rios01

Cmo citaing. 2012.

ARTICLE IN PRESSG ModelRIMNI-40; No. of Pages 10Rev. int. mtodos numr. clc. diseo ing. 2012;xxx(xx):xxxxxx

Revista Internacional de Mtodos Numricos paraClculo y Diseo en Ingeniera

www.elsev ier .es / r imni

Iber: herramienta de simulacin numrica del u

E. Blada b, Ea Institut Flume Catalu08034 Barcelonb Grupo de Inge Univerc Centre Internacional de Mtodes Numrics en Enginyeria, CIMNE, Edici C-1, Campus Nord UPC, Gran Capit, s/n, 08034 Barcelona, Espanad Departamento de Matemtica Aplicada, Universidade de Santiago de Compostela, Campus Vida, 15782 Santiago de Compostela, Espana

informacin del artculo

Historia del artRecibido el 16Aceptado el 26On-line el xxx

Palabras clave:Flujo en lminAguas someraModelizacin Inundaciones

r e s u m e n

Keywords:Open channel Shallow waterFluvial processFlood modellin

1. Introdu

La modeen predecir

Autor paraCorreos ele

georgina.coresjeronimo.puer(E. Vzquez-Ce

0213-1315/$ http://dx.doi.or este artculo: E. Blad, et al. Iber: herramienta de simulacin numrica del ujo en ros, Rev. int. mtodos numr. clc. diseo http://dx.doi.org/10.1016/j.rimni.2012.07.004

culo: de marzo de 2012

de julio de 2012

a libresde procesos uviales

Para dar respuesta a los requerimientos en materia de aguas denidos en las directrices, reglamentosy recomendaciones existentes en la legislacin espanola, los cuales estn mayoritariamente basados endirectivas europeas, se ha desarrollado una herramienta de modelizacin numrica del ujo de aguaen lmina libre en 2 dimensiones. La herramienta, llamada Iber, combina un mdulo hidrodinmico,un mdulo de turbulencia y un mdulo de transporte de sedimentos, y utiliza el mtodo de volmenesnitos para resolver las ecuaciones correspondientes. Al mdulo de clculo se le ha adaptado unainterfaz que se basa en el software de preproceso y posproceso GiD, desarrollado por CIMNE. El resultadoes una herramienta de modelizacin numrica del ujo de agua y sedimentos en ros y estuarios, queutiliza esquemas numricos avanzados especialmente estables y robustos en cualquier situacin peroespecialmente adecuados para ujos discontinuos y, en concreto, para cauces torrenciales y regmenesirregulares.

2012 CIMNE (Universitat Politcnica de Catalunya). Publicado por Elsevier Espaa, S.L. Todos losderechos reservados.

Iber River modelling simulation tool

ow

es modellingg

a b s t r a c t

The recent requirements of Spanish regulations and directives, on their turn based on European directives,have led to the development of a new two dimensional open channel ow modelling tool. The tool,named Iber, combines a hydrodynamic module, a turbulence module and a sediment transport module,and is based in the nite volume method to solve the involved equations. The simulation code has beenintegrated in a pre-process and post-process interface based on GiD software, developed by CIMNE. Theresult is a ow and sediment modelling system for rivers and estuaries that uses advanced numericalschemes, robust and stable, which are especially suitable for discontinuous ows taking place in torrentialand hydrologically irregular rivers.

2012 CIMNE (Universitat Politcnica de Catalunya). Published by Elsevier Espaa, S.L. All rightsreserved.

ccin

lacin matemtica del ujo de agua en un ro consiste los valores que toman las variables hidrulicas (calado,

correspondencia.ctrnicos: [email protected] (E. Blad), [email protected] (L. Cea),[email protected] (G. Corestein), [email protected] (E. Escolano),[email protected] (J. Puertas), [email protected]), [email protected] (J. Dolz), [email protected] (A. Coll).

velocidades, caudal, etc.) a partir de la resolucin mediantemtodos numricos de unas ecuaciones obtenidas con unaserie de hiptesis. Para el estudio de los efectos de la propagacinde avenidas en ros se pueden utilizar modelos unidimensionaleso bidimensionales. La necesidad de estudiar cada vez fenmenosms complejos, y la observacin que en la naturaleza se encuentranmuchas situaciones donde el ujo parece ser efectivamente bidi-mensional es decir, predominan las dimensiones horizontalessobre la vertical, junto con la creciente capacidad y velocidadde los ordenadores, ha llevado al uso de ecuaciones y esquemasbidimensionales (ecuaciones de aguas someras). Actualmente

see front matter 2012 CIMNE (Universitat Politcnica de Catalunya). Publicado por Elsevier Espaa, S.L. Todos los derechos reservados.rg/10.1016/j.rimni.2012.07.004,, L. Ceab, G. Coresteina, E. Escolanoc, J. Puertasn, E.T.S. dEnginyers de Camins, Canals i Ports de Barcelona, Universitat Politcnica de a, Espananiera del Agua y del Medio Ambiente, E.T.S. Ingenieros de Caminos Canales y Puertos, jo en ros

. Vzquez-Cendnd, J. Dolza y A. Coll c

nya, BarcelonaTech, UPC Campus Nord, Jordi Girona 1-3, D-1,

sidade da Coruna, Campus de Elvina, 15071 A Coruna, Espana

Cmo cita ricaing. 2012.

ARTICLE IN PRESSG ModelRIMNI-40; No. of Pages 102 E. Blad et al / Rev. int. mtodos numr. clc. diseo ing. 2012;xxx(xx):xxxxxx

existe una variedad de herramientas para la resolucin del ujode agua en lmina libre en 2 dimensiones. Algunas de las msconsolidadas, como Mike-21, Sobek o Tuow2D, utilizan esquemasen diferencias nitas, lo que conlleva limitaciones en la exibilidadde la mallaOtras, comoFLO-2D, utien la mallaLa tendencde volmenhabidos en ecuaciones de las herrason Infowo

Iber es udel ujo enracin del GEAMA (Untica (Univer(Universitatdes NumriHidrogrcllado directcolaboraciser especialas confedesectorial viaplicacin d

Simulaci Evaluaci

preferent Clculo h Clculo h Clculo d Estabilida Procesos

granular.

