ver Ilustración 8).
Ilustración 8. Mediciones realizadas para aforos sólidos en campañas IDEAM
Mediante estos aforos se midió la altura de la lámina de agua, los caudales líquidos que circulaban
en el momento del aforo, la carga de sedimentos en suspensión y lecho, las batimetrías con
coordenadas, la cota 0 medida por el IGAC, curvas granulométricas y el gradiente hidráulico que se
genera en el cauce, este último se calcula ya que se realizaron medidas a lo largo de toda la cuenca
media del Río Arauca. Es preciso decir que estos aforos, aunque siguieron todas las
recomendaciones pertinentes por los proveedores de los equipos, tienen una incertidumbre
intrínseca de errores humanos y sistemáticos. Además, se debe tener en cuenta que un río en un
ente muy complejo, el cual puede presentar mediciones muy diferentes, en la altura de la lámina o
en la carga de los sedimentos, en un mismo punto, pero en diferentes periodos temporales, aunque
sean cortos (Díaz M,2018). Por lo anterior, al realizar la modelación se debe tener en cuenta esta
incertidumbre y no intentar “sobre calibrar” el modelo, con el objetivo de lograr los mismos
resultados que los aforos.
Ilustración 9. Ejemplos de las batimetrías de los aforos con ADCP para los años 2016 y 2017.
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3.2.2 Dinámica Fluvial Histórica en el Tramo de Estudio
La irregularidad en la morfología del río inicia aguas abajo del Municipio de Arauquita, cerca de la
Falla El Rubí que está a una profundidad sísmica. En este punto el río pierde todo su confinamiento
y empieza a divergir en diferentes brazos y, no solo eso, también empieza a divagar en pequeños
afluentes, inclusive con caudales bajos. En algunos casos genera brazos importantes como el Brazo
Bayonero, el Río Viejo y el Brazo Reinera.
La morfología de la llanura aluvial del río, aguas abajo de Arauquita, presenta numerosos relictos de
paleocauces del río, los cuales están flanqueados por diques naturales y que hoy constituyen
estructuras de confinamiento parcial. Estas estructuras ayudan a encauzar y dirigir los flujos de
desbordamiento sobre la planicie aluvial del río en épocas de aguas altas. (Moreno J, 2014). Por
medio de las imágenes satelitales se puede apreciar que el río, de cierta forma, está presentando
un comportamiento deltaico mediante estas divergencias y difluencias. También se puede observar
que el río parece seguir la dirección de la falla de dirección NO-SE previamente mencionada. Sin
embargo, en palabras del profesor Moreno:
Es más probable pensar en que los cambios ocurridos en este tramo son originados más por
cambios en el comportamiento morfodinámico del paleocauce del Arauca que migra desde
la zona denominada bajos del Lipa en territorio colombiano, hasta la cuenca de los Ríos
Sarare - Apure en Venezuela, como lo demuestra el análisis foto interpretativo de dinámica
fluvial detallado presentado. (p. 10)
Ilustración 10. Imagen satelital Río Arauca tramos desde Arauquita hasta Arauca
Es de destacar, igualmente, la formación del Brazo Bayonero en las décadas del 40 y 50. Esto ocurrió
por un intenso socavamiento de la orilla y aún no se conocen causas externas. Actualmente el brazo
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Bayonero presenta una colmatación, esto se debe al dragado que se hizo de 1976 a 1982 y a la
construcción de espolones por el Estado, con el fin de cerrar esta divergencia del cauce original. La
aparición del Brazo Bayonero generó que la isla gaviotas se volviera más grande pues ahora tenía la
porción de tierra que encerró este brazo. Por otro lado, el comportamiento del Brazo Gaviotas
siempre ha variado en base al comportamiento del Brazo Bayonero. Moreno en su análisis menciona
que debido a que el Bayonero se está cerrando, el Brazo Gaviotas está creciendo como
consecuencia. En otras palabras, el cierre del Bayonero hace que el Gaviotas ensanche su cauce,
aumente el caudal y se vuelva el cauce principal
Lo anterior es realmente importante, ya que puede ser posible que una modificación o intervención
en el actual Brazo Bayonero pueda resultar mejor que una intervención en el Brazo Gaviotas,
teniendo en cuenta que el proceso puede resultar más económico.
Para finalizar, debido a la actividad petrolera, donde se genera actividad sísmica, se han reforzado
las fallas del subsuelo, las cuales parecen dirigir de cierto modo la dirección del Río Arauca. Sin
embargo, no hay pruebas fehacientes de que la morfología actual, es adquirida por acción
netamente tectónica (Moreno J, 2014). Por lo anterior, es preciso decir que este cambio también se
debe a una actividad fluvial muy intensa. Principalmente, a partir de la población de Arauquita,
donde el río toma su forma deltaica sobre la planicie aluvial y cambia su curso de manera intensa.
Por lo anterior, el río puede migrar de un país a otro en diferentes momentos. Lo cual hace
importante su estudio y modelación, con el fin de controlar efectos de sedimentación, natural o
antrópica y controlar las orillas para mitigar la socavación lateral.
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4 METODOLOGÍA
Como se mencionó en la sección 3.2.1 de este documento, se cuenta con los aforos que se realizaron
en los años 2016 y 2017, para época seca y época de lluvia respectivamente. Estos aforos son de 3
secciones en cada año, una para cada brazo implicado, por lo que se tiene un total de 6 aforos. El
tramo de modelación es de aproximadamente 800 metros entre el brazo Reinera y Reinera Gaviotas,
y 200 metros del brazo Reinera Reinera. Aunque se tenía 6 batimetrías, estaban en diferentes etapas
temporales, por esto solo se utilizaron las tres tomadas en el año 2017, ya que eran las más recientes
y, además, se tomaron durante época de lluvia, la cual es la más constante en la zona. Aunque las
tres batimetrías representan de manera adecuada la parte recta del tramo, en la intersección de los
tres brazos se presenta una gran incertidumbre, intrínseca de la interpolación de los puntos.
Además, los brazos presentan una topografía muy distinta entre ellos, lo cual vuelve más complejo
el proceso de interpolación. Por lo anterior, se considera que es importante conocer con más detalle
la batimetría en la intersección de los brazos. Por otro lado, no se tiene información hidrológica
apropiada, con la cual se puedan generar datos para el modelo. Es preciso aclarar que no hay
ninguna estación del IDEAM en el sector con mediciones limnimétricas, con la cual se pueda generar
una curva de descarga.
4.1 Procesamiento Información Inicial y Creación Topo-Batimetría:
ArcGIS
Se utilizaron las tres batimetrías del IDEAM, junto con un DEM de Colombia de una resolución de
12.5 m x 12.5 m. Se convirtieron los archivos suministrados por el IDEAM con terminación “.rivr”,
en archivos que se utilizan mediante softwares de georreferenciación como lo son de tipo DEM, TIN
o como una capa. Estos archivos se combinaron con el DEM disponible y se determinó la topografía
del sector de análisis. Estos datos se reunieron mediante una serie de puntos con coordenadas en
una capa en ArcGIS, luego, esta capa se convirtió a un archivo de texto de formato xyz para su
utilización con el software BlueKenue. Este último programa crea la malla computacional a partir
del archivo xyz. En esta malla computacional también está la rugosidad de cada sector del río, esta
rugosidad se determina mediante polígonos en ArcGIS que se asocian con la topografía mediante
una superposición.
4.1.1 Procesamiento Archivos ADCP: Software RiverSurvey
La información suministrada por el IDEAM consistía en los archivos que arroja el hardware del ADCP,
con el cual se realizan los aforos. Este ADCP cuenta con un software llamado WinRiver para su
utilización en campo. Mediante WinRiver se crean archivos con una terminación “.rivr”. Estos
archivos, para su post procesamiento, se deben abrir y utilizar mediante el software RiverSurvey
(Ver Ilustración 11).
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Ilustración 11. Software para trabajo en campo: WinRiver y software para post procesamiento: River Survey
En este programa, RiverSurvey, se utiliza la información y se puede exportar a diferentes formatos.
En este caso se exportó la batimetría, con sus coordenadas, a una hoja de Excel, la cual se utilizó
para importar los datos a ArcGIS. Además, mediante el ToolBox “Velocity Mapping ToolBox” se
importaron las batimetrías a Matlab. Mediante Matlab se vieron las batimetrías y el resultado de la
interpolación de estas, con diferentes métodos como “Natural Neighborhood” o “Skirt”; además, se
corrigieron errores en los datos debidas a fallas instrumentales. Lo anterior, se realizó ya que con
esta herramienta se podían graficar las batimetrías y detectar las inconsistencias en los datos
visualmente (Ver Ilustración 12). En conclusión, en esta fase se convirtió los archivos iniciales, a un
archivo de Excel que contenía todos los puntos de las batimetrías en sus tres coordenadas.
Ilustración 12. Mediante software Matlab: Análisis métodos de interpolación y corrección de puntos inconsistentes
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4.1.2 Procesamiento Batimetría Excel a Topo-Batimetría del Sector de Modelación:
ArcGIS
El archivo de Excel se importó a ArcGIS, esto se hizo como una serie de puntos. En cuanto al DEM,
es un raster que contiene las elevaciones del terreno. En la Ilustración 13 puede ver las dos capas,
el DEM de 12.5 m x 12.5 m y los puntos que representan las batimetrías de las secciones trasversales.
En la primera parte de esta ilustración se encuentra el DEM como raster y las 6 batimetrías, en la
segunda imagen se pude ver que el DEM, además de estar como raster, se encuentra como puntos
y, finalmente, en la tercera imagen se ve el polígono correspondiente al cauce del río.
