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1er CONGRESO IBEROAMERICANO SOBRE SEDIMENTOS Y ECOLOGÍA
QUERÉTARO, QUERÉTARO MÉXICO, 21-24 JULIO 2015
COMPARACIÓN DE MODELOS COMPUTACIONALES PARA LA DETERMINACIÓN DEL
TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN RÍOS
Cardoso Landa Guillermo
Instituto Tecnológico de Chilpancingo. Av. Guerrero 81, Col. Ruffo Figueroa, Chilpancingo, Gro., México, C. P.
39020
[email protected]
INTRODUCCIÓN
El uso de los modelos computacionales para determinar el
transporte de sedimentos en ríos es reciente, en comparación
con el empleo de los modelos físicos. Para elegir entre los
modelos computacionales y los modelos fiscos es necesario
tomar en consideración varios aspectos: la naturaleza del
problema que necesita resolverse, los recursos disponibles, así
como el costo total asociado a la solución del problema
planteado. En algunos casos específicos, la combinación de
modelos físicos con modelos computacionales, pueden
resultar mejor para la comprensión adecuada del proceso bajo
investigación en el transporte de sedimentos de ríos (deVries,
1973).
Al utilizar modelos computacionales para la determinación
hidrodinámica en ríos, como el transporte de sedimentos, se
involucra la solución numérica de una o varias de las
ecuaciones diferenciales de gobierno de continuidad, de
momentum y de energía del flujo, además de la ecuación
diferencial de continuidad del transporte del sedimento. Una
ventaja de los modelos computacionales es que pueden ser
adaptados a distintos dominios físicos mas fácilmente que los
modelos físicos, los cuales son desarrollados para representar
condiciones especificas de algún sitio. Otra ventaja de los
modelos computacionales es que estos no están sujetos a los
efectos de distorsión que tienen los modelos físicos cuando
una solución puede obtenerse para las mismas condiciones del
flujo (por ejemplo, idénticos números de Reynolds y de
Froude, la misma escala de longitudes en las tres direcciones,
etc.)
determinación del transporte de sedimentos (Fan, 1988; Rodi,
2006). Pueden encontrarse revisiones exhaustivas de distintos
modelos hidrodinámicos de este tipo en Nicollet (1988),
Nakato (1989), Onishi (1994), Przedwojski et al. (1995),
Spasojevic and Holly (2000) así como en el Manual 110 de
Ingeniería de Sedimentación de la American Society of Civil
Engineers (2007).
Se llevó a cabo una revisión lo más amplia posible de los
modelos computacionales para transporte de sedimentos
desarrollados en las 3 últimas décadas, presentando los
modelos analizados a continuación atendiendo a su desarrollo
en 1, 2 o 3 dimensiones.
Modelos unidimensionales
Los modelos 1D han sido empleados desde la mitad de la
década de los 1980 con algunos resultados adecuados en la
investigación y en la práctica de la ingeniería. La mayoría de
los modelos 1D están fundamentados en un sistema
coordenado rectilíneo y la solución de las ecuaciones
diferenciales de conservación de masa y momentum de flujo
(las ecuaciones de flujo de Saint Venant) junto a la ecuación
de continuidad de masa de sedimentos (la ecuación de Exner),
utilizando esquemas de diferencias finitas.
Debido al rápido desarrollo de los métodos numéricos en la
mecánica de fluidos, la modelación computacional se ha
vuelto una herramienta atractiva para estudiar el transporte de
flujo/sedimentos, así como los procesos contaminantes
asociados en los ríos, lagos y zonas costeras del mundo.
Algunos modelos representativos de los modelos 1D,
seleccionados y analizados para fines del presente proyecto y
que se han desarrollado a través del esquema descrito, son los
siguientes: HEC-6 desarrollado por Thomas and Prashum
(1977), MOBED desarrollado por Krishnappan (1981),
IALLUVIAL por Karim and Kennedy (1982), CHARIMA por
Holly et al. (1990), SEDICOUP por Holly and Rahuel (1990),
EFDC1D, por Hamrick (2001), 3ST1D por Papanicolaou et al.
(2004). Algunos otros modelos ID que utilizan variantes en la
solución del esquema numérico comentado son: FLUVIAL 11
desarrollado por Chang (1984), GSTARS por Molinas and
Yang (1986) y OTIS por Runkel and Broshears (1991).