Iber se dnumrica bmetodologBlad et al. nes nitos, nuevas capde clculo amdulo hidtransporte dfondo y porse irn comllarn otrosa corto plazsedimento,de aguas. Ibde la pgincin adicionformacin.

2. Modelo

2.1. Ecuacio

El mduVenant bidi

y rozamiento supercial por viento:

h

t+ hUx

x+ hUy

y= 0

x) +( )

ghZ

x

y

)+

ghZ

y

de hdiadensidrciiccienta.ng co

ghn

uerzbre s

utili

CVD

, VX,10 de ae altu

en fin:

5,

5, 6

as lainml vienempviscoenciadas ediadd deo par

068

uf lang pain p

068

el mod tur

n (0, 2r este artculo: E. Blad, et al. Iber: herramienta de simulacin num http://dx.doi.org/10.1016/j.rimni.2012.07.004

y en el clculo de soluciones con discontinuidades. Telemac2D, los distintos mdulos de clculo de SMS ylizan elementos nitos, lo que permite ms exibilidad

de clculo al trabajar con mallas no estructuradas.ia actual se decanta claramente hacia la metodologaes nitos, aprovechando los importantes desarrolloslas ltimas dcadas con este tipo de esquemas para lasde las aguas someras (ver por ejemplo [1] y [2]). Algunasmientas disponibles y que utilizan volmenes nitos

rks, Guad2D, las ltimas versiones de Mike-21 e Iber.n modelo matemtico bidimensional para la simulacin

ros y estuarios desarrollado a partir de la colabo-Grupo de Ingeniera del Agua y del Medio Ambiente,iversidade da Coruna), del Grupo de Ingeniera Matem-sidade de Santiago de Compostela), del Instituto Flumen

Politcnica de Catalunya y Centre Internacional de Mto-cs en Enginyeria) y promovido por el Centro de Estudiosos del CEDEX. Iber es un modelo numrico desarro-amente desde la administracin pblica espanola enn con las universidades mencionadas y disenado paralmente til a las necesidades tcnicas especcas deraciones hidrogrcas en la aplicacin de la legislacingente en materia de aguas. Algunos de los campos dee la versin actual de Iber son:

n del ujo en lmina libre en cauces naturales.n de zonas inundables. Clculo de las zonas de ujoe.idrulico de encauzamientos.idrulico de redes de canales en lmina libre.e corrientes de marea en estuarios.d de los sedimentos del lecho.de erosin y sedimentacin por transporte de material

esarroll a partir de 2 herramientas de modelizacinidimensional ya existentes, Turbilln y CARPA (cuyaa se puede encontrar por ejemplo en Cea et al. [3] y[4], respectivamente), ambas con el mtodo de volme-que fueron integradas en un nico cdigo ampliado conacidades. El modelo Iber consta de diferentes mduloscoplados entre s. En su primera versin se incluye unrodinmico, un mdulo de turbulencia y un mdulo dee sedimentos, de granulometra uniforme, por carga de

carga en suspensin. En sucesivas versiones del modeloplementando y ampliando estos mdulos y se desarro-

nuevos. Entre las lneas prioritarias de desarrollo de Ibero se encuentran los modelos de transporte de mezclas de

los modelos de hbitat uvial y los modelos de calidader es un modelo de uso libre que se puede descargara web www.iberaula.es, donde se ofrece documenta-al, soporte a travs de un foro de discusin y cursos de

numrico

nes

lo hidrodinmico de Iber resuelve las ecuaciones de St.mensionales, incorporando los efectos de la turbulencia

t(hU

=

t

(hU

=

en donpromees la dla supees la frturbulManni

b,x =

La fcie lialtura,

s,x =

dondea 10 m10 m dcalculaexpresV10 70 E = 30/K+

S

= 0,41 es la constante de von Karman y dwall es la distan- punto considerado a la pared ms cercana. El modelogi y Rodi [6] resuelve una ecuacin de transporte para latica turbulenta k y para la tasa de disipacin de energa

:

+ Uyky

= xj

(( + t

k

)k

xj

)+ 2tSijSij + ck

u3f

h

+ Uyy

= xj

(( + t

)

xj

)

tSijSij + cu4

f

h2 c2

2

k

ck = c1/2f c = 3, 6c3/2k

c2c1/2 cf =

b

1U2c1 = 1, 44 c2 = 1, 92 k = 1, 0 = 1, 31

iones de contorno

ingue entre contornos cerrados (tipo pared) y contornosr los cuales entra y sale el agua del dominio de clculo.ornos cerrados se puede imponer o una condicin deto libre o una condicin de friccin de pared. Con lae deslizamiento libre se desprecia el rozamiento gene-

contornos sobre el uido. Si se considera relevante elozamiento generado por el contorno se debe utilizarn de contorno tipo friccin. La velocidad tangencial aede expresarse como una funcin de la velocidad deared (u*) y de la distancia a la pared como:

n(E du

)la distancia en perpendicular a la pared y E es un par-

valor depende de las caractersticas del ujo. Para el se consideran condiciones de ujo turbulento liso, tur-oso, y transicin entre turbulento liso y rugoso, tal comoa en la tabla 1.

a los contornos abiertos, se consideran diferentes alter-funcin del rgimen hidrulico en el contorno. En lose entrada se ja el caudal de agua y se asume que la

el ujo es perpendicular al contorno. En caso de que elen rgimen supercrtico, se impone adicionalmente elistribucin del caudal unitario a lo largo del contorno seorma proporcional al calado en cada punto del mismopresin qn = C h5/3, donde C es una constante que ase-

integral del caudal unitario qn a lo largo del contorno es igual al caudal total de entrada.