Ilustración 13. Proceso de manejo de información inicial para la interpolación de la Topo Batimetría del sector de modelación
Como se pude ver en esta ilustración, la calidad del DEM con el que se contaba era muy mala. Lo
anterior, debido a que tenía huecos en algunos pixeles y, además, era de hace más de una década,
por lo cual el Brazo Gaviotas no se puede apreciar bien y el Brazo Reinera está bien definido con un
cauce amplio, lo cual ya no es así. Por lo anterior, se cortó el DEM por donde circula el cauce
actualmente y se removieron los puntos en el interior de la figura, esto se hizo mediante un polígono
importado del programa Google Earth Pro (Ver Ilustración 13). Luego de esto, se utilizaron los
puntos del DEM, los que estaban afuera del cauce, junto con las batimetrías del año 2017 y,
finalmente, se realizó el proceso de interpolación en la zona de análisis a partir de estos puntos. La
interpolación se realizó mediante varios métodos, estos se evaluaban según las batimetrías que se
tenían, sin embargo, el que mejor logró representar la topografía del terreno fue el método “Topo
to Raster”. Es preciso mencionar que, en este proceso de interpolación se intentaron varias
combinaciones de puntos en la interpolación. Por ejemplo, las batimetrías de los dos años, solo las
batimetrías del 2017, las batimetrías del 2016, o 2017, junto con los puntos del DEM, todos los
puntos, entre otros. Cada una de estas alternativas se iba evaluando en base a que tan similar era
con las batimetrías originales, ya que algunos métodos no conservaban las medidas iniciales. A
continuación, en la Ilustración 14, se pueden ver algunos de los métodos que se usaron y sus
diferentes resultados. Además de esto, en la Gráfica 1 se puede ver la interpolación final después
de realizado este proceso.
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Ilustración 14. Resultados de algunas interpolaciones con diferentes combinaciones de puntos y mediante diferentes métodos de interpolación.
4.1.3 Topo Batimetría Final del Proyecto
La topo batimetría final se hizo mediante el método de “Topo to Raster” de ArcGIS. Este método de
interpolación pide archivos de entrada como: el polígono de las bancas, la dirección del flujo
mediante líneas, los puntos fijos correspondientes a las batimetrías, los puntos con cierta
incertidumbre correspondiente a los del DEM, la tolerancia de la interpolación y todo el polígono
correspondiente al sector de modelación. El resultado de esta interpolación es un DEM, el cual se
puede modificar mediante diferentes herramientas como Weigted Sum o Superposición con el fin
de que se generen resultados coherentes con las cotas reales del terreno. Luego de que se tenía la
interpolación, en todos los intentos, se debía verificar la evolución y la topografía resultante. Lo
anterior se realizó mediante el software BlueKenue. A continuación, se presenta el DEM final que
se utilizó en la modelación. Adicional a esto, se presentan las tres secciones transversales la de los
aforos y la del modelo. En el modelo se evaluó en tres puntos cercanos a las batimetrías originales,
por lo cual el modelo presenta tres secciones transversales en cada punto.
No se da un paso a paso detallado del proceso ya que no se considera que sea objetivo de este
proyecto. Sin embargo, para unir los puntos del DEM con la batimetría se debe trasladar los puntos
del DEM a Excel en formato xyz, luego estos se deben unir con la batimetría se quiera. Y finalmente,
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esta combinación de puntos en Excel se importa desde ArcGIS para realizar la interpolación. Se debe
tener especial cuidado en que todos los puntos estén en las mismas coordenadas.
Gráfica 1. Topo batimetría final del sector de modelación mediante la herramienta Topo to Raster de ArcGIS
A continuación, se mostrarán las secciones transversales que tiene el modelo. La intersección de los
tres brazos es en donde se presenta mayor incertidumbre en la modelación. En las siguientes
ilustraciones se encuentran dos imágenes, la de arriba muestra la batimetría real y la de abajo la
batimetría del modelo. Sin embargo, las secciones del modelo no son exactamente en la posición
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de la original, ya que la idea era evaluar el comportamiento en donde había mayor incertidumbre.
Además, como se mencionó anteriormente, el método de interpolación que se utilizó, Topo to
Raster, tiene como puntos inmodificables a la batimetría original, por lo cual las secciones en esos
puntos son iguales a las batimetrías. Por otro lado, ambas imágenes tienen sus dimensiones en
unidades internacionales, metros en este caso. La imagen de abajo tiene las medidas en base a la
cota, por eso aparece la altura sobre el nivel del mar; sin embargo, muestra la misma información
que la imagen de arriba. En seguida, se muestra un boceto de la ubicación de las secciones
transversales que se mencionan posteriormente:
Ilustración 15. Boceto de la ubicación de las secciones transversales que se usaron para la validación del modelo.
4.1.3.1 Sección Transversal Brazo Reinera
Se tomaron secciones transversales en el modelo cercanas a las batimetrías iniciales, en este caso
la más cercana está representada con el color amarillo. Las secciones se tomaron cada 20 metros
aguas abajo, siendo la de color azul la más lejana a la sección inicial. Se puede ver que en la parte
derecha la topografía se eleva, esto se produce ya que la batimetría del Brazo Reinera - Reinera está
casi 1 metro por encima de la cota de la del Brazo Reinera. Sin embargo, esta última parte de este
brazo hace parte de las zonas de mayor incertidumbre, la intersección.
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Gráfica 2. Comparación y validación de la topografía del modelo con respecto a la batimetría real. Sección Brazo Reinera.
4.1.3.2 Sección Transversal Brazo Reinera-Gaviotas
En este caso la más cerca a la batimetría original está representada con el color azul. Además, la
más lejana esta con color rojo. Se puede ver como la interpolación a medida que se aleja de la
batimetría original suaviza la topografía volviéndola más plana. En la gráfica azul se puede ver que
a unos 20 metros de la batimetría original aún se mantiene la forma característica. Por otro lado, es
preciso mencionar que, la imagen de arriba fue dada por el software RiverSurvey, la cual es la que
da directamente el ADCP, por lo cual solo tienen en cuenta a 0.3 metros desde la banca del río. Lo
cual en este caso es bastante notorio en la gráfica azul. Lo anterior, ya que en la imagen de abajo la
sección esta tomando un poco del terreno calculado a partir del DEM y hace que se vea una
elevación importante que no existe en la batimetría original.
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Gráfica 3. Comparación y validación de la topografía del modelo con respecto a la batimetría real. Sección Brazo Reinera – Gaviotas.
4.1.3.3 Sección Transversal Brazo Reinera - Reinera
Para la sección del Brazo Reinera – Reinera se usaron secciones con una diferente organización. La
sección más cerca está medida 20 metros aguas abajo de la batimetría original y está representada
con el color azul. Las otras dos secciones transversales, la de color verde y color rojo, se tomaron 30
y 60 metros aguas arriba de la original, respectivamente. Se puede ver que la interpolación utilizada
suaviza mucho la sección transversal a medida que se aproxima a la intersección, en donde se vuelve
casi como un rectángulo sin imperfecciones. Esto puede tener una diferencia con la batimetría real
y se recomienda tener en cuenta esto en caso de utilizar el modelo. Se recomienda realizar una
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medición aguas debajo de esta intersección para establecer mejor el comportamiento de la parte
recta del cauce.
Gráfica 4. Comparación y validación de la topografía del modelo con respecto a la batimetría real. Sección Brazo Reinera – Reinera.
4.2 Creación Malla Computacional y Condiciones de Frontera: BlueKenue
Para correr TELEMAC o SISYPHE se necesitan mínimo tres archivos: la topo batimetría, las
condiciones de frontera y los comandos del modelo. En este caso se va a determinar el primero de
estos archivos, la topo batimetría. Esta Topo Batimetría, además, tiene que tener la rugosidad
establecida, por lo cual en esta sección se creó un archivo con la topografía y rugosidad de toda la
zona de modelación. Este primer archivo, con sus requerimientos, es creado mediante el software
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canadiense BlueKenue, el cual es gratis y de libre descarga, este lo puede encontrar en el siguiente
link: https://www.nrc-cnrc.gc.ca/eng/solutions/advisory/blue_kenue/download_blue_kenue.html
4.2.1 Creación de la Malla Computacional Con la Topo Batimetría
Luego de que se determina el DEM que se va a utilizar en la modelación, se convierte a TIN, luego a
un conjunto de puntos y, finalmente, a un sistema ASCII con formato xyz. Cuanto se tiene la
batimetría en formato xyz, se puede utilizar el software BlueKenue para crear la malla
computacional a partir de la topografía. El proceso que realiza BlueKenue consiste en crear una
interpolación de los puntos asignados y crear una malla según esta interpolación. Sin embargo, el
proceso de interpolación en este caso se realizó mediante ArcGIS por lo que este paso no es
necesario. Por lo anterior, solo se le debe agregar la distancia a la que está cada nodo
longitudinalmente y, también, cuantos nodos caben en la sección transversal del cauce. En este caso
se tienen dos corrientes, por lo que se deben especificar este número para ambas secciones
transversales: Reinera – Reinera y Reinera – Gaviotas. El ancho del Brazo Reinera es muy similar al
Brazo Gaviotas, por esto solo se discretizan en dos cauces. La siguiente tabla resume el número de
nodos utilizados para cada cauce:
Tabla 2. Número de nodos utilizados en cada cauce para crear la malla computacional de la modelación.
Componente de la Malla Distancia longitudinal entre nodos (m)
Número de nodos en el ancho de la sección transversal (#)
Reinera – Reinera 5 metros 20
Reinera – Gaviotas 5 metros 50
Esta malla computacional se crea para cada cauce, luego mediante une herramienta en BlueKenue
llamada “T3 Mesh Generator” se unen las dos mallas y se crea la malla final. Esta malla no tiene
zonas donde se requiera mayor detalle, sin embargo, para crear estas de zonas de mayor
importancia el proceso es igual. Se crea el polígono que se quiere con mayor detalle, se le asigna un
mayor número de nodos a este polígono y luego se vuelve a unir mediante la misma herramienta.