METODOLOGÍA
Modelos bidimensionales
En los últimos treinta años, se han desarrollado un gran
número de modelos computacionales hidrodinámicos para la
Los modelos 2D han sido desarrollados y empleados desde el
inicio de la década de los 1990. La mayoría de los modelos 2D
están disponibles para la comunidad de ingenieros hidráulicos
con una interface basada en software que permite de manera
sencilla la introducción de los datos y la interpretación grafica
de los resultados. Esta nueva característica de los modelos 2D
ha hecho que estos modelos sean de uso amigable y muy
populares.
La mayoría de los modelos 2D resuelven las ecuaciones de
continuidad de profundidad media y la de Navier-Stokes junto
con la ecuación de balance de masa de sedimentos, a través de
métodos de diferencias finitas, elemento finito o volumen
finito.
Algunos de los modelos 2D representativos y que fueron
analizados en el presente trabajo son los siguientes:
SERATRA desarrollado por Onishi and Wise (1982),
SUTRENCH-2D por van Rijn and Tan (1985), TABS-2 por
Thomas and McAnally (1985), MOBED2 por Spasojevic and
Holly (1990), ADCIRC-2D por Luettich et al. (1992), MIKE2
por the Danish Hydraulic Institute (1993), UNIBEST-TC2 por
Bosboom et al. (1997), USTARS un modelo modificado de
GSTARS, también basado en el concepto de tubo de corriente,
por Lee et al. (1997), FAST2D por Minh Duc et al. (1998),
FLUVIAL 12 por Chang (1998), DELFT-2D por Walstra et
al. (1998) y el modelo CCHE2D del NCCHE por Jia and
Wang (1999).
Modelos tridimensionales
En algunas aplicaciones de la ingeniería hidráulica, es
necesario recurrir a los modelos computacionales 3D, cuando
los modelos 2D no son suficientes para describir ciertos
procesos hidrodinámicos del transporte de sedimentos, por
ejemplo, el flujo en la vecindad de pilas en ríos y costas, así
como el transporte de sedimentos cerca de algunas estructuras
hidráulicas.
La mayoría de los modelos computacionales 3D de transporte
de sedimentos resuelven las ecuaciones de continuidad y de
Navier Stokes junto con la ecuación de balance de masa de
sedimentos, aplicando los métodos de diferencias finitas,
elemento finito o volumen finito. Para resolver las ecuaciones
gobernantes se ha utilizado en estos modelos 3D la
aproximación de Reyolds media de Navier Stokes (RANS).
Los modelos 3D investigados en este trabajo fueron los
siguientes: ECOMSED desarrollado por Blumberg and Mellor
(1987), RMA-10 por King (1988), GBTOXe por Bierman et
al. (1992), EFDC3D por Hamrick (1992), ROMS por Song
and Haidvogel (1994), CH3D-SED por Spasojevic and Holly
(1994), SSIIM por Olsen (1994), MIKE 3 por Jacobsen and
Rasmussen (1997), FAST3D por Landsberg et al. (1998),
Delft 3D por Delft Hydraulics (1999), TELEMAC por
Hervouet and Bates (2000) y el modelo ZENG3D desarrollado
por Zeng et al. (2005).
Análisis de las características generales de los
modelos computacionales seleccionados
Se analizaron las características principales de los 10 modelos
computacionales en 1D, de los 13 modelos computacionales
2D y de los 12 modelos computacionales en 3D para el
transporte de sedimentos descritos en los párrafos precedentes.
A continuación, se seleccionaron 9 de ellos, para finalmente
presentar la descripción de los modelos de transporte de
sedimentos seleccionados, que se han desarrollado a nivel
mundial y que se consideraron representativos para el
transporte de sedimentos en los ríos a nivel internacional.
1. CHARIMA. El autor es Holly et al., (1990) y la entidad
desarrolladora es académica o privada. Sus aspectos generales
son los siguientes: preparado para modelar la bifurcación y
desviación de agua y sedimentos, acceso al código fuente y
soporte técnico del autor (Dr. Holly) y previa utilización en
diferentes ríos aluviales. Sus características más destacadas
son: Modelo Numérico 1-D, desarrollado por Holly et al. en
1990, se utiliza para flujo permanente y variable en sistemas
simples o redes fluviales, en transporte sólido y para
transporte de contaminantes.
2. FLUVIAL-12. El modelo matemático FLUVIAL-12, es un
modelo
erosionable-límite
que
simula
cambios
interrelacionados en el perfil de canal de fondo, ancho de
canal y la topografía del fondo. El modelo requiere un
hidrograma de entrada (s), composición del fondo del canal,
materiales y datos transversales de canales similares a los que
se utilizan en HEC-2. El programa FLUVIAL-12, es un
modelo matemático que se ha formulado y desarrollado para
el flujo de agua y los sedimentos de cauces de canales
naturales y artificiales. Los efectos combinados de la
hidráulica fluvial, transporte de sedimentos y los cambios de
canal son simulados para un flujo en un período determinado.