ZB

Figura 1condicio(centro)

que deespec

Portos tipagua vla cota(mareade formdomin

2.3. Co

Lashidrucarga. vlidascidad ucalculadichasIber sede ujros de las 2 cose obtisobre ven cadde despara cverted

2.4. Es

Lasresuelvbidimezados de camdacinIber exdescrip[8], Ro

La dnes nformadconvecGoduncomo s[2] parr este artculo: E. Blad, et al. Iber: herramienta de simulacin numrica http://dx.doi.org/10.1016/j.rimni.2012.07.004

ontornos de salida se impone el nivel de la lmina deo de que se produzca un rgimen subcrtico, mientrasecesario imponer ninguna condicin en el caso de queea supercrtico. En los contornos de salida se considera

posibilidad de introducir una relacin de curva de gasto

locales. El ttiza de formde la lminresto de trdiscretizanZDh h

ZB ZB

ZDZW

nicin esquemtica de las variables utilizadas en la imposicin deternas. Compuerta sin vertedero (izquierda), vertedero sin compuertabinacin compuerta-vertedero (derecha).

la relacin entre la cota de la lmina de agua y el caudalesaguado en cada punto del contorno.o, se incluye la posibilidad de denir contornos abier-

rea, en los cuales se impone una cota de la lmina dele en el tiempo. En estos contornos se ja nicamentela lmina cuando el agua sale del dominio de clculoante), y se impone adicionalmente la direccin del ujoerpendicular al contorno cuando el agua entra en elarea entrante).

iones internas

iciones internas se utilizan para modelar estructuras tipo compuertas, vertederos o puentes que entran enstos casos las ecuaciones de St. Venant dejan de serincumplirse las hiptesis de presin hidrosttica y velo-rme en profundidad, y por lo tanto es ms adecuadoelacin entre el caudal y la prdida de carga a travs decturas mediante ecuaciones de descarga especcas. Enideran condiciones internas de ujo bajo compuerta yre vertedero en lmina libre. El ujo a travs de table-tes anegados se puede calcular como la combinacin deiones anteriores. En este caso el caudal total desaguadocomo la suma del caudal bajo compuerta y del caudaldero. Las ecuaciones de desage y variables utilizadaso se especican en la tabla 2 (donde Cdg es el coeciente

para compuerta libre, Cdg es el coeciente de desageerta sumergida, Cdw es el coeciente de desage del

B es el ancho de paso de la estructura) y en la gura 1.

as numricos

aciones de aguas someras y las del modelo k- seediante el mtodo de volmenes nitos para mallas

nales no estructuradas. Los esquemas numricos utili-er son especialmente apropiados para la modelizacin

de rgimen y de frentes seco-mojado (frentes de inun-anlisis de los algoritmos de resolucin empleados en

los objetivos de este artculo, y se puede encontrar una detallada de aquellos en Bermdez et al. [7], LeVeque

y Vzquez-Cendn [2].etizacin del dominio espacial se realiza con volme-en mallas no estructuradas, admitindose estas mixtasor elementos triangulares y cuadrangulares. El ujose discretiza mediante esquemas descentrados de tipo del ujo en ros, Rev. int. mtodos numr. clc. diseo

rmino que incluye la pendiente del fondo se discre-a descentrada con el n de evitar oscilaciones espuriasa libre cuando se trabaja con terrenos complejos [7]. Elminos fuente, incluidos los de difusin turbulenta, se

con un esquema centrado.

Cmo citaing. 2012.

ARTICLE IN PRESSG ModelRIMNI-40; No. of Pages 104 E. Blad et al / Rev. int. mtodos numr. clc. diseo ing. 2012;xxx(xx):xxxxxx

Tabla 2Ecuaciones utilizadas en las condiciones internas, siempre y cuando se cumpla ZU-ZB > h

Compuerta - Libre (ZD ZB)/(ZU ZB) < 0, 67 Q = CdgBh

2g(ZU ZB)Compuerta -

Compuerta -

Vertedero - Vertedero -

Para el ttolerancia snito es meno se incluycon el n dde clculo. el lmite enmojado y lade inundacen imponerel gradiente

2.5. Interfa

La interfes de gran immensional datos de enen base al pnacional deprograma dcas que estrequisitos dexible y amponibles enotras han sitas especca lmina libllos especarchivo geousos del sumalla.

Uno de lla hora de den ros es lgeometra ievidente. Esmizar el nson muy adcordal (mxello Iber incomo la cretringulos ymos de malde creacinlos estudios

En el camente suavnica supeNURBS (Noporcionar mest bien colaridades imno se puedaximacin noproducind

. Mal

. Men Iber Herramientas y un ejemplo de edicin de nodos de una malla.

esentan irregularidades o complejidades se implement laologa de creacin de geometras en formato RTIN (Regularular Irregular Network) adaptando la propuesta presentadans et al. [14]. Las topografas resultantes permiten obtener

de gran calidad y robustez, aunque con presencia de direc- dominantes (g. 2).

ltimo, se incorpora una herramienta que permite, una vez la malla de clculo, modicar la cota de los nodos de lostos de la malla a partir de un modelo digital del terreno eno ASCII de Arc/Info (g. 3).