En este caso todas las bancas representan la misma importancia, y, al no tener la estructura
hidráulica que se piensa construir, no es relevante hacer la malla con detalle en algún punto
específico. Por lo anterior, toda la malla computacional que se elaboró contiene distancias
simétricas entre ellas. A continuación, se presenta un boceto en 3D de la malla computacional y una
imagen que muestra los nodos de cerca:
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Ilustración 16. Boceto de la malla computacional de la topografía en 3D y una imagen de cerca de la malla en 2D.
Luego de que se tiene la malla se le asigna al archivo llamado “Selafin”, este es el archivo que recibe
TELEMAC. Este archivo es un documento de texto con toda la información en el formato que se
necesita. La malla se le asigna a SELAFIN mediante una herramienta en BlueKenue.
4.2.2 Creación de la Malla Computacional con la Rugosidad por Sector
Al igual que la topografía, la rugosidad del terreno se le tiene que asignar al modelo mediante el
archivo SELAFIN, ya mencionado. El proceso para asignar diferente rugosidad al terreno es muy
similar al que se usó en el momento de crear la malla topográfica. En caso de que se quiera tener
una rugosidad compuesta, como en este caso, se debe seguir este paso. Si todo el terreno va a tener
la misma rugosidad, esto no es necesario.
Como se mencionó anteriormente, en la sección 4.1, se elaboró el archivo xyz que contiene todos
los puntos del modelo. Estos puntos están con coordenadas y una elevación determinada. Lo que
se debe hacer para elaborar la malla de rugosidades es cambiar la elevación de esos puntos y asignar
la rugosidad que se quiere. Para este proyecto, se dividió la zona de modelación en tres sectores, el
primero es el terreno topográfico alrededor del río, o la planicie de inundación, el segundo es la
rugosidad correspondiente al Brazo Reinera – Reinera y, por último, la rugosidad correspondiente a
los Brazos Reinera y Gaviotas. Es preciso aclarar que se utilizó una rugosidad en base al software
“Conveyance Estimation System” (CES). Este programa es una herramienta, la cual permite calcular
diferentes parámetros necesarios en la modelación de ríos. En este caso, se utilizó para calcular la
posible rugosidad que tenían los tres sectores mencionados, esto se hace mediante fotografías de
otros ríos a los cuales ya se les han calculado su coeficiente de Manning, y se compara con el río de
análisis. En seguida, se muestran los tres sectores seleccionados para que tengan una rugosidad
determinada (Ver Ilustración 17) y, también, se muestra un esquema de la interfaz que tiene el
software utilizado (Ver Ilustración 18):
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Ilustración 17. Selección de las tres secciones del río con rugosidad determinada por el usuario
Ilustración 18. Rugosidades calculadas mediante el software Conveyance Estimation System para los tres sectores de la modelación
Como se puede ver en la Ilustración 18, según la comparación de fotos que se tienen del Río Arauca,
en el sector de análisis, con los ríos que tiene predeterminado CES; se tiene una rugosidad según el
coeficiente de Manning de:
Tabla 3. Discretización del sector de modelación en zonas con diferente rugosidad
Sector del Cauce Coeficiente de Rugosidad de Manning Planicie de Inundación 0.08
Brazo Reinera – Reinera 0.045
Brazos Reinera y Gaviotas 0.065
Con estas rugosidades se creó una malla computacional, con el mismo proceso que para la
topografía, y luego se le asignó al archivo SELAFIN, el cual es el que recibe TELEMAC para poder
realizar la simulación. Este ya es el primer archivo que el programa requiere.
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4.2.3 Creación de las condiciones de fronteras del modelo
Luego de que se tiene el archivo SELAFIN con la topografía y la rugosidad del terreno, se deben crear
las condiciones de frontera. Estas condiciones de frontera se crean, igualmente, mediante
BlueKenue, el archivo final es un archivo de texto con 12 columnas. Este archivo tiene todos los
nodos de las fronteras de la malla computacional, cada nodo tiene 11 columnas que especifican el
tipo de nodo que es y las características que tiene. A continuación, se muestra las condiciones de
frontera que se especificaron en el modelo, cada tipo tiene un color específico:
Gráfica 5. Condiciones de fronteras establecidas en el modelo
Como se puede ver en la Gráfica 5, existen tres tipos de frontera en el modelo que se creó, estas
están representadas mediante los colores café, verde y azul. Estas fronteras tienen combinaciones
diferentes, en el archivo de texto, en sus columnas y tienen comportamientos muy diferentes. En
seguida se dará una descripción de las características principales de estas condiciones de frontera:
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Fronteras Topográficas Tipo Muro - CAFE: No permite que el fluido cruce la frontera al
considerar la condición de no deslizamiento (Dirichlet Nula) y se permite que el nivel del
agua fluctúe libremente (Neumann nula). Estas fronteras no variaron en toda la modelación.
Fronteras de Entrada del Cauce - AZUL: Establece un caudal de entrada (Dirichlet no Nula)
pero se permite que el nivel de la lámina de agua fluctúe libremente (Neumann nula). En
este caso de debe imponer un caudal de entrada mediante el archivo de comandos, este
caudal variaba según se quería evaluar, se analizaron caudales de 0 hasta 1200 𝑚3
𝑠.
Fronteras de Salida del Cauce - VERDE: Permite que el caudal de salida varíe (Neumann nula)
pero se establece el nivel de la lámina de agua (Dirichlet no nula). En este caso es donde se
presenta incertidumbre, debido a que solo se cuentan con dos aforos líquidos, es decir que
solo se tiene la altura de la lámina de agua en dos momentos. Por lo anterior, en el momento
que se evaluaban caudales diferentes a 311 o 588 𝑚3
𝑠, correspondientes a los aforos, se
debía suponer la altura a la que se encontraba en río. Para caudales inferiores a 311 𝑚3
𝑠 y
hasta 450 𝑚3
𝑠, se utilizó la altura de 4.53 𝑚 para el Brazo Gaviotas y 0.8 𝑚 para el Brazo
Reinera- Reinera; estas alturas corresponden a las que tenía el aforo del año 2016, la de 311 𝑚3
𝑠. Para caudales de 450
𝑚3
𝑠 hasta 650
𝑚3
𝑠 se utilizó la altura de 5.07 𝑚 para el Brazo Gaviotas
y 1.59 𝑚 para el Brazo Reinera - Reinera, correspondiente a la lámina del aforo del año 2017.
A partir de ahí, se utilizaron alturas impuestas por el usuario, en las cuales iba aumentando
la altura a medida que aumentaba el caudal. Lo anterior, se realizó con un proceso iterativo,
en el cual las alturas se iban modificando a medida que se observaba el comportamiento
del modelo, ya que se tenía el modelo elaborado por el profesor Bravo se podía comparar
con este y validar los resultados. Esta validación se realizó con base en los caudales de salida
que tenía cada brazo, Reinera - Reinera o Gaviotas. Estos caudales se analizaban y se
modificaba la altura de la lámina en caso de que el modelo presentará un comportamiento
inusual o inesperado al que presentó con los caudales de 0 a 650 𝑚3
𝑠 . Además, si los caudales
de salida eran muy diferentes a los valores que el profesor Bravo obtuvo en su modelo, se
ajustaba igualmente la lámina de agua. Se utilizó 5.31 𝑚 para el Brazo Gaviotas y 2.68 𝑚
para el Brazo Reinera- Reinera para los caudales de 650 a 850 𝑚3
𝑠, 5.4 𝑚 para el Brazo
Gaviotas y 3.48 𝑚 para el Brazo Reinera - Reinera para caudales de 850 a 1000 𝑚3
𝑠 y,
finalmente, 5.46 𝑚 para el Brazo Gaviotas y 3.71 𝑚 para el Brazo Reinera - Reinera para
caudales de 1000 a 1200 𝑚3
𝑠. A continuación, se presenta un resumen de los valores
utilizados:
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Tabla 4. Condiciones de frontera en la salida de los brazos, con base en el caudal de entrada del Brazo Reinera
Altura Lámina (m) Caudal (m3/s)
Brazo Gaviotas Brazo Reinera- Reinera Brazo Reinera
4,53 0,8 0 - 450
5,07 1,59 451 - 650
5,31 2,68 651 - 850
5,4 3,48 851 - 1000
5,46 3,71 1001 - 1200
En la sección 5 de este documento se especifican los caudales utilizados, ya que no se modelaron la
totalidad de estos caudales. Por ejemplo, 651 𝑚3
𝑠 no se modeló y es solo utilizado en este caso para
crear los intervalos de la altura de la lámina. Cada caudal que se modeló se llevó hasta un estado
estable, lo anterior hace que la modelación tome aproximadamente 5 días por modelación. Esto,
hace que para un proyecto elaborado en un semestre académico solo se pueda evaluar de forma
general el comportamiento del modelo.
Estas condiciones de frontera varían cuando se trata del flujo de agua o el transporte de sedimentos.
Sin embargo, son el mismo tipo de documento y tienen el mismo formato. Si se quiere conocer en
detalle cómo se establece cada posición de la columna consultar:
http://www.opentelemac.org/index.php/manuals/viewcategory/13-telemac-2d. No obstante, a
continuación, se mostrará un ejemplo de 10 nodos de la frontera del caudal de entrada, Brazo
Reinera, esto se realizará para el flujo de agua y el transporte de sedimentos:
Tabla 5. Condiciones de frontera, en TELEMAC2D, para 10 nodos correspondientes al caudal de entrada del Brazo Reinera
LIHBOR LIUBOR LIVBOR HBOR UBOR VBOR AUBOR LITBOR TBOR ATBOR BRBOR NODO
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 235
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 223
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 201
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 189
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 176
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 158
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 149
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 136
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 122
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 2 0.000 0.000 0.000 114
CONDICIONES FRONTERA TELEMAC
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Como se puede ver en la Tabla 5, cada nodo tiene 11 columnas que determinan sus características,
en este caso, por ejemplo: LIHBOR con el número 4 representa una frontera abierta con una altura
de lámina libre, LIUBOR con el número 5 representa una frontera abierta con un flujo pre inscrito,
LITBOR con el número 2 representa una frontera cerrada para la concentración de trazadores y
HBOR, UBOR Y VBOR son velocidades que el usuario puede pre establecer en las fronteras. Todas
estas columnas tienen muchas variaciones según el caso que se quiera, por esto, para tener una
mejor comprensión se intima leer el manual del software. Cabe aclarar que son miles de nodos los
que tienen una malla computacional, y una frontera puede tener cientos de ellos. Por esto, el
software BlueKenue crea un archivo inicial, con valores por defecto, el cual el usuario debe modificar
según el modelo que quiera crear, esto se realizó para este modelo mediante Excel ya que permite
un cambio rápido de los valores.