Sus aspectos generales son los siguientes: este modelo es
aplicable tanto a ríos efímeros, como a ríos con flujo a largo
plazo, ha sido probado y calibrado con datos de campo de
varios ríos, en regiones semi-áridas y húmedas. Debido al
comportamiento transitorio en los cambios dinámicos, los ríos
efímeros requieren técnicas más complicadas en la
formulación del modelo; este modelo puede ser utilizado en
cualquier computadora, que tenga la capacidad adecuada.
Alguna de sus características predominantes son: es un
modelo numérico 1D/C-2D; se utiliza para flujo no
permanente y utiliza el método estándar de pasos.
3. HEC-6. El propósito de este modelo es la determinación del
transporte de sedimentos unidimensional, determinar el perfil
de la superficie libre del agua y perfiles de sedimentos en el
fondo, mediante el cálculo de la interacción entre el material
de sedimentos en el lecho de la corriente y la mezcla que fluye
agua-sedimento. La carga total de sedimentos, se calcula para
cada sección transversal, para arcillas, limos y arenas. El
cambio en la elevación del fondo y elevación de la superficie
del agua, también se calculan para cada sección transversal.
Con el modelo puede simularse la erosión a lo largo del cauce
y analizar la sedimentación. HEC-6 (HEC, 1991), es un
modelo de flujo unidimensional para canal abierto y diseñado
para simular los cambios en los perfiles de los ríos, debido a la
erosión y la deposición durante largos periodos de tiempo
(normalmente años, aunque las aplicaciones a las
inundaciones no son posibles). El registro de flujo continuo se
divide en una secuencia de flujos constantes de descarga y
duración variables. Para cada flujo de un perfil de la superficie
del agua, se calcula proporcionando energía, pendiente,
velocidad, profundidad, etc., en cada sección transversal. Los
posibles tipos de transporte de sedimentos, se calculan en cada
sección. Estos tipos, junto con la duración del flujo, permiten
una medición volumétrica de sedimento, para cada tramo. La
cantidad de socavación o deposición en cada sección, se
calcula y la forma de la sección transversal, debe ajustarse.
Las características del modelo son: capacidad para analizar las
redes de ríos, el dragado automático de canales, diques y otros
tratamientos de la invasión y varias opciones para el cálculo
de las tasas de transporte de sedimentos. Este modelo aplica
un equilibrio dinámico, entre el sedimento en movimiento en
una corriente natural, el tamaño y la degradación de material
de sedimento en los límites de la corriente y el sistema
hidráulico de flujo. HEC-6 puede ser usado para predecir el
impacto de hacer uno o más cambios en el sistema hidráulico
de los ríos, las tasas de transporte de sedimentos y la
geometría de canal. HEC-6 puede ser usado para evaluar la
sedimentación en los embalses (tanto el volumen como la
ubicación de los depósitos de sedimentación), para el diseño
de contracciones de canal necesarios para mantener la
profundidad de navegación o disminuir el volumen de erosión
de mantenimiento, predecir la influencia que la erosión tiene
en la tasa de sedimentación, estimación posible del máximo
de la erosión durante grandes inundaciones, y evaluar la
sedimentación en los canales fijos. Algunas aplicaciones
recientes de HEC-6 fueron descritos por Thomas y Prasuhn
(1977) y la aplicación más reciente del HEC 6 fue en1992.
4. TABS-2. Es un modelo numérico para determinar la
sedimentación y el transporte de sedimento en el flujo de
canales abiertos. Está integrado por más de 40 programas de
computadora para realizar sus tareas. Los principales
componentes del modelo, RMA-2V, STUDH y RMA-4, se
utilizan para el cálculo en dos dimensiones de la profundidad
promedio de los flujos, la sedimentación, y el transporte de
sedimentos, respectivamente. Los otros programas del sistema
se utilizan para realizar la digitalización, la malla, gestión de
datos, visualización gráfica, análisis de rendimiento, tareas y
modelos de interconexiones. TABS-2 se ha aplicado a una
gran variedad de escurrimientos superficiales de agua,
incluidos los ríos, estuarios, bahías y esteros. Está diseñado
para ser utilizado por ingenieros y científicos que pueden no
tener una formación en informática rigurosa.