pacidades adicionales

ase del modelo Iber son los mdulos que calculan la hidro-ica y la turbulencia, descritos en los apartados anteriores. La Transicin 0, 67 < (ZD ZB)/(ZU ZB) < 0, 80 Anegada (ZD ZB)/(ZU ZB) > 0, 80 Libre (ZD ZB)/(ZU ZB) < 0, 67 Anegado (ZD ZB)/(ZU ZB) > 0, 67

ratamiento de los frentes seco-mojado se dene unaeco-mojado, de forma que si el calado en un volumennor a dicha tolerancia, el elemento se considera seco ye en el clculo. La altura de agua nunca se fuerza a cero,e evitar prdidas de masa en el interior del dominioDe esta manera se dene el frente de inundacin comotre las zonas con calado inferior a la tolerancia seco-s zonas con calado superior a dicho lmite. En el frentein se impone una condicin de reexin, que consiste

a cero tanto la velocidad perpendicular al frente como de la lmina de agua en dicha direccin.

z de preproceso y posproceso

az de usuario de un programa de simulacin numricaportancia, y en el caso particular de la modelacin bidi-

puede resultar clave dada la cantidad y la variedad detrada que se requieren. La interfaz de Iber est realizadarograma GiD [1012], desarrollado por el Centre Inter-

Mtods Numrics en Enginyeria (CIMNE). GiD es une preproceso y post proceso para simulaciones numri-

disenado para ser adaptado y personalizado segn losel modelo numrico. El resultado es una herramientaigable con el usuario. Muchas de las capacidades dis-

la interfaz de Iber son intrnsecas de GiD, pero muchasdo desarrolladas para dotar al modelo de las herramien-as que se necesitan para simulacin numrica de ujosre en aguas poco profundas [13]. De entre los desarro-cos para el preproceso destaca la importacin desde unrreferenciado de la rugosidad de Manning asociada aelo y su asignacin automtica a los elementos de la

os procesos que requieren mayor tiempo y esfuerzo aesarrollar un estudio de simulacin numrica del ujoa generacin de la malla de clculo. Un ro tiene unarregular y la construccin de una malla eciente no es

deseable que la malla sea irregular, con el n de mini-mero de elementos con transiciones suaves. Para elloecuados los mtodos de mallado basados en el errorima distancia entre el terreno original y la malla). Porcorpora las capacidades estndar de mallado de GiD,acin de mallas estructuradas y no estructuradas, de

de cuadrilteros, mediante el uso de diversos algorit-lado. Adicionalmente se han desarrollado herramientas

y edicin de mallas que se adaptan a las necesidades de de hidrulica uvial.so de que el terreno forme una supercie suciente-e, es posible importar el archivo del MDT como unarcie. Iber considera las supercies como entidadesn Uniform Rational B-Splines). Este mtodo puede pro-

Figura 2(RTIN).

Figura 3

que prmetodTriangen Evamallasciones

Porcreadaelemenformat

2.6. Ca

La bdinmr este artculo: E. Blad, et al. Iber: herramienta de simulacin numrica http://dx.doi.org/10.1016/j.rimni.2012.07.004

allas de gran calidad cuando la supercie resultantendicionada. Por el contrario, si el terreno tiene irregu-portantes, como por ejemplo edicios, es posible que

representar como una supercie NURBS, o que su apro- sea adecuada y la supercie se pliegue sobre s misma,ose por lo tanto errores en el mallado. Para topografas

herramientla posibilidalas precipituna explicalos objetivomanera conQ = CdgBh 6g(ZU ZD)Q = C dgBh

2g(ZU ZD)

Q = CdwB(ZU Zw)1,5Q = 2, 6 Cdw B(ZD Zw)(ZU Zw)0,5

la de clculo formada por una Red Irregular de Tringulos Rectngulos del ujo en ros, Rev. int. mtodos numr. clc. diseo

a completa tiene, como se menciona en el apartado 2.1,d de incluir en las ecuaciones del modelo los efectos deaciones y del transporte de sedimentos. Aunque hacercin detallada de estas capacidades no forma parte des de este artculo, s resulta interesante describirlos decisa.

Cmo cita rica del ujo en ros, Rev. int. mtodos numr. clc. diseoing. 2012.

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En el mdulo de transporte de sedimentos se resuelven las ecua-ciones de transporte por carga de fondo y por carga en suspensin.Teniendo en cuenta ambos modos de transporte se calcula la evo-lucin de la cota del fondo debido a procesos de sedimentaciny erosin mconsideran

El caudaempricas eporte de secaractersti

Umbral d Formulac Meyer Pe

30 mm) [1 Van Rijn ( Correcci

crtica en Correcci

tud y dire Separaci Condicion

fondo var Condicin

El transpde conveccconcentracicin/resuspel lecho y laeste mdul

Incorpora Trmino d Clculo d

las formu Van Rijn Smith M Ariathu

Clculo devan Rijn [

Condicinpensin v

En Iber erado por uen el espacen diferentde procesoinltracin la inltraciimportanteescorrenta3 modelos Green-Amp

As mismciones de mdesage, unestudios de

3. Validaci

En esta sles del mod

1

0,5y

1,61,41,21

|V| (m/s)

. Vistidura

0,5

. Secciferen

2,0 m

cisie apl

cala

escaaciransvura vepars de n este tipo de escalas de peces las velocidades verticales sonequenas excepto en la hendidura, y el campo de velocidad esomogneo en profundidad, por lo que el ujo puede simu-decuadamente con un modelo basado en las ecuaciones de St.t 2D. Debido a las elevadas pendientes de este tipo de disposi-abitualmente entre el 5 y el 10%) y a la elevada velocidad del

n las hendiduras verticales, el ujo es altamente turbulento, yanto se hace indispensable utilizar un modelo de turbulencia para una correcta modelizacin del campo de velocidadess zonas de recirculacin que se producen en las piscinas [21].a validar el modelo hidrodinmico y de turbulencia seiz el ujo en 2 disenos de escalas de hendidura vertical y seraron los campos de velocidad con los obtenidos experimen-te en Puertas et al. [22]. La gura 4 muestra la geometradisenos utilizados, as como el campo de velocidad y lneasriente calculadas para un caudal de 65 l/s. Para discretizarna de las geometras que se muestran en la gura 4 se

una malla no estructurada formada por aproximadamente volmenes nitos, con un tamano medio de elemento de