Tabla 6. Condiciones de frontera, en SISYPHE, para 10 nodos correspondientes al caudal de entrada del Brazo Reinera
Al igual que en las condiciones de frontera para el flujo de agua, en el transporte de sedimentos se
deben establecer las condiciones de frontera, sin embargo, estas tienen características diferentes.
Por ejemplo, aunque en este caso LIHBOR, LIUBOR Y LIVBOR tengan las mismas condiciones que
tienen en TELEMAC, en LITBOR el valor en este caso es de 5 (Ver Tabla 6), ya que esta representa la
concentración de sedimentos en suspensión que tienen el modelo, en donde 5 representa una
frontera con condición abierta con un valor pre establecido por el usuario. Para conocer a fondo
todas las posibilidades y características, que puede tomar las condiciones de frontera, por favor
dirigirse al manual del usuario de SISYPHE, en el cual se especifica con detalle la elaboración de este
archivo:
http://www.opentelemac.org/downloads/MANUALS/SISYPHE/sisyphe_user_manual_en_v6p3.pdf
LIHBOR LIUBOR LIVBOR HBOR UBOR VBOR AUBOR LITBOR TBOR ATBOR BRBOR NODO
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 235
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 223
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 201
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 189
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 176
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 158
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 149
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 136
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 122
4 5 5 0.000 0.000 0.000 0.000 5 0.000 0.000 0.000 114
CONDICIONES FRONTERA SISYPHE
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4.3 Creación Archivo Final De Comandos Y Asignación De Decisiones en el
Modelo: FUDAA
Luego de que se crea el archivo con los factores físicos del terreno (Primer Archivo) y el archivo con
las condiciones de frontera (Segundo Archivo), se debe crear el archivo final, el cual contiene los
comandos que toma el modelo con respecto a las ecuaciones que utiliza, condiciones iniciales,
tiempo de modelación, entre otros. Con la creación de este archivo se puede iniciar la modelación
mediante TELEMAC o SISYPHE. Para elaborar este archivo de comandos existe un software llamado
FUDAA PRE PRO, el cual se puede encontrar y descargar en el siguiente link: http://prepro.fudaa.fr.
En este archivo se especifican todas las características que tiene el modelo, en caso de que no se
pongan las decisiones va a utilizar, el modelo usa los valores que tiene por defecto. En la Ilustración
19, en el lado izquierdo, se puede ver la topografía y las condiciones de frontera del modelo una vez
se importa a FUDAA, en el costado derecho se ve la interfaz que se debe modificar para establecer
los comandos que va a tener el modelo. Cabe aclarar que FUDAA es una herramienta que suelen
utilizar los usuarios con poca experiencia con open TELEMAC MASCARET, ya que esta ofrece una
interfaz gráfica amigable, pero organiza la información de una forma pre establecida que los
usuarios con experiencia no están familiarizados y consideran desorganizada (Morales J, 2018). En
la elaboración de este proyecto se utilizó FUDAA al inicio de este, sin embargo, en las últimas fases
se dejó de utilizar este software y se empezó a editar directamente el archivo de comandos con base
en el manual de cada módulo.
Ilustración 19. Esquema de la interfaz de FUDAA PRE PRO con los dos archivos iniciales importados
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Con esto en mente, para este documento únicamente se explicará el archivo de texto que se realizó
al final mediante el método manual. Lo anterior, ya que FUDAA fue de gran utilidad al inicio de la
modelación para entender el software, sin embargo, la versión final del archivo de comandos fue la
realizada directamente por el usuario manualmente. Por otro lado, al igual que con las condiciones
de frontera, es necesario crear dos archivos diferentes para TELEMAC Y SISYPHE.
4.3.1 Archivo Comandos TELEMAC
Los comandos para el módulo de sedimentos se dividieron en las siguientes secciones: archivos de
entradas, información gráfica y temporal, condiciones iniciales, condiciones de frontera, parámetros
numéricos, parámetros físicos, ecuaciones y compilado. Este paso consiste en establecer todas las
características que se conocen del cauce y, a partir de esto, establecer las ecuaciones más
apropiadas. En seguida, se mostrarán los comandos que tiene el modulo que calcula la hidráulica, si
bien se van a explicar superficialmente algunos comandos, para entender a profundidad todas las
instrucciones o posibilidades que puede tener TELEMAC, se debe leer el manual:
Archivos de entrada: Se da la ubicación y el nombre de los dos archivos iniciales, la
topografía y condiciones de frontera, también se da el nombre de una modelación previa o
inicio rápido en caso de que se continúe una simulación y, en último lugar, se da el nombre
del archivo que tendrán los resultados:
Información Gráfica: Se establece el título de la modelación, el tiempo de modelación con
el tamaño del paso entre iteraciones, se determina cuantas iteraciones se mostrarán en la
pantalla de simulación, las variables que se quiere graficar en los resultados, finalmente se
establece la conservación de la masa en todo el modelo:
Condiciones Iniciales: Se le da la condición inicial con la que empieza el modelo, ya sea
mediante una altura constante o mediante una computación previa, también se establece
el control de límites con los que se detienen la simulación. Este control de límites son valores
extremos que si el programa traspasa este se detiene:
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Condiciones de Frontera: Son las condiciones que va a tener el modelo en la simulación,
estos se establecen según como se haya creado el archivo de condiciones, el cual se
mencionó en la Sección 4.2 de este documento, de igual forma se da el tipo de perfil que va
a tener la velocidad, en este caso se seleccionó una distribución logarítmica:
Parámetros numéricos: Se asigna el tipo resolución que va a tener el modelo, en este caso
se da prioridad a la compatibilidad de flujos por encima de la condición de frontera, se
detiene si se llega a un estado estable, se corrige la continuidad debida a la compatibilidad
de flujos, se da la fecha original, en este caso es la del aforo, el método por el que se resuelve
el término de la turbulencia y, al final, se seleccionan los métodos de resolución
matemática:
Parámetros Físicos: Se establecen los parámetros físicos que generan que el modelo tenga
que corregirse, como la presencia de corrientes secundarias o la pendiente, se establece el
sistema de coordenadas y la relación de la altura con la velocidad:
Ecuaciones: Se asignan las ecuaciones que el modelo utilizará para resolver la hidráulica
como la ley de fricción, a la cual se le asigna un coeficiente, aunque el modelo tenga una
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rugosidad diferente en el archivo 1, se le asigna el modelo de turbulencia que utilizará, la
proyección espacial y la velocidad de difusión:
Compilado: Se asigna el modulo con el que se va a compilar, en este caso es el de
sedimentos, a este se le da el periodo de compilación, este es un término que dice cada
cuando se vuelve a iterar con el otro modulo y también se asignan secciones de control para
medir en puntos específicos el caudal:
4.3.2 Archivos Comandos SISYPHE
En cuanto al módulo de sedimentos, se debe crear un archivo de comandos independiente para este
módulo. Este archivo de comandos no se llama directamente desde el script de Python en la ventana
de comandos, sino que es llamado desde el archivo de comandos del módulo TELEMAC. Este archivo
es llamado mediante una instrucción llamada compilación, la cual se puede desactivar o activar
según se requiera; cuando solo se realiza la modelación hidráulica se desactiva y para evaluar el
transporte de sedimentos se activa. Este archivo de comandos para SISYPHE se dividió en las
siguientes secciones: archivos de entrada, carga de fondo, carga en suspensión, características del
lecho y los sedimentos y, por último, condiciones iniciales y variables gráficas. Estas se explicarán
superficialmente a continuación:
Archivos de entrada: Se le asigna la topografía correspondiente al archivo 1, las condiciones
de frontera proporcionado para SISYPHE, ya que es diferente, y el archivo de resultados.