5. RVR-MEANDER. El autor es Johannesson & Parker, en
1985 y la entidad desarrolladora RVR Meander Beta, es de
dominio público y es de libre distribución. Los autores y
organizaciones anteriores, no asumen ninguna responsabilidad
u obligación, por el uso o aplicación de este programa, ni
estarán obligadas a proporcionar apoyo técnico. La plataforma
RVR Meander combina las funcionalidades de la primera
versión del RVR Meander (Abad y García, 2006) y los
propuestos por Langendoen y Simon, 2008.
Está escrito en lenguaje C++ y está compuesto por diferentes
bibliotecas de pre-procesamiento, la hidrodinámica, la erosión
del fondo, la migración, el filtrado y el trazado. Funciona
como aplicación independiente en los sistemas operativos
Windows y Linux y necesita 4 archivos de entrada de texto,
especificando los parámetros generales para la simulación, el
canal central, la sección principal y las propiedades iniciales
del fondo (geometría y erosionabilidad). RVR Meander
también tiene una interfaz de ArcGIS-ArcMap, escrito en
lenguaje C++.
Ilustración 1. Página de inicio del RVR-MEANDER
Su barra de herramientas se puede agregar a ArcMap, y
proporciona las mismas capacidades que la versión
independiente. RVR Meander fue desarrollado por D. Motta,
Abad JD, Langendoen EJ y García MH. La interfaz gráfica de
usuario fue desarrollado por R. Fernández, Oberg NO, y D.
Motta.
Ilustración 2. Aplicación del RVR-MEANDER
6. USGS. Los autores son Nelson & Smith, en 1989 y la
entidad desarrolladora es federal del dominio público siendo
sus características predominantes: aplicación para flujo no
permanente y solución mediante diferencias finitas. Un
ejemplo de aplicación del USGS es el Estudio de Transporte
de Sedimentos en Puerto Rico.
7. GSTARS. Es una serie de modelos informáticos
desarrollados por la Oficina de aguas de Estados Unidos de
América para los ríos aluviales y estudios de sedimentación.
La primera versión de GSTARS, fue lanzada en 1986 con
Fortran IV para las primeras computadoras. GSTARS 2.0 fue
lanzado en 1998, para la aplicación de una computadora
personal con la mayor parte del código en los GSTARS
originales, revisado, mejorado y ampliado con Fortran IV/77.
GSTARS 2.1 es una versión mejorada y revisada con interfaz
gráfica de usuario. Las características únicas de todos los
modelos GSTARS son el uso conjunto del concepto de tubo
de corriente y de la teoría de la corriente mínima de
alimentación. La aplicación de la teoría de la potencia mínima,
permite la determinación de la geometría óptima del canal
con anchura de canal variable y forma en sección transversal.
El uso del concepto de tubo de corriente, permite la
simulación de la hidráulica fluvial utilizando una solución a
través de soluciones numéricas. Sus aspectos generales son los
siguientes: es un modelo numérico de transporte de
sedimentos, desarrollado para simular los flujos de los ríos y
canales con o sin límites móviles, se utiliza para ríos aluviales
y estudios de sedimentación, es capaz de calcular perfiles de
agua en un solo canal, en redes simples de canales, y redes
complejas de canales y cuenta con modelos tanto de flujos
permanentes como no permanentes. sus características
fundamentales son: modelo numérico 1D/C-2D, utiliza el
método estándar de pasos, diferencias finitas y utiliza los
conceptos de tubo de corriente y de la teoría de la corriente de
alimentación mínima.
8. NCCHE. El sistema de modelado CCHE es un sistema de
análisis de última generación para el flujo turbulento en un río,
determinación del transporte de sedimentos y la evaluación de
la calidad del agua en dos dimensiones inestables. Los
modelos están dirigidos a aplicaciones en las áreas
relacionadas con la predicción de los cauces y la erosión de las
orillas, tanto para el sedimento uniforme como el sedimento
no uniforme, la migración de meandros y la calidad del agua.
El modelo se puede utilizar para evaluar los efectos de las
estructuras hidráulicas, como las estructuras de control de
calidad, diques, etc., tanto en la morfología del río como en la
calidad del agua para los hábitats fluviales. Además, el
modelo puede ayudar a los ingenieros, al menos, en el diseño
preliminar de nuevas estructuras hidráulicas. El NCCHE ha
desarrollado modelos en 1D, 2D y 3D, llamados CCHE1D,
CCHE2D y CCHE3D, con amplias posibilidades en el análisis
del transporte de sedimentos en ríos.