Si se utiliza el modelo k- para calcular las tensiones turbu-el modelo predice adecuadamente las zonas de recirculacinelocidades mximas que se producen en las piscinas, comoobservarse en la comparacin numrico experimental questra en la gura 5 para 3 secciones transversales: una en el

T1 y 2 en el diseno T2.r este artculo: E. Blad, et al. Iber: herramienta de simulacin num http://dx.doi.org/10.1016/j.rimni.2012.07.004

ediante la ecuacin de Exner. En todos los casos segranulometras uniformes.l slido de fondo se calcula mediante formulacionesn funcin de la tensin de fondo. El mdulo de trans-dimentos por carga de fondo incluye las siguientes

cas:

e movimiento de Shields.iones para caudal slido de fondo.ter-Mller con correccin de Wong-Parker (D = 2-5].D = 0,2-2 mm) [16].n por pendiente de fondo en inicio del arrastre (tensin

talud) [17].n por pendiente de fondo en transporte slido (magni-ccin) [17].n de tensiones de Einstein por formas de fondo y grano.es de contorno tipo sedimentograma (caudal slido deiable en tiempo).

de cota de fondo no erosionable (puntos jos).

orte en suspensin se calcula resolviendo la ecuacinin-difusin promediada en profundidad para lan de sedimento, incluyendo un trmino de deposi-ensin que modela el intercambio de sedimento entre

carga en suspensin. Las principales caractersticas deo son:

cin de transporte por difusin turbulenta.e deposicin/resuspensin.

e la concentracin de sedimento en suspensin segnlaciones de:

[18].cLean [19].

rai [20]. la velocidad de sedimentacin de las partculas segn18]

de contorno de concentracin de sedimento en sus-ariable en tiempo.

s posible considerar el aporte de masa de agua gene-n episodio de precipitacin variable en el tiempo yio. Para ello se pueden denir diferentes hietogramases zonas del dominio de estudio. En la simulacins de precipitacin puede ser necesario considerar lade agua en el terreno no saturado. La modelizacin den de agua supercial en el terreno es especialmente

en la simulacin de la transformacin de lluvia en. Para calcular la inltracin potencial se implementande inltracin comnmente utilizados: el modelo det, el modelo de Horton y el modelo lineal.o, Iber incorpora la posibilidad de realizar las simula-anera que faciliten la delimitacin de la va de intenso

requisito que la normativa espanola exige para los determinacin de los mapas de inundabilidad.

ones

eccin se presentan algunas validaciones experimenta-elo Iber con el n de mostrar las capacidades del modelo

0

y

7

1

0,5

00

Figura 4de hend

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

y

1

Figura 5rica, en dT2 en x =

y la pretipos d

3.1. Es

Unala migrculos thendidcinas sa travcina. Emuy pmuy hlarse aVenantivos (hagua epor lo ttipo k-y de la

Parmodelcompatalmende los de corcada uutiliz11.0004 cm2.lentas y las vpuede se muediseno8 9 10 11 12

0,80,60,40,20

21,81,61,21

0,40,60,8

0,2

1,4

0

|V| (m/s)

1 2 3 4x

x

a en planta de los campos de velocidad en 2 tipos de escala de pecesvertical. Disenos T1 (arriba) y T2 (abajo).

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

y

0 0,5Vx

1,5

KE modelExp

1 1

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

y

10,5 0 0,5Vx

1,5 21 0,5 0 0,5Vx

1,5 21

KE modelExp KE modelExp

iones transversales de velocidad longitudinal, experimental y num-tes secciones de la piscina. Diseno T1 en x = 9,46 m (izquierda), diseno

(centro) y diseno T2 en x = 2,6 m (derecha).

n que se puede esperar de sus resultados en diferentesicaciones.

de peces de hendidura vertical

la de peces es un dispositivo disenado para posibilitarn de las especies pisccolas ro arriba a travs de obst-ersales como pueden ser azudes o presas. Las escalas deertical consisten en un canal dividido en diferentes pis-adas por paredes verticales con una hendidura verticalla cual los peces puedan desplazarse de piscina en pis-

Cmo citaing. 2012.

ARTICLE IN PRESSG ModelRIMNI-40; No. of Pages 106 E. Blad et al / Rev. int. mtodos numr. clc. diseo ing. 2012;xxx(xx):xxxxxx

10

8

6

4

2

00 20

h (m

)

10

8

6m)Figura 6. Rotutantes de tiem

3.2. Rotura

El clcude una presde los modcionan en eresultados habitualmepara resolvproblemas mensional, rotura instadesde el pucapaz de reestable y pr(de tipo Godeste tipo decon la solupresa 1D, code la presa.200 elemenpredecir cotipo de ines

3.3. Cruce d

Duranteprecipitacifactor imposeguridad den 2 dimenpara la comecacia delexperimentde ModelosHidrolgicaAmbiental para el estu[23]. La insse cruzan variable excLos 2 canaly existen vecomo en lapuede obse

Para el euna campala ayuda demismo apautilizndolototal de 72las calles, tdel cruce y

2 m

2 m

1,5 m

1,5 m

5 m

y

. a) Ga par

Figura 8. Comparacin numrico-experimental segn el eje x.

aciado longitudinal en el resto (g. 7b). Para la simulacinica se utiliz una malla 3 veces ms densa, pero de manerada punto de medida coincidiera con un volumen nito parar la comparacin, obtenindose un total de 6.480 elementos).la gura 8 se presenta la comparacin numrico-

mental de calados y velocidades en forma de perlesdinales por lneas paralelas al eje x de la instalacin.