Estos se asignan mediante la ubicación en el computador y el nombre de este:
Carga de Fondo: En esta sección se dan las indicaciones para todo lo concerniente para
realizar el transporte de sedimentos por arrastre. Se selecciona la fórmula de transporte, el
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efecto de la pendiente con su fórmula, el método de desviación que corrige la carga debido
a la pendiente y, al final, se asignó el efecto por corrientes secundarias:
Carga en Suspensión: Para la carga en suspensión se debe asignar la fórmula de cálculo de
la concentración, se puede asignar condiciones de equilibrio en las entradas del cauce, se
establece el método para resolver la difusión y la dispersión, se asigna una corrección en la
velocidad de convección dada por el transporte de sedimentos y, para terminar, se asignó
el método de cálculo de la advección, el cual es el mismo término de la viscosidad de
turbulencia:
Características del Lecho y los Sedimentos: Esta sección es para establecer las características
físicas que se conocen o el método para calcular las que se desconocen. Las características
conocidas se establecieron a partir de los aforos sólidos, con esto se estableció el número
de clases de sedimentos, los diámetros de los sedimentos y la fracción de ellos. Se asignó la
corrección por rugosidad de forma, se le asigna el radio de esta rugosidad de forma con
respecto al diámetro de sedimentos, se asigna un factor morfológico el cual se usa para
modelaciones con una gran escala temporal y, con esto, se acelera la modelación. Se asigna
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el espesor de la capa que puede ser erosionado, en este caso 100 metros y es contante en
todo el cauce, también se le puede asignar un factor de relevancia a las clases de los
sedimentos y, por último, determinar si existen o no partículas cohesivas en los sedimentos:
Condiciones de Frontera y Variables Gráficas: Se establecen las condiciones de frontera que
va a tener el transporte de sedimentos. Estas deben concordar con lo programado en el
archivo de condiciones de fronteras. Es preciso mencionar que se debe realizar por
separado la modelación de transporte en suspensión y de transporte de lecho, y después
sumar los resultados. Aquí se asignan las variables gráficas que se quieren en los resultados:
4.4 Modelación y Análisis Comportamiento de la Hidráulica del Cauce:
TELEMAC
Para correr TELEMAC se debe contar con tres archivos: Geometría, Condiciones Fronteras y
Comandos. Estos archivos son los mínimos para la modelación, pero existen muchos otros pueden
volver más detallado el modelo. En este caso solo se realizó la modelación con estos tres archivos,
los cuales ya se determinaron en las secciones 4.2 y 4.3 de este documento. TELEMAC es un
programa escrito en FORTRAN 90, por lo cual si se quiere agregar una nueva funcionalidad se debe
utilizar este lenguaje de programación; sin embargo, en caso de que no se quiera programar nada,
el usuario puede comunicarse con el software a través de unos scripts escritos en Python. La interfaz
de TELEMAC es una ventana de comandos, el cmd de Windows, en donde se debe escribir en Python
las instrucciones. Estas instrucciones consisten en comandos preestablecidos, los cuales llaman al
módulo que se quiera utilizar, en este caso TELEMAC, adicional a esto, se debe agregar el nombre
del archivo de comandos, el cual contiene ya los otros dos archivos inmersos en él. En otras palabras,
en la pantalla de comandos se debe llamar al módulo que se quiere utilizar seguido del nombre de
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archivo de comandos. Por ejemplo, para correr la modelación hidráulica con un caudal de 311 𝑚3
𝑠 el
comando sería: telemac2d.py ComHidr311.cas. En donde “telemac2d.py” es el comando que llama
al módulo TELEMAC y “ComHidr311.cas” es el nombre del archivo de comandos.
Para comenzar las modelaciones, se inició a simular con el caudal de 311 𝑚3
𝑠, a este se le asignó una
elevación constante de la lámina de agua de 4.56 𝑚 y se modeló hasta que llegara a un estado
estable, a continuación, se presentan los resultados de esta modelación mediante gráficas en 3D de
la interfaz BlueKenue, estas gráficas muestran la topografía inicial de las modelaciones y la lámina
de agua resultante de la simulación:
Gráfica 6. Topografía final del sector de análisis después de realizar la modelación hidráulica con 311 𝒎𝟑
𝒔.
Luego de que se llegó a un estado estable con este caudal de 311 𝑚3
𝑠, se usó el resultado de esta
modelación como el nuevo estado inicial de las siguientes simulaciones. Todos los archivos y
comandos son iguales para todas las modelaciones hidráulicas. La única cosa que cambia entre una
y otra modelación, es el caudal de entrada y las elevaciones en la salida de los brazos Gaviotas y
Reinera – Reinera. Estas varían tal y como se mencionó en la sección 4.2.3 de este documento. Es
preciso mencionar que, para esta parte de la modelación no se hace la compilación con SISYPHE, ya
que lo que se busca es describir la hidráulica del cauce con lecho fijo, como consecuencia de
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diferentes caudales. Luego de que se comprobó la hidráulica y se validó su comportamiento, se usó
este archivo como inicio rápido de la modelación compilada con el transporte de sedimentos.
Gráfica 7. Altura de la lámina de agua del sector de análisis después de realizar la modelación hidráulica con 311 𝒎𝟑
𝒔.
Una vez se finalizó la primera modelación de 311 𝑚3
𝑠, se modelaron los caudales restantes. En total
se realizaron 16 modelaciones hidráulicas que van de 0 hasta 1200 𝑚3
𝑠, las modelaciones se
realizaron en orden de menor a mayor. Esto, se hizo de esta forma ya que la modelación previa a la
que se iba a realizar era la condición inicial de la modelación actual, en otras palabras, todo se realiza
por un proceso secuencial, en la que la modelación siguiente usaba como inicio a la modelación
anterior. Por ejemplo, para el caudal de 360 𝑚3
𝑠, la condición inicial lo dio la modelación de 311
𝑚3
𝑠;
para el caudal de 400 𝑚3
𝑠, la condición inicial la dio el resultado de la modelación de 360
𝑚3
𝑠, y así
sucesivamente.
Por otro lado, se intentó que la diferencia de caudal entre una modelación y otra no superara los 50 𝑚3
𝑠, esto, ya que se podía generar error en el momento de la simulación, ya que las velocidades
podían cambiar rápidamente superando los límites, lo cual causaba que la modelación fallara. Todas
las 17 modelaciones se realizaron hasta que se llegara a un estado estable, esto ocurrió
frecuentemente en 2 días de modelación, sin embargo, estos 2 días de modelación se tardaban
hasta 5 días reales en terminar, esto se debió a que los pasos temporales que se usaron fueron de
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0.1 segundos. El tamaño de este paso se determinó mediante iteraciones, en donde se comprobó
que para un cambio del caudal de 50 𝑚3
𝑠, se necesitaba un paso de 0.1 segundos para que no se
generarán cambios demasiado bruscos en la simulación que hiciera que fallara. Cuando se realizaron
cambios en el caudal de 100 𝑚3
𝑠 se utilizó un tamaño de paso de 0.05 segundos. A continuación, se
presenta una ilustración de la interfaz de TELEMAC, esta contiene dos partes del proceso de una
modelación:
Ilustración 20. Interfaz de modelación en TELEMAC. El lado izquierdo muestra una iteración del proceso, el lado derecho muestra el inicio de la modelación.
Como se puede ver en la Ilustración 20, la interfaz de TELEMAC consiste en una ventana de
comandos, la cual en algunos casos puede dificultar el análisis de los resultados. Por lo anterior, el
software BlueKenue tiene herramientas para el post procesamiento, el cual permite graficar los
resultados e incluso animar las respuestas. Esta animación consiste en graficar cada iteración de los
resultados e ir avanzando a lo largo del tiempo, con esto se logra incluso crear un video de la
modelación que se realizó. Mediante esta herramienta se validó el modelo y se procedió a la
siguiente etapa, la cual corresponde a la compilación del módulo de la hidráulica con el módulo de
transporte de sedimentos. Esta compilación solo se realizó para los caudales para los cuales se
tenían aforos.
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4.5 Modelación y Análisis Comportamiento del Transporte de Sedimentos
en el Cauce: SISYPHE
Una vez finalizada la modelación hidráulica y ya se ha validado su comportamiento, con base en los
aforos, se procede a realizar la modelación del transporte de sedimentos. La modelación de
sedimentos en este proyecto tiene como objetivo calcular la carga por día del total del transporte.
Esta carga se compara con los aforos existentes y se realiza la validación o invalidación de los
resultados. Por otro lado, para el cálculo de parámetros como: el tamaño medio de los sedimentos,
la distribución de tamaños y la distribución de estos, la densidad de los sedimentos y, finalmente, la
presencia de sedimentos cohesivos; se utilizaron los aforos suministrados por el IDEAM. En estos
aforos se calcula la carga en toneladas por día, a partir de la concentración de sedimentos y este
valor se compara con los resultados obtenidos. En seguida, se muestran un ejemplo de los
resultados de los aforos, al lado izquierdo está el aforo para sedimentos en suspensión y al lado
derecho está el aforo para sedimentos en arrastre:
Gráfica 8. Aforos sólidos disponibles del tramo de análisis. Izquierda: Aforo sedimentos en suspensión - Derecha: Aforo sedimentos en arrastre. Suministrados por el IDEAM.
Se cuenta con tres aforos para sedimentos en arrastres, estos se realizaron en diferentes sectores
de la sección transversal en la zona Boca de las Gaviotas, cada uno de estos aforos suministra el
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diámetro medio o 𝑑50, el cual requiere la fórmula de transporte de Van Rijn. El resumen de los
diámetros utilizados y su fracción en el río se muestra a continuación:
Tabla 7. Diámetros sedimentos transportados en arrastre. Datos suministrados por los aforos sólidos del IDEAM.
Diámetro (m) Fracción (%)
0.00034951 33
0.00037084 33
0.00034524 34
Con esto en mente, se realizó el transporte de sedimentos para un caudal de 311 𝑚3
𝑠 y 588
𝑚3
𝑠. En la
pantalla de modelación se debe realizar el mismo proceso para modelar la hidráulica, se escribe
“telemac2d.py ComHidr311.cas” y” telemac2d.py ComHidr588.cas” para cada modelación. Sin
embargo, en este caso se debe realizar la compilación con SISYPHE. Para estas modelaciones se
utilizaron las condiciones iniciales que se determinaron en la sección 4.4 de este documento, las
cuales son flujos estables, las modelaciones se corrieron con un caudal constante por un día, tanto
para carga en suspensión como para la carga por arrastre. A continuación, se presenta una
ilustración de SISYPHE en el inicio de las dos modelaciones para ambos caudales, el lado izquierdo
muestra el caudal de 311 𝑚3
𝑠 y el derecho el de 588
𝑚3
𝑠:
Ilustración 21. Inicio modelación transporte de sedimentos para los caudales aforados
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Para realizar las modelaciones del transporte de sedimentos, se debe activar la compilación en el
documento de comandos de TELEMAC como se mencionó en la sección 4.3.2 de este documento.
En esta compilación se unen los dos módulos mediante los archivos de comandos. Para la
modelación del transporte de sedimentos se modeló un día el cauce, el cual equivale a 86400
segundos, se abarcó el dominio temporal con un paso de 0.25 segundos, es decir que en total se
realizaron 345600 iteraciones para cada modelación. Es preciso mencionar que el archivo de
comandos de SISYPHE contiene el archivo de condiciones de frontera específicas al transporte de
sedimentos.