Se realizó la comparación de 9 modelos de transporte de
sedimentos, desarrollados en las últimas décadas a nivel
mundial, atendiendo a las características presentadas en la
tabla siguiente:
Tabla 1 Modelos de transporte de sedimentos comparados
Modelo
Los procesos de transporte de sedimentos, erosión y depósito
en un canal aluvial son extremadamente complejos. Los
desarrollos teóricos de las funciones de transporte de
sedimentos para diferentes flujos y condiciones de sedimentos
se han basado en desarrollos de diferentes grados de
complejidad. Algunos de los desarrollos simplificados están
basados en condiciones idealizadas de laboratorio, que pueden
ser no verdaderas para los sistemas naturales de ríos, que son
mucho más complicados. Muchas de las soluciones teóricas
más sofisticadas requieren un gran número de parámetros, que
son difíciles o prácticamente imposibles de obtener de la
mayoría de los ríos. Las soluciones empíricas basadas en
observaciones y datos del sitio en particular pueden ser útiles
para ese sitio donde fueron recolectados los datos. La
aplicación de esos resultados a otros sitios debe ser muy
cuidadosa. El acelerado avance de las tecnologías
computacionales, le permite a los ingenieros analizar o
simular procesos fluviales con diferentes grados de
complejidad.
Características
CHARIMA
Holly et al., 1990
Académico o privado
FLUVIAL12
Chang, 1990
HEC-6
U. S. Army Corps of
Engineers, 1993
Modelo federal del
dominio público
TAS-2
McAnally &
Thomas, 1985
Federal del dominio
público
MEANDER
Johannesson &
Parker, 1985
USGS
Nelson & Smith,
1989
Federal del dominio
público
D-O-T
Darby & Thorne,
1996
GSTARS 2.0
Yang et al., 1998
Federal del domino
público
NCCHE
Zhang et al., 2002
Federal del dominio
público
En la siguiente tabla, se presentan las características de las
ecuaciones diferenciales empleadas, así como la discretización
utilizada en su solución.
Tabla 2 Discretización y formulación
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Comparación de los modelos de transporte de
sedimentos seleccionados
Autores
CHAR
IMA
Fluvial
-12
HEC-6
TABS2
FlujoNoPerma
nente
SÍ
SÍ
NO
SÍ
Hidrograma
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
1D/C-2D
SÍ/NO
SÍ/SÍ
SÍ/NO
NO/NO
2D/FlujoProf
Media
NO
NO
NO
SÍ/SÍ
3D
NO
NO
NO
NO
PlantillaDef/B
anco
SÍ/NO
SÍ/SÍ
SÍ/NO
SÍ/NO
CargaSedimen
toGranular
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
MallaNoUnif
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
Modelo
Modelo
TiempoPasoV
ariable
CHAR
IMA
Fluvial
-12
HEC-6
TABS2
SÍ
NO
SÍ
NO
A continuación, se presentan de manera resumida tabular, las
capacidades para efectuar la modelación del transporte de
sedimentos en ríos por cada uno de los modelos analizados.
Tabla 4 Capacidades de modelación
CHAR
IMA
Fluvial12
HEC-6
TABS2
Hidrograma de
sedimentación
y flujo a/arriba
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
Estado a/abajo
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
Sedimentación
en la zona
inundable
NO
NO
NO
SI
TSsuspendido/
TStotal
SÍ/NO
SÍ/NO
NO/SÍ
SÍ/NO
TS de fondo
SÍ
SÍ
SÍ
NO
SedCohesivos
NO
NO
SÍ
SÍ
Acorazamient
o de Plantilla
SÍ
SÍ
SÍ
NO
CargaHidaulic
aMaterialSustr
ato
SÍ
SÍ
SÍ
NO
ErosionFluvial
Bancos
NO
SÍ
NO
NO
FallaBancosGr
ava
NO
NO
NO
NO
AlcanceRecto/
AlcanceIrreNP
SÍ/NO
SÍ/NO
SÍ/NO
SÍ/SÍ
RedDrenTrib/
Bifurcaciones
SÍ/SÍ
SÍ/NO
SÍ/NO
SÍ/SÍ
PlantillaCauce
NO
SÍ
NO
SÍ
Meandreo
NO
NO
NO
NO
Ríos
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
Puentes
NO
NO
NO
SÍ
Presas
NO
SÍ
SÍ
NO
Modelo
Tabla 2 Discretización y formulación
Meander
USGS
D-O-T
GSTARS2.0
NCCHE
NO
SÍ
NO
NO
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
NO/NO
NO
SÍ/SÍ
SÍ/SÍ
SÍ/SÍ
SÍ/SÍ
SÍ/SÍ
NO
NO/SÍ
SÍ/SÍ
NO
NO
NO
NO
SÍ
SÍ/NO
SÍ/NO
SÍ/SÍ
SÍ/SÍ
SÍ/SÍ
SÍ
NO
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
NO
NO
NO
SÍ
SÍ
Enseguida se enlistan los diferentes esquemas de solución
numérica, empleada por cada modelo para la solución de las
ecuaciones constitutivas del flujo de agua y del transporte de
sedimentos en ríos, formadas por sistemas de ecuaciones
diferenciales de gobierno.