icaciones

lculo de velocidades en un tramo de ro con azud y escalas

so de mallas no estructuradas formadas por elementos de 340 60 80 100x (m)

T2 exactoT2 Iber minmod

4

2

00 20 40 60 80 100

x (m)

T2 exactoT2 Iber minmod

h (

ra de presa 1D instantnea. Perles longitudinales de calado en 2 ins-po calculados con Iber (lnea continua) y solucin analtica (crculos).

de presa

lo de las zonas afectadas por la rotura total o parciala o de una balsa de contencin es una posible aplicacinelos de aguas someras bidimensionales, que propor-stos casos una buena relacin entre precisin en los

y complejidad del modelo de clculo. Un test utilizadonte para evaluar la capacidad de un modelo numricoer los cambios de rgimen ligados a este tipo dees el anlisis de la rotura de presa instantnea unidi-para la cual existe solucin analtica. Aunque el test dentnea unidimensional es geomtricamente sencillo,nto de vista numrico implica que el modelo debe sersolver cambios de rgimen y ondas de choque de formaecisa. Los esquemas numricos implementados en Iberunov) son especialmente adecuados para el clculo de

ujos. La gura 6 compara los resultados numricoscin analtica para un test de rotura instantnea densiderando unos calados de 10 m y de 1 m a cada lado

Para el clculo numrico se ha utilizado una malla detos. Como puede observarse, el modelo es capaz den gran precisin la solucin analtica, sin crear ningntabilidad numrica en la onda de choque.

e calles

un episodio de lluvia en una ciudad, una parte de lan acaba circulando por la supercie de las calles y es unrtante a tener en cuenta desde el punto de vista de lae vehculos y peatones. Los modelos de aguas somerassiones permiten obtener informacin de gran intersprensin y anlisis de este problema. Para comprobar la

modelo en este tipo de casos se realiz una validacinal en la que se utiliz una instalacin del Laboratorio

Reducidos de la Seccin de Ingeniera Hidrulica e del Departamento de Ingeniera Hidrulica, Martima yde la Universitat Politcnica de Catalunya, construidadio de la distribucin de caudales en un cruce de callestalacin consiste en 2 canales de 1,5 m de ancho queperpendicularmente. La pendiente de los canales esepto en la zona del cruce, donde la solera es horizontal.es disponen de alimentacin de agua independiente,rtederos para aforo del caudal tanto en las 2 entradas

s 2 salidas. La geometra en planta de la instalacin se

5 m

Figura 7emplead

de espnumrque cafacilita(g. 7c

En experilongitu

4. Apl

4.1. Cde pece

El ur este artculo: E. Blad, et al. Iber: herramienta de simulacin numrica http://dx.doi.org/10.1016/j.rimni.2012.07.004

rvar en la gura 7a.studio de los campos de calados y velocidades se realizna de medidas. El campo de velocidades se midi con

un correntmetro electromagntico bidimensional. Elrato sirvi para la determinacin de niveles de agua

a modo de limnmetro. Se tomaron medidas en un0 puntos, con un espaciado de 0,15 m a lo ancho deambin 0,15 m de espaciado longitudinal en la zona

1,5 m aguas arriba y aguas abajo del mismo, y 0,30 m

y 4 lados pmuy ecienexisten patque permittamano. Enutilizada paproximadauna escala dpor elemena b c

x

eometra en planta de la instalacin del cruce de calles. b) Mallaa la campana experimental. c) Malla para las simulaciones. del ujo en ros, Rev. int. mtodos numr. clc. diseo

ermite el mallado de geometras complejas de manerate. Esto resulta muy adecuado en problemas en los querones de ujo con escalas espaciales muy diferentes, yae optimizar el nmero de elementos de la malla y su

la gura 9 se muestran distintos detalles de la mallaara el clculo hidrodinmico de una tramo de ro demente 1 km de longitud en el que existe un azud cone peces de hendidura vertical. La malla est compuestatos de tamanos comprendidos desde los 100 cm2 en las

Cmo citaing. 2012.

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Figura 9. Malescala (izquier

Figura 10. Lndiente a los pe

piscinas de De esta made la escalade caudal dpermite evaque se desvlas piscinasdepende el

La veloc(gura 10) q30 y 60 m3/abajo del azmente que del caudal, llas de peceforma impoazud, que enhallarse el a

4.2. Clculopuente aneg

La resistal cauce de

0

3,53,0

2,5

2,0

0

l agu

a (m

/s)

1. Ve peceajo coa).

4la de volmenes nitos no estructurada. Vista general del azud y lada) y detalle de una de las piscinas de la escala (derecha).

1,5

0,5

0,0

1,0

Velo

cida

d de

3,53,0

2,52,0

1,5

0,5

0,0

1,0

Velo

cida

d de

l agu

a (m

/s)

Figura 1escala deaguas ab(continur este artculo: E. Blad, et al. Iber: herramienta de simulacin numrica http://dx.doi.org/10.1016/j.rimni.2012.07.004

eas de corriente en la escala de peces. SL1 indica la lnea correspon-rles de la gura 11.

la escala de peces, hasta los 100 m2 en el cauce del ro.nera es posible calcular el funcionamiento hidrulico

acoplado al del azud, para diferentes combinacionesel ro y nivel de la lmina aguas abajo del azud. Estoluar al mismo tiempo el porcentaje de caudal del roa por la escala, el campo de velocidades y calados en

y el efecto llamada, todos ellos factores de los quecorrecto funcionamiento de una escala de peces.idad del agua a lo largo de la lnea de corriente SL1ue atraviesa la escala de peces, para caudales del ro des, combinados con distintos niveles de la lmina aguasud, se muestra en la gura 11. Puede observarse clara-la velocidad del agua es prcticamente independienteo cual es un comportamiento caracterstico de las esca-s de hendidura vertical [22], pero est inuenciada dertante por el nivel de la supercie libre aguas abajo del

este caso viene determinada por el nivel de marea, porzud muy prximo a la desembocadura del ro.