Por otro lado, en cuanto a los valores concernientes a las decisiones que se ven en la sección 4.3.2,
estos son parámetros empíricos que se han usado en la modelación de ríos internacionalmente, en
este caso se utilizaron los valores sugeridos para un río de planicie, como lo es este, en donde se
pueden presentar rugosidades de forma de pequeñas ondas. De igual forma, es un río que presenta
corrientes secundarias debido a los dos brazos y a la curvatura que presenta, y al ser un río de llanura
su pendiente es muy pequeña. A partir de estas características TELEMAC sugiere parámetros, con
los cuales se ha evidenciado que los modelos muestran un comportamiento apropiado. Para
conocer en detalle el motivo de la selección de estos parámetros empíricos, por favor dirigirse a la
siguiente dirección en los capítulos del 4 al 6:
http://www.opentelemac.org/downloads/MANUALS/SISYPHE/sisyphe_user_manual_en_v6p3.pdf
En el caso de los parámetros que dependen del río que se evalúa específicamente como: la velocidad
de asentamiento, el parámetro de Shields y la tasa de transporte; se utilizaron las formulaciones
programadas en SISYPHE, estas fórmulas se explican en la sección 2 de este documento. La fórmula
utilizada para el transporte de sedimentos, la de Van Rijn, fue utilizada por el profesor Bravo en su
modelación, además, es la fórmula que mejor se adapta al transporte de sedimentos con un tamaño
inferior a 2 milímetros, como en este caso. Sin embargo, para realizar una modelación que tenga
una confiabilidad importante es necesario realizar modelaciones con diferentes fórmulas y realizar
una comparación en base a los aforos disponibles. En este caso, debido a las limitaciones
temporales, solo se utilizó esta fórmula para el cálculo del transporte de lecho.
Finalmente, en el caso se los métodos numéricos en el tema del transporte de sedimentos en
suspensión, para el cálculo de la dispersión, difusión y el modelo de turbulencia. Se utilizó las
fórmulas que SISYPHE tiene por defecto. Lo anterior, debido a que estos métodos presentan
diferencias y resultados distintos bajo situaciones determinadas, en donde se busque evaluar y
estudiar el comportamiento específico de un método respecto a otro. Sin embargo, en este caso se
quiere brindar un modelo conceptual o general, acerca del posible comportamiento que este tramo
del río puede presentar debido al transporte de sedimentos. Por lo cual, seleccionar un método o
modelo de resolución que se adapte específicamente a este tramo esta fuera del alcance de este
proyecto de grado.
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5 RESULTADOS
Se realizaron exitosamente 18 simulaciones, 16 simulaciones acerca del comportamiento hidráulico
del río, con diferentes caudales, y 2 simulaciones del transporte de sedimentos para los caudales de
311𝑚3
𝑠 y 588
𝑚3
𝑠, correspondientes a los aforos.
5.1 Resultados Modelación Hidráulica
En cuanto a la modelación hidráulica del sector de análisis, se obtuvo el siguiente comportamiento
en cuanto a la distribución de caudales en los dos brazos:
Gráfica 9. Validación del modelo mediante la distribución de caudales en cada brazo comparado con los aforos disponibles.
0.00%
10.00%
20.00%
30.00%
40.00%
50.00%
60.00%
70.00%
80.00%
90.00%
100.00%
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
% C
aud
al d
e ca
da
bra
zo
Caudal existente (m3/s)
Validación Modelo
Gaviotas
Reinera
Aforo Gaviotas
Aforo Reinera
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Como se puede ver en la Gráfica 10, para caudales bajos todo el flujo es dirigido al Brazo Gaviotas,
aproximadamente a partir de 300 𝑚3
𝑠 el Brazo Reinera – Reinera empieza a tomar caudal
aumentando periódicamente su flujo. Para caudales altos, el modelo muestra que los flujos que
transportan los dos brazos se van acercando entre sí. Se evaluó un caudal máximo de 1200 𝑚3
𝑠, en
donde el Brazo Gaviotas transporta un 70% del caudal, este resultado es muy similar al que obtiene
el modelo de la Universidad Nacional. En seguida, se muestran los caudales de entrada que se
modelaron y el flujo que cada brazo toma en la modelación:
Tabla 8. Caudales modelados, se estableció un caudal inicial y el modelo determina la distribución en cada brazo.
Brazo Reinera (m3/s)
Brazo Reinera - Gaviotas (m3/s)
Brazo Reinera - Reinera (m3/s)
50 50 0
100 99,5 0,09
200 198,99 0,3
311 298,0552 12,9457
360 315,689 41,658
400 346,11 50,05
430 372,94 54,78
540 460,77 78,8117
588 497,92 83,88
620 508,9015 103,7017
680 558,59 119,64
750 601,871 141,717
780 621,008 153,77
800 646,24 153,758
1000 804,8437 195,15
1200 908,1841 264,6372
Para todos estos caudales se cuenta con las siguientes gráficas: velocidad, profundidad de flujo,
altura lámina de agua, topografía, rugosidad, número de Froude y número de Courant. La topografía
y la rugosidad es igual para todas las modelaciones. El modelo presentó resultados razonables sin
realizar una calibración, las únicas variables que se modificaron fueron las condiciones de frontera
y las condiciones iniciales como se mencionó anteriormente. Una calibración se considera
innecesaria considerando el comportamiento del modelo y, además, los aforos realizados, si bien
muestran el proceder del río en un momento específico del tiempo, no son del todo representativos
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del comportamiento de un ente tan complejo como un río. Por lo anterior, se prosiguió con la
modelación del transporte de sedimentos con estos resultados. Para observar los resultados en
detalle de alguna modelación se puede consultar los archivos adjuntos, los cuales se pueden utilizar
mediante el software BlueKenue. A continuación, se muestra las velocidades en estado estable, es
decir el inicio rápido, para los caudales de 311 𝑚3
𝑠 y 588
𝑚3
𝑠.
Gráfica 10. Resultado final de la modelación hidráulica para un caudal de 311 𝒎𝟑
𝒔. Este es el estado estable que se usa
para la modelación de sedimentos.
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Gráfica 11. Resultado final de la modelación hidráulica para un caudal de 588 𝒎𝟑
𝒔. Este es el estado estable que se usa
para la modelación de sedimentos.
Como se puede ver en las gráficas 10 y 11, las dos modelaciones tienen un comportamiento similar,
como era de esperarse, en lo que difieren es en la magnitud de la velocidad a la que circula el flujo.
En las fronteras de los cauces es donde se presenta una mayor aceleración del flujo, sin embargo,
estos valores extremos son los que presentan una mayor incertidumbre, ya que no se conoce el
comportamiento aguas abajo de los cauces, esto también puede deberse a que la altura de la lámina
utilizada en la frontera, la cual genera que el flujo se acelere más de lo que debería. No obstante, la
altura utilizada es la cual suministra el aforo, por lo cual no se puede modificar; empero, crea la
posibilidad que los aforos presenten errores, teniendo en cuenta que en ambos aforos se pierde
cerca del 10% del caudal de entrada en un tramo de aproximadamente 1 kilómetro.
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5.2 Resultados Modelación Transporte de Sedimentos
En cuanto a la modelación de sedimentos, no se evidenció una evolución del lecho bajo ningún
caudal, el transporte de sedimentos que ocurre es mínimo, y si ocurre es en los extremos de las
condiciones de fronteras, donde el esfuerzo cortante que se produce es mayor.
Para el caso del caudal de 311 𝑚3
𝑠, el transporte de sedimentos que se presentó fue casi inexistente
y el esfuerzo cortante que tuvo el lecho fue mínimo. En el caso del esfuerzo cortante, únicamente
se presentó en el costado derecho del Brazo Reinera - Reinera, en este costado es donde según la
batimetría se tiene más profundidad, por lo cual es donde se logra una mayor velocidad, lo cual
genera este esfuerzo. Por el costado derecho de este brazo es donde transita la mayor parte del
caudal debido a la batimetría (Ver Gráfica 4). En seguida se puede ver los resultados obtenidos, las
unidades están en pascales, se presentó un valor máximo de 335 𝑁
𝑚2:
Gráfica 12. Esfuerzo cortante generado en el lecho, por el cual se produce el transporte de sedimentos. Caudal de 311 𝒎𝟑
𝒔. Las unidades gráficas están en pascales.
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Por otro lado, el transporte de sedimentos que se presenta en el cauce, con este caudal, es
prácticamente nulo. Este transporte llega avalores máximos de 0.0292 𝑚2
𝑠 y se presenta justo en la
parte más baja de la batimetría. En el resto del cauce no se presenta ningún transporte:
Gráfica 13. Transporte de sedimentos generado en el tramo modelado, por el cual se produce una involución o
crecimiento del lecho. Caudal de 311 𝒎𝟑
𝒔. Las unidades gráficas están en
𝒎𝟐
𝒔.
En el Brazo Gaviotas no se produce ningún transporte de sedimento con el flujo de un caudal de 311 𝑚3
𝑠, para el modelo realizado en este proyecto. Con base en la gráfica de velocidades en el tramo,
no se genera ninguna socavación para las velocidades de 1.29 𝑚
𝑠, las cuales son las máximas que se
presentan en este brazo. Además, no se genera socavación en la intersección de los brazos, en
donde se esperaba obtener un comportamiento de erosión y sedimentación, ya que este ha sido el
sector del río que ha presentado un cambio en la sección y los sedimentos que se han establecido
acá son mucho más recientes que los de otros sectores.
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A continuación, se muestran los resultados obtenidos para un caudal de 588 𝑚3
𝑠. El esfuerzo cortante
tiene sus unidades en newton sobre área, es decir, pascales:
Gráfica 14. Esfuerzo cortante generado en el lecho, por el cual se produce el transporte de sedimentos. Caudal de 588 𝒎𝟑
𝒔. Las unidades gráficas están en pascales.