Tabla 3 Esquema de solución numérica
CHARI
MA
Fluvial
-12
HEC-6
Método
estándar de
pasos
NO
SÍ
SÍ
NO
Diferencias
finitas
SÍ
NO
SÍ
NO
Elemento
finito
NO
NO
NO
SÍ
Modelo
TABS-2
Tabla 3 Esquema de solución numérica
Meander
USGS
D-O-T
GSTARS2.0
NCCHE
Tabla 4 Capacidades de modelación
NO
NO
SÍ
SÍ
NO
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
Meander
NO
NO
NO
NO
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
NO
USGS
GSTARS2.0
NCCHE
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
D-O-T
Meander
USGS
D-O-T
GSTARS2.0
NCCHE
SÍ
NO
NO
NO
SÍ
NO/NO
NO/SÍ
NO/SÍ
NO/SÍ
SÍ/SÍ
SÍ
NO
NO
SÍ
SÍ
NO
SÍ
NO
SÍ
SÍ
NO
NO
SÍ
SÍ
SÍ
NO
NO
SÍ
SÍ
SÍ
NO
NO
SÍ
SÍ
SÍ
NO
NO
SÍ
NO
SÍ
NO/NO
NO/NO
SÍ/SÍ
SÍ/SÍ
SÍ/SÍ
NO/NO
NO/NO
NO/NO
NO/NO
SÍ/SÍ
SÍ
NO
SÍ
SÍ
SÍ
NO
SÍ
NO
NO
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
NO
NO
NO
NO
SÍ
NO
NO
NO
SÍ
SÍ
Selección del
sedimentos
modelo
de
transporte
de
Es necesario reconocer que los modelos computacionales de
transporte de sedimentos presentan un cierto grado de
simplificación, para que puedan ser computacionalmente
factibles en su desarrollo. Mientras que los modelos muy
simplificados, corren el riesgo de no representar
adecuadamente el fenómeno analizado, los modelos altamente
sofisticados, presentan el riesgo de la complicación en la
formulación del problema, así como en la necesidad de una
alta cantidad de datos de entrada y un costo muy elevado en la
preparación, calibración y verificación del modelo. Esta
relación entre complejidad y costo de los modelos
computacionales para transporte de sedimentos fue analizada
por Overton y Meadows (1976) y Simons y Simons (1996),
con los resultados presentados en la figura siguiente.
Finalmente, se enlistan los elementos de apoyo al usuario que
establece cada uno de los 9 modelos de transporte de
sedimentos a nivel mundial, que se analizaron a detalle en este
proyecto de investigación.
Tabla 5 Apoyo para el usuario
CHARI
MA
Fluvial12
HEC-6
TABS-2
Documenta.
del modelo
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
Manual del
usuario
NO
SÍ
SÍ
SÍ
Apoyo en
línea
NO
NO
SÍ
NO
Meander
USGS
D-O-T
GSTARS2.0
NCCHE
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
SÍ
NO
SÍ
NO
SÍ
SÍ
NO
NO
NO
NO
SÍ
Modelo
Ilustración 3. Relación entre complejidad del modelo y el costo y
riesgo del modelo (Overton y Meadows 1976)
Adicionalmente, en la figura mostrada enseguida se presentan
una guía para la selección de los procesos de simulación de
diferentes escalas espaciales y temporales (Church 2006).
Como se muestra en la figura, existe una correspondencia
directa entre la escala de tiempo y la escala de longitud. Los
cambios a escala morfológica en la escala de la cuenca del rio
(escala de longitud mayor a 104 m) ocurre típicamente en un
lapso de 1 año o mayor. Como consecuencia, un modelo 1D o
2D puede ser suficiente para modelar ese tipo de cambios. Los
procesos a escala dinámica, sin embargo, ocurren a una escala
de longitud más pequeña, tales como la escala de un canal
natural y de una partícula de sedimento. Una referencia de
escala de tiempos para este tipo de procesos es de algunos
segundos hasta 1 hora. La figura siguiente implica que, para la
simulación del flujo alrededor de un obstáculo o a este tipo de
escalas, es importante el efecto de la turbulencia. Como
resultado, los modelos 3D deben ser usados para la simulación
de los flujos en escalas pequeñas, donde se requiere el mapeo
detallado de la microestructura turbulenta. Por .lo tanto, el uso
de los modelos 3D para simular los procesos a escalas de
cuencas, pueden presentar resultados no realistas, además de
que en la actualidad generan un alto costo.