de zonas inundables en un tramo de ro con unado

encia al ujo que generan estructuras transversales un ro como vertederos, compuertas o tableros de

Figura 12. Secutilizado en elproteccin fre

puentes es En este ejecondicionesexiste un pde encauza

Para modes transveutilizado enuna condicforma que edel tablero,una ecuacicota supericalcula med

Respectocaso de qucota de corintroducirlasario que lsucientemde la mota;importantepor el aguacuyo caso lcomprendid

El clcu370 m3/s co5 10 15 20 25 30 35 40

5 10 15 20 25 30 35 40

Distancia lo largo de la lnea de corriente (m)

Distancia a lo largo de la lnea de corriente (m)

locidad del agua a lo largo de la lnea de corriente SL1 que atraviesa las para caudales del ro de 30 m3/s (arriba) y de 60 m3/s (abajo). Nivelesrrespondientes a bajamar (puntos), marea media (lneas) y pleamar

422,2 425

20

Elevation427425,89424,78423,67422,56421,44420,33419,22418,11417 del ujo en ros, Rev. int. mtodos numr. clc. diseo

cin transversal con vista 3D del talud del puente (izquierda), y MDT modelo numrico donde puede observarse el trazado de las motas dente a inundaciones (derecha).

de gran importancia en el clculo de zonas inundables.mplo se calcula el campo de calados y velocidades en

de avenida en un tramo del ro Sarria (Lugo) en el cualuente. En el tramo considerado existen adems motasmiento que se deben considerar en el modelo numrico.delizar los efectos del puente se introducen los talu-rsales y estribos como una sobreelevacin del MDT

el modelo (g. 12). El tablero se introduce mediantein interna tipo combinacin compuerta-vertedero, den caso de que la lmina de agua toque la parte inferior

el caudal que pasa bajo el tablero se calcula medianten de descarga tipo compuerta, y si el agua supera laor del tablero, el caudal que pasa sobre el tablero seiante una ecuacin de descarga tipo vertedero (tabla 2).

a las motas longitudinales de encauzamiento, en ele puedan ser rebasadas por el agua debido a que suonacin no es lo sucientemente elevada, es necesarios como parte del MDT (g. 12). En este caso es nece-os elementos de la malla en torno a la mota sean loente nos como para denir en detalle la coronacin

en caso contrario, el error en los resultados puede ser. En caso de que las motas no vayan a ser superadas

pueden modelizarse como contornos tipo pared, ena malla de clculo nicamente se extiende en la zonaa entre motas (g. 13).

lo de zonas inundables se realiza para un caudal derrespondiente a un perodo de retorno de 100 anos. El

Cmo citaing. 2012.

ARTICLE IN PRESSG ModelRIMNI-40; No. of Pages 108 E. Blad et al / Rev. int. mtodos numr. clc. diseo ing. 2012;xxx(xx):xxxxxx

421,78 421,81

Figura 13. Exconsiderando (izquierda) y m

coeciente en las llanusin de la zointroducidotorno tipo pMDT (motahiptesis depero no en lal nivel alcclaramenteproduce sob

4.3. Canal d

Dentro Cataluna, trde Rialb, se canal de eslaguas abajose dispone uro, con el opor la derecdiente al capara consegcomplejidala malla asdel campo dunas zonas no estructumentos de detalle.

El coecbidimensioutilizara enocasionadacitamente dichos bloqde estudio, a imponer cabajo.

Dos de ldal de estudUrgell mcanal de esl

Figur

2.33782.00671.67561.34441.01330,682220,351110,02

|Profundidad2|3,53.11332.72672,341.95331.56671,180,793330,406670,02

2.385

2.184

1.195

3.3173.434

1.219

2.6322.288

.279

x

x

5. Calados en el canal de eslalon con las geometras de escolleras propuesta.

o (izquierda), y tambin conocer aproximadamente el ujos y velocidades) en el canal de eslalon y el canal de retorno424,81 425,04

Water Elevation426425424423422421420419418417

tensin de la inundacin y altura de la lmina de agua calculadamotas rebasables denidas mediante una sobreelevacin del MDTotas no rebasables denidas como contornos tipo pared (derecha).

de Manning se ja a 0,03 en el cauce principal y 0,05ras de inundacin. En la gura 13 se muestra la exten-na inundada calculada con 2 modelos en los que se han

respectivamente las motas como condiciones de con-ared (motas no rebasables) y como sobreelevacin dels rebasables). Para el caudal de clculo considerado la

mota no rebasable es correcta en la margen izquierdaa margen derecha, donde la altura de la mota es inferioranzado por el agua. En la gura 13 puede observarse

el efecto sobre el ujo generado por el puente, quereelevaciones de la lmina de agua del orden de 3 m.

e eslalon dentro del cauce de un ro

de un proyecto de recuperacin del ro Segre, enas las afecciones a este ro debidas al proyecto de la presallev a cabo el estudio hidrulico del ro en el entorno delalon de Ponts (Noguera), que se encuentra a unos 3 km

de la presa [24]. Para la delimitacin del canal de eslalonna estructura longitudinal de escollera en el centro del

bjetivo de dividir el cauce en 2 zonas: el canal de eslalonha y el retorno por la izquierda. En el lado correspon-

nal de eslalon se disponen otras estructuras de escollerauir el ujo adecuado para la prctica del piragismo. Lad de la geometra supona un reto para la creacin de

como para el clculo hidrodinmico. La discretizacin

1

y

z

y

z

Figura 1

retorn(calador este artculo: E. Blad, et al. Iber: herramienta de simulacin numrica http://dx.doi.org/10.1016/j.rimni.2012.07.004