Como se puede ver, el mayor esfuerzo se produce en el Brazo Reinera – Reinera, de manera fuerte
y variando rápidamente, llegando a esfuerzos de hasta 400 Pascales. A diferencia del Brazo Gaviotas,
en donde el esfuerzo se presenta de manera uniforme y gradual con un esfuerzo de 50 pascales.
Por otro lado, para el transporte de sedimentos, únicamente se presentó en el Brazo Reinera -
Reinera y en muy pocas cantidades, con un máximo de 0.0144 𝑚2
𝑠. En el Brazo Gaviotas no se
evidencia ningún transporte. Este comportamiento es coherente con los esfuerzos cortantes que
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tiene cada tramo. Además, el comportamiento que presenta la modelación hidrodinámica muestra
que las velocidades inferiores a 2.5 𝑚
𝑠 no generan socavación (Ver Gráfica 11).
Gráfica 15. Transporte de sedimentos generado en el tramo modelado, por el cual se produce una involución o
crecimiento del lecho. Caudal de 588 𝒎𝟑
𝒔. Las unidades gráficas están en
𝒎𝟐
𝒔.
Como se mencionó anteriormente, no se produjo evolución alguna en el lecho. Por esto, no se
muestra una ilustración al respecto. Este comportamiento que tiene el río, es pertinente al tiempo
de modelado, una evolución en el lecho se suele modelar en periodos más extensos, y más aún par
un cambio morfológico en donde los periodos de modelación pueden ser 2 o 3 años (Díaz M, 2018).
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6 CONCLUSIONES
El modelo se desarrolló mediante la utilización dos módulos: TELEMAC y SISYPHE, por lo anterior,
se pueden realizar, entre muchos otros, tres tipos de modelación: HIDRAULICO, TRANSPORTE
SEDIMENTOS e HIDRODINÁMICO. En este proyecto se inquiría realizar una modelación del
comportamiento hidráulico del cauce ante diferentes caudales y su validación, con el fin de describir
el estado del cauce en el momento de los aforos. Posterior a esto, se buscaba modelar el transporte
de sedimentos que genera esa hidráulica inicial y como, este transporte, modifica el lecho, para
luego calcular nuevamente su comportamiento hidráulico y así sucesivamente por cierto periodo
de tiempo, lo que se puede definir como hidrodinámica. Con esto en mente, las conclusiones se dan
por separado para cada uno estos modelos.
6.1 Modelación Hidráulica: TELEMAC
Para la validación del modelo hidráulico se analizó el comportamiento que el cauce tiene, en cuanto
a la distribución de caudales y las velocidades que se presentaron en el flujo a lo largo de la
modelación.
6.1.1 Distribución de Caudales
En primera instancia, para la modelación hidráulica realizada mediante TELEMAC, se concluye que
el modelo representa apropiadamente la distribución de caudales que presenta el cauce. Esto,
comparando el modelo de este proyecto, con el modelo realizado por el profesor Bravo. Sin
embargo, no se realizó una calibración de la rugosidad del cauce, lo cual es importante en la
elaboración de un modelo.
El comportamiento que se tuvo en este proyecto se debió al cambio en las condiciones de frontera
entre modelaciones, estas forzaban al modelo a representar un mayor o menor caudal según la cota
que se usara. Sin embargo, solo se tenía la altura de la lámina para 2 caudales aforados y eran en
diferentes épocas del año. Por lo anterior, se necesita más información limnimétrica, con el fin de
crear un hidrograma de entrada, con el el cual el modelo represente el comportamiento dinámico
del río, además el nivel de la lámina de agua debe ser el medido y no hecho mediante intervalos,
como en este caso. No obstante, en cuanto la distribución de caudales, el modelo representa
adecuadamente el comportamiento en la hidráulica del cauce.
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Gráfica 16. Distribución de caudales en las modelaciones realizadas por la Universidad Nacional en el mismo sector de análisis, pero con diferentes aforos.
Gráfica 17. Distribución de caudales en las modelaciones realizadas en este proyecto de grado para el sector Boca de las Gaviotas, para comparación de modelos.
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6.1.2 Distribución de Velocidades
Si bien la distribución de caudales es un factor relevante en el comportamiento del río, existen varios
otros que juegan un papel igualmente importante, como lo es la velocidad del flujo. En este caso,
como se puede ver en las gráficas 10 y 11, el Brazo Gaviotas presenta un flujo con una velocidad
mayor que el caudal que circula por el Bazo Reinera – Reinera; sin embargo, en este último cauce
se presenta una aceleración excesiva en el costado derecho de la sección transversal, siguiendo la
dirección del flujo. Lo anterior, representa un error en la modelación, ya que no hay ninguna razón
en el cauce Reinera - Reinera para se produzca una aceleración de esta magnitud, pues de una
velocidad de 0.86 𝑚
𝑠 pasa a 3.56
𝑚
𝑠. Se debe tener en cuenta que la velocidad del flujo modifica
directamente el transporte de sedimentos, por esto, esta variación se debe tener en cuenta. Por
otro lado, la velocidad de flujo que se presenta en el resto de la modelación muestra resultados
razonables, con un flujo subcrítico en todo el dominio, característicos de cauces de llanuras, empero
el Brazo Reinera - Reinera presenta una aceleración en su velocidad solo en un sector, de
aproximadamente 30 metros de radio, justo después de la división del Brazo Reinera, si bien en las
curvas se presentan aceleraciones, en este caso se da de manera incompleta, por lo cual se puede
deber a un error en la interpolación de la batimetría.
Como conclusión, el modelo HIDRÁULICO representa adecuadamente el comportamiento del cauce,
respecto a la distribución de velocidades, en la mayor parte del dominio, sin embargo, el Brazo
Reinera – Reinera presenta incertidumbre y no representa apropiadamente las velocidades del flujo
en la salida de este brazo. Por lo anterior, es necesario establecer la topografía del sector en la
división del cauce principal, ya que es aquí donde se presenta mayor problema en la interpolación,
pues no se conoce exactamente la localización de las bancas y su batimetría.
6.2 Modelación Hidrodinámica: TELEMAC y SISYPHE
La modelación hidrodinámica es en la cual el lecho va evolucionando debido al transporte de
sedimentos y este cambio en la sección transversal modifica la hidráulica del cauce. Para realizar
esta modelación se partió de dos condiciones estables, para un caudal de 311 𝑚3
𝑠 y otro de 588
𝑚3
𝑠,
de los cuales se cuenta con aforos sólidos. Luego de esto, se corrió el modelo por un día con la
presencia de transporte de sedimentos.
El objetivo es evaluar la diferencia de la modelación con los resultados de los aforos. En seguida, se
muestra el transporte medido mediante los aforos, sin embargo, es preciso mencionar que los
aforos sólidos presentan una gran variabilidad según las condiciones que tuviera la cuenca en el
momento de las mediciones, en donde puede que el transporte medido sea en su mayoría en
suspensión, es decir, por aporte de la cuenca. Las mediciones realizadas son las siguientes:
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Tabla 9. Mediciones para la carga de transporte de sedimentos, realizada por aforos en los años 2016 y 2017.
Caudal 𝒎𝟑
𝒔 Carga sedimentos
𝑲𝒈
𝒔 Año
311 182.4 2017
588 242.42 2016
Los resultados que se obtuvieron en la modelación se presentan en la siguiente tabla, en donde se
realiza la conversión respectiva, asumiendo el peso de los sedimentos de 2.65 𝐾𝑔
𝑚3. Además, se asume
que el transporte promedio, el cual se muestra en la tabla, ocurre a lo largo de todo el ancho del
Brazo Reinera – Reinera, correspondiente a 79 nodos, el cual es el único donde ocurre transporte
en el modelo.
Tabla 10. Mediciones para la carga de sedimentos, resultantes del presente modelo para caudales de 311 𝒎𝟑
𝒔y 588
𝒎𝟑
𝒔.
Caudal 𝒎𝟑
𝒔 Carga sedimentos
𝒎𝟐
𝒔∗𝒎 Carga sedimentos
𝑲𝒈
𝒔∗𝒎∗𝒎 Carga sedimentos
𝑲𝒈
𝒔∗𝒎
311 0.0146 0.03869 3.05651
588 0.0205 0.05432 4.2916
Como se puede ver en los resultados, Tabla 9 y 10, se tienen valores muy diferentes entre los valores
aforados y los valores modelados. Por lo anterior, se concluye que el modelo HIDRODINÁMICO no
representa el comportamiento real del río en cuanto al transporte de sedimentos. Lo anterior, ya
que se presenta un error de 98% entre los resultados medidos y los modelados. Por otro lado, si
bien es cierto que la diferencia es muy grande, se debe tener en cuenta que los aforos pueden no
mostrar el comportamiento general del río, sino por el contrario pueden estar mostrando una
condición específica o un evento especial. De igual forma, se debe tener en cuenta que el mayor
transporte que se presenta en los aforos está dado por la carga en suspensión, esto genera gran
incertidumbre pues esta carga viene principalmente de la cuenca. Por lo anterior, para que el
modelo de resultados congruentes con este transporte en suspensión, se deben ingresar
condiciones de frontera o condiciones iniciales para que el modelo pueda tener en cuenta la carga
que viene de la cuenca y no solo la proveniente del tramo de modelación. Esto se hace mediante
una concentración inicial o una frontera con un ingreso determinado de sedimentos.
Por otro lado, los resultados obtenidos pueden deberse a la fórmula de transporte de sedimentos
por arrastre que se usó, como se mencionó antes, la fórmula de Van Rijn es para sedimentos con
diámetros de [0.0002 – 0.002] m, en este caso se tenían sedimentos con un 𝑑50 máximo de
0.000356, lo cual se encontraba muy al límite de sus diámetros admisibles. Sin embargo, se
considera que la falencia del modelo consiste en el transporte por suspensión, ya que este modo de
transporte es el 90% de la carga, según los aforos disponibles.