ALMEDEIJ, J., AND DIPLAS, P. 2005. Bed-load sediment
transport in ephemeral and perennial gravel bed streams. Eos,
86-44, 429–434.
ANDERSON, J. D. 1995. Computational fluid dynamics,
McGraw-Hill, New York.
BELLEUDY, P. 1992. 100 years of Danube morphology with
SEDICOUP. 5th International Symposium on River
Sedimentation, Karlsruhe, Germany.
BHATTACHARYA,
B.,
PRICE,
R.
K.,
AND
SOLOMATINE, D. P. 2007. Machine learning approach to
modeling sediment transport. Journal of Hydraulic
Engineering, 133-4, 440–450.
BOSBOOM, J., AARNINKHOF, S. G., RENIERS, J. M.,
ROELVINK, J. A., AND WALSTRA, D. J. 1997. UNIBEST
TC-2.0 model: Overview of formulations.” Rep. H2305-42,
Delft Hydraulics, The Netherlands.
CHANG, H. H. 1984. Modeling of river channel changes.
Journal of Hydraulic Engineering, 110-2, 157–172.
Ilustración 4. Relación entre las escalas de longitud y tiempo en
procesos de simulación (Church 2006)
Conclusiones
CHANG, H. H. 1994. Test and calibration of FLUVIAL-12
model using data from the San Dieguito River. Report
Prepared for Southern California Edison Company.
Las discrepancias entre los resultados del transporte de
sedimentos en ríos obtenidos con los modelos
computacionales y las mediciones de campo se pueden atribuir
a diferentes causas. Algunas de ellas son: la simplificación del
problema, seleccionando un modelo inadecuado (1D sobre 2D
o 2D sobre 3D), el uso de los datos de entrada del modelo
inapropiados, la deficiencia de datos adecuados para la
calibración del modelo, la falta de familiaridad con las
limitaciones de las ecuaciones hidrodinámicas del transporte
de sedimentos utilizadas para el desarrollo del modelo así
como los errores computacionales en los códigos fuente,
debidos a las aproximaciones en los esquemas numéricos
utilizados en la solución de las ecuaciones gobernantes.
CHURCH, M. 2006. Scales of process, modes of analysis:
multiples scales in rivers. Proceedings, 6th International
Gravel-Bed Rivers Conference.
A pesar de estas variaciones entre los resultados obtenidos al
aplicar modelos computacionales y mediciones de campo, se
considera de gran utilidad la aplicación de los primeros,
debido a su rapidez y extensión de resultados, por lo que en
este trabajo se analizaron 35 modelos computacionales en 1D,
2D y 3D en primera instancia, para finalmente identificar 9
modelos previamente seleccionados y presentar las
características de funcionamiento y operación que los
identifican y los hacen distintos unos de los otros, con la
finalidad de que puedan ser de utilidad en el momento de la
selección de algún modelo computacional para la
determinación del transporte de sedimentos en ríos.
GESSLER, D., HALL, B., SPASOJEVIC, M., HOLLY, F.
M., POURTAHERI, H., AND RAPHELT, N. X. 1999.
Application of 3D mobile bed, hydrodynamics model.”
REFERENCIAS
HERVOUET, J. M., AND BATES, P. 2000. The TELEMAC
modeling system. Hydrological Processes, 14, 1.3.
ADMASS, M. 2005. 3-D numerical modeling of flow and
sediment transport in rivers. LIC 2028, KTH Land and Water
Resources Engineering.
DANISH HYDRAULIC INSTITUTE. 1993. MIKE 21 short
description, Danish Hydraulic Institute, Hørsholm, Denmark.
DE VRIES, M. 1973. Application of physical and
mathematical models for river problems, Pub. No. 12, Delft
Hydraulics Laboratory.
DELFT HYDRAULICS. 1999. Delft3D users’ manual, Delft
Hydraulics, The Netherlands.
HAMRICK, J. M. 2001. EFDC1D: A One dimensional
hydrodynamic and sediment transport model for river and
stream networks, model theory, and users guide. Technical
Report, U.S. EPA National Exposure Research Laboratory,
Athens, Ga. and U.S. EPA Office of Science and Technology,
Washington, D.C.