e eslalon se realiz mediante una malla irregular, conde malla estructurada en cuadrilteros y otras de mallarada de elementos triangulares. El nmero total de ele-la malla es de 19.062. En la gura 14 se puede ver un

iente de rugosidad de Manning utilizado en el clculonal es n = 0,028. Este coeciente es inferior al que se

un clculo unidimensional debido a que la resistencia por la geometra de los bloques de escollera est impl-considerada al introducir en detalle la geometra deues. La condicin de contorno aguas arriba es el caudaly aguas abajo se determin la cota de la lmina de aguaon un clculo en rgimen permanente del tramo aguas

os objetivos del estudio eran asegurar que para el cau-dio (33 m3/s, que corresponde a la dotacin del Canals el caudal ecolgico) dos terceras partes pasen por elalon (derecha del dique central) y el resto por el canal de

para comprLos resultadprovocan uque los lmitos que prosobreelevacciar en la gretorno, de

4.4. Estudiode inundaci

Una de nmicos biinfraestructcin en zonse puede odiente al efa 14. Detalle de la malla de clculo del canal de piragismo.

1.199

1.883

2.349|Profundidad2|

32.6689 del ujo en ros, Rev. int. mtodos numr. clc. diseo

obar que son adecuados para la prctica del piragismo.os indican que las estructuras transversales de escolleran cierto escalonado de la lmina de agua. Ello es as yates entre los tramos estn formados por estrechamien-ducen la aceleracin del ujo hacia aguas abajo y unain de la lmina hacia aguas arriba, como se puede apre-ura 15. Un escalonado similar se produce en el canal debido a las estructuras transversales.

del efecto de una infraestructura en los nivelesn

las aplicaciones habituales de los modelos hidrodi-dimensionales es el estudio de la inuencia de lasuras en los niveles de agua y extensin de la inunda-as llanas. La gura 16 muestra el tipo de resultados quebtener con Iber en un estudio de este tipo, correspon-ecto de la carretera C-31 en la inundacin del ro Fluvi.

Cmo citaing. 2012.

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Calat_cicsa_T500 [m]

0,01 - 0,5

20,0017,8915,7813,6711,569,447,335,223,11 8.0979

7.1254

5.7397

3.8395

6.9678

6.8103

9.50576.8001

9.5235

11.845

13.952

14.14216.712

1,00

Water elevation

0,5 - 1,01,0 - 1,51,5 - 2,02,0 - 2,52,5 - 3,03,0 - 3,53,5 - 4,0

4,5 - 5,05,5 - 6,0

>7,06,5 - 7,0

4,0 - 4,55,0 - 5,5

6,0 - 6,5

Figura 16. EsFluvi.

A la izquierla cota de lrgimen vade 3.390 m3

Una de laen distintos

Figura 17. Cola lmina de a

permite obtener y tratar los resultados en un entorno GIS y com-parar el funcionamiento hidrulico de distintos escenarios. De estamanera, en la gura 17 se observan las diferencias en la cota dela lmina de agua (sobreelevaciones) obtenidas con 2 geometrasdistintas pe

5. Conclus

El uso dede agua, seel desarrollproblemas nmica, la texplcitos del clculo donda), perociones ms

Los esquuna potentetituyendo ea los requerde procesos

Agradecim

A los aul Cenctory Juaraci

raf13.814

Mxima cta el aigua

lica desu direLpez colabo

Bibliogr este artculo: E. Blad, et al. Iber: herramienta de simulacin numrica http://dx.doi.org/10.1016/j.rimni.2012.07.004

tudio de los efectos hidrulicos de una nueva carretera sobre el ro

da se muestran calados en formato GIS y a la derechaa lmina de agua. En este caso el estudio se realiz enriable, utilizando un hidrograma con un caudal punta/s y una malla RTIN.s caractersticas de Iber es la exportacin de resultados

formatos, entre ellos el formato ASCII de ArcInfo, que

1,1

mparacin de escenarios. La leyenda indica diferencias en la cota degua.

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ro utilizando la misma malla de base.

iones

l mtodo de volmenes nitos para el clculo del ujodimentos y turbulencia se ha mostrado adecuado parao de una herramienta de aplicacin en la resolucin deingenieriles. Iber resuelve las ecuaciones de la hidrodi-urbulencia y el transporte de sedimentos con esquemasescentrados, lo que lo hace particularmente ecaz parae ujos discontinuos (resaltos hidrulicos, frentes de

sin quitarle capacidad ni precisin en zonas con solu- suaves como es el ujo en un estuario.emas numricos utilizados en Iber se han integrado en

interfaz de preproceso y posproceso como es GiD, cons-l conjunto una herramienta efectiva para dar respuestaimientos actuales, en cuanto a modelizacin numrica

uviales, de la legislacin espanola.

ientos

tores les gustara agradecer al Laboratorio de Hidru-tro de Estudios Hidrogrcos del CEDEX, en especial a

Luis Balairn y a los investigadores ngel Lara, Davidn Jos Rebollo, por su conanza en el proyecto y sun.

a

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Iber: herramienta de simulacin numrica del flujo en ros1 Introduccin2 Modelo numrico2.1 Ecuaciones2.2 Condiciones de contorno2.3 Condiciones internas2.4 Esquemas numricos2.5 Interfaz de preproceso y posproceso2.6 Capacidades adicionales

3 Validaciones3.1 Escala de peces de hendidura vertical3.2 Rotura de presa3.3 Cruce de calles

4 Aplicaciones4.1 Clculo de velocidades en un tramo de ro con azud y escala de peces4.2 Clculo de zonas inundables en un tramo de ro con un puente anegado4.3 Canal de eslalon dentro del cauce de un ro4.4 Estudio del efecto de una infraestructura en los niveles de inundacin

5 ConclusionesAgradecimientosBibliografa