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Para finalizar, si bien el modelo hidrodinámico no representa el comportamiento del río, el modelo
es un buen inicio para empezar a entender el comportamiento de este sector del río. El modelo
hidráulico muestra resultados coherentes y puede ser la base de una futura modelación
hidrodinámica. Por otro lado, las validaciones de las futuras mejoras en el modelo, se pueden dar
por el comportamiento que ha tenido el río en los últimos años, hablando de sus cambios
morfológicos.
Open TELEMAC MASCARET mostró una gran capacidad, flexibilidad y muestra ser un software
apropiado para la modelación de ríos con características complejas. En la siguiente sección se darán
las observaciones con las cuales el modelo puede ir evolucionando y tener resultados más próximos
a los reales.
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7 RECOMENDACIONES
Con el fin de mejorar el modelo existente se dan las siguientes observaciones:
Se necesita un DEM con una resolución de 1 metro, lo anterior ya que se requiere evaluar el cambio
morfológico del sector, por lo cual se necesitan tener las elevaciones reales con una precisión que
no genere errores. Además, el raster debe ser reciente a la fecha de las batimetrías. En este proyecto
se contaba con un DEM antiguo, que no era contemporáneo a las batimetrías, tanto así que el cauce
del Brazo Reinera – Reinera era por lo menos 3 veces más grande que el Brazo Gaviotas. Por lo
anterior, en este modelo no se tiene una topografía real del sector y la elevación de las bancas es
una aproximación hecha con las batimetrías.
Se precisa la medición de un mayor número de secciones transversales, esto con el fin de poder
tener un mejor entendimiento del cauce, ya que, si bien el flujo tiene control aguas abajo, lo cual en
este caso sería la intersección de los brazos; los ríos son entes con muchas variables y de una alta
complejidad, pues su comportamiento es una reacción a cierto suceso en cualquier parte de su
recorrido. Por ejemplo, el ensanchamiento del Brazo Gaviotas fue la reacción, hacia la intervención
humana para cerrar el Brazo Bayonero que se formó en los años 50. El Brazo Bayonero se encuentra
a aproximadamente a 8 kilómetros aguas arriba del Brazo Gaviotas. Una modelación del Brazo
Bayonero junto con el Brazo Gaviotas podría dar un entendimiento de cual es la mejor intervención
por hacer, teniendo en cuenta que el Gaviotas se ensanchó por el Bayonero.
Se necesita contar con una máquina virtual que permita conectarse desde cualquier punto,
mediante un computador con acceso a la red. Esto, ya que las modelaciones no fallan
necesariamente en las primeras iteraciones, en muchos casos puede fallar en la 45621, por dar un
ejemplo. Si bien esto no es un requerimiento esencial, acelera mucho el proceso de modelación, al
menos en las primeras etapas cuando se tienen errores fácilmente debido a la mala configuración
del archivo de Comandos, o las condiciones de frontera o demás archivos iniciales que pueden
contener errores y los módulos (TELEMAC O SISYPHE) fallan. Además, las simulaciones tardan
mucho como ya se mencionó, por lo que se requiere que el modelo pueda correr sin interrupción
alguna.
Si bien es difícil y costoso generar aforos líquidos lo suficientemente robustos para generar un
hidrograma de entrada, es necesario la estimación de un hidrograma sintético que represente el
comportamiento del cauce a lo largo del año o una curva de niveles vs caudal. Lo anterior, ya que
para evaluar el comportamiento hidrodinámico y el cambio morfológico se debe correr el modelo
con una duración anual, por lo cual se debe entender el comportamiento dinámico que el río tienen
en cuanto a su flujo.
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Aforos sólidos en los brazos de la Boca de las Gaviotas. Esto, ya que la concentración de sedimentos
que se presenta en ambos cauces no es necesariamente la misma, y basándose en el hecho de que
este río modifica su lecho gracias al gran transporte que ocurre en suspensión, es fundamental crear
una distinción en el transporte en suspensión que ocurre en cada brazo inmerso en la modelación,
al igual que una concentración en el Brazo Reinera. De esta forma se puede ver el delta de
concentraciones en los diferentes tramos y establecer un comportamiento con el cual se pueda
validar o invalidar el modelo futuro con mayor precisión.
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8 MANUAL DE UTILIZACIÓN MODELO
Con el fin de que una persona externa a este modelo pueda utilizarlo fácilmente, se dan unos pasos,
a continuación, de como se puede correr una modelación utilizando los archivos que se suministran,
a petición de quien requiera:
1. Se debe tener instalado el software, en el siguiente link encontrará una guía pasa a paso de
como instalar open TELEMAC MASCARET:
https://drive.google.com/file/d/1RVMfuF_ZQ6Ltqz-ljJ4qQSVWZdAdMODZ/view
2. Se suministrará al interesado una carpeta llamada “FUDAA” que contiene los siguientes
archivos, a excepción del seleccionado:
Ilustración 22. Contenido carpeta para la modelación
Como se puede ver, hay 8 archivos con terminación “.cas” que son documentos de textos. Para cada
caudal modelado hay 4 archivos, 2 que dan los comandos de la hidráulica y 2 que dan los comandos
para el transporte de sedimentos. Ya que como se mencionó anteriormente, se realiza la
modelación por separado para el transporte en suspensión y por arrastre.
Hay una carpeta llamada “Archivos de Entrada”, la cual contiene todos los archivos iniciales que
necesita el modelo, en seguida se muestra una ilustración del contenido de esta carpeta:
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Ilustración 23. Archivos que contiene la carpeta Archivos de Entrada
Los archivos TopoRug son la topografía del sector con la rugosidad correspondiente, lo único que
cambia entre las dos es la rugosidad del sector del Brazo Reinera – Reinera. El archivo que no dice
nada tiene una rugosidad de 0.1 para el n de Manning en el sector de este cauce.
Los archivos con terminación “.cli” son las condiciones de fronteras tanto para el modelo hidráulico
como para el transporte de lecho y en suspensión. El nombre está dado por las iniciales del módulo,
en el caso de SISYPHE, el número 2 es para el transporte en suspensión.
Los otros archivos que se ven son otros archivos que se pueden agregar al modelo como las
secciones de control para evidenciar la evolución del lecho o el caudal en puntos determinados.
También están las condiciones de fronteras líquidas, este archivo es una curva de caudal vs altura
de la lámina con la que se quería realizar la modelación bajo una situación dinámico. Empero, por
cuestiones de tiempo en la elaboración del proyecto no fue posible.
Finalmente, la carpeta llamada “Resultados” contiene las modelaciones realizadas para este
modelo. Estas pueden ser usadas con inicio rápido de otras modelaciones o para evaluar los
resultados mostrados previamente. Sin embargo, el usuario puede calcularlas siguiendo los demás
pasos de este manual.
3. El usuario debe abrir la máquina de comandos correspondiente a TELEMAC, después de
haber corrido algún ejemplo de la carpeta examples, con el fin de comprobar que la
instalación esté correcta. Luego de esto, debe dirigirse mediante el comando CD a la
dirección donde haya guardado la carpeta FUDAA como se ve a continuación:
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Ilustración 24. Pantalla de comandos correspondiente a TELEMAC, en la dirección donde se guardó la carpeta suministrada
4. El usuario debe escoger el tipo de modelación que quiere hacer, a continuación, se muestra
una tabla con los documentos de Comandos disponibles que el usuario puede utilizar, se
debe tener en cuenta que el documento de comandos hidráulicos de compila con el
documento de comandos de sedimentos, tal y como se muestra en seguida:
Tabla 11. Archivos de comandos disponibles para modelación hidráulica y su compilación con el transporte de sedimentos
Comandos Hidráulica Correspondencia Comandos Sedimentos
ComHidr311.cas SediQ311LECHO.cas
ComHidr311s.cas SediQ311SUSPE.cas
ComHidr588.cas SediQ588LECHO.cas
ComHidr588s.cas SediQ311SUSPE.cas
En caso de que el usuario quiera modificar alguna de las opciones que tiene los comandos, debe
entrar a los comandos hidráulicos para modificar todo lo concerniente al flujo y a los comandos de
sedimentos para lo concerniente al transporte de partículas y la evolución del lecho.
5. El usuario debe escribir los comandos llamando al módulo que quiere utilizar. En este caso
se debe utilizar el módulo TELEMAC el cual se compila internamente con el módulo SISYPHE.
Por esto, se debe escribir el comando “telemac2d.py” seguido del nombre del archivo que
se quiera modelar, a continuación se muestra un ejemplo para realizar una modelación con
un caudal de 311 𝑚3
𝑠 con transporte de sedimentos de lecho:
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Ilustración 25. Comandos para iniciar la modelación de un caudal de 311 𝒎𝟑
𝒔 con transporte de sedimentos de lecho
6. Luego de que la modelación termine, según el número de iteraciones que se asignen, el
usuario tendrá disponibles dos archivos llamados “Cou1DQ311” y “SediQ311.sfl”. Estos
archivos corresponden a los resultados hidráulicos y los resultados en el transporte de
sedimentos respectivamente.
El usuario puede modificar las características de los archivos de comandos y agregar nuevos archivos
de entrada, con el fin de que el modelo pueda ser más preciso y pueda representar el
comportamiento del cauce real.
Los archivos resultantes de las modelaciones se pueden abrir mediante el software BlueKenue para
su post procesamiento y análisis, en el siguiente link puede encontrar un tutorial que explica cómo
utilizar esta interfaz gráfica y las posibilidades que ofrece:
http://www.opentelemac.org/index.php/component/jdownloads/summary/4-training-and-
tutorials/185-telemac-2d-tutorial?Itemid=55 . Además, en seguida se muestra un ejemplo de la
interfaz resultante luego de abrir ambos resultados, de la modelación ejemplo, en BlueKenue:
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Ilustración 26. Interfaz de BlueKenue luego de importar los resultados obtenidos en la modelación ejemplo.
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