HOLLY, F. M., YANG, J. C., SCHOVARZ, P., SCHEEFER,
J., HSU, S. H., AND EINHELLIG, R. 1990. CHARIMA:
Numerical simulation of unsteady water and sediment
movements in multiply connected networks of mobile-bed
channels. Report No. 343, Iowa Institute of Hydraulic
Research, Univ. of Iowa, Iowa City, Iowa.
JACOBSEN, F., AND RASMUSSEN, E. B. 1997. “MIKE 3
MT: A 3-dimensional mud transport model. Technical Report
DG-12 to the Commission of the European Communities.
KARIM, M. F. 1985. IALLUVIAL: Analysis of sediment
continuity and application to the Missouri River. Report No.
292, Iowa Institute of Hydraulic Research, Univ. of Iowa,
Iowa City, Iowa.
KRISHNAPPAN, B. G. 1981. User’s manual: Unsteady, nonuniform, mobile boundary flow model—MOBED. Hydraulic
Division, National Water Research Institute, CCIW,
Burlington, Ontario.
KRISHNAPPAN, B. G. 1985. Comparison of MOBED and
HEC-6 river flow models. Canadian Journal of Civil
Engineering, 12, 464–471.
S LUETTICH, R. A., WESTERINK, J. J., AND
SCHEFFNER, N. W. 1992. ADCIRC: An advanced threedimensional circulation model for shelves, coasts, and
estuaries: Report 1, theory and methodology of ADCIRC2DDI and ADCIRC-3DL. Technical Rep. DRP-92-6, U.S.
Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg,
Miss.
MOLINAS, A., AND YANG, J. C. 1986. Computer program
user’s manual for GSTARS, U.S. Department of Interior,
Bureau of Reclamation, Engineering Research Center,
Washington, D.C.
NAKATO, T. 1989. Tests of selected sediment-transport
formulas. Journal of Hydraulic Engineering, 116-3, 362–379.
NICOLLET, G. 1988. River modeling. Recent advances in
hydraulic physical modeling—Series A: Applied science, R.
Martins, ed., Kluwer Academic Publishers.
OLSEN, N. R. 1994. SSIIM: A three-dimensional numerical
model for simulation of water and sediment flow.
HYDROSOFT 94, Porto Carras, Greece.
ONISHI, Y., AND WISE, S. E. 1982. SERATRA: User’s
manual for the instream sediment-contaminant transport
model. Technical Report No. PB-83-122739, Pacific
Northwest
Laboratory,
Battelle-Northwest,
Richland,
Washington.
PAPANICOLAOU, A., BDOUR, A., AND WICKLEIN, E.
2004. A numerical model for the study of sediment transport
in steep mountain streams. J. Hydraul. Res., 42-4, 357–366.
A PARKER, G., PAOLA, C., AND LECLAIR, S. 2000.
Probabilistic Exner sediment continuity equation for mixture
with no active layer. Journal of Hydraulic Engineering, 12611, 818–826.
PRZEDWOJSKI,
B.,
BLAZEJEWEKI,
R.,
AND
PILARCZYK, K. W. 1995. River training techniques:
Fundamentals, design and applications, Balkema, Rotterdam,
The Netherlands.
RUNKEL, R. L., AND BROSHEARS, R. E. 1991. OTIS:
One-dimensional transport with inflow and storage: A solute
transport model for small streams. CADSWES Technical
Report 91-01, University of Colorado, Boulder, Colorado.
Simons, R. K., and Simons, D. B. 1996. Modeling
contaminated sediments. Civil Engineering, 66-9, 73–75.
SLOFF, C. J. 2004. Innovation 2D river-modeling
instruments: Delft2D Rivers, Delft Hydraulics, The
Netherlands.
SPASOJEVIC, M., AND HOLLY, F. M. 1990. MOBED2:
Numerical simulation of two-dimensional mobile-bed
processes. Technical Report No. 344, Iowa Institute of
Hydraulic Research, University of Iowa, Iowa City, Iowa.
T WU, W., RODI, W., AND WENKA, T. 2000. 3D numerical
modeling of flow and sediment transport in open channels.
YANG, C. T., AND SIMÕES, F. J. 2000. Users’ manual for
GSTARS 2.1 (Generalized stream tube model for alluvial river
simulation version 2.1), Technical Service Center, U.S.
Bureau of Reclamation, Denver.
ZENG, J., CONSTANTINESCU, G., AND WEBER, L. 2005.
A fully 3D nonhydrostatic model for prediction of flow,
sediment transport and bed morphology in open channels. 31st
International Association Hydraulic Research Congress,
Seoul, Korea.

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