River 2d - Rio Piura

OBJETIVOS 

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Dar a conocer la utilización utilización del software River2D, en la modelación numérica. del Río Piura. Lograr un mayor conocimiento conocimiento del del alcance alcance de de los modelos numéricos numéricos en en la aplicación de la Ingeniería Hidráulica. Calcular detalladamente la distribución de velocidades, variación de tirantes, número de fraude, así como otros parámetros, en el tramo a estudiar, para evaluación de diferentes caudales.

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INTRODUCCIÓN El presente trabajo se muestra una modelación numérica en hidráulica aplicada al río Piura, utilizando el software “River -2D”, que permite el cálculo de parámetros hidráulicos como: cálculo de velocidades, niveles de agua. Este proyecto se encuentra dividido en las siguientes partes: La primera parte es un estudio de las características del río Piura como datos topográficos, hidrológicos, geológicos u otros que necesita el software a utilizar. La segunda parte está relacionada al software a u tilizar “River -2D”, donde describimos las ecuaciones físicas que emplea el programa, para una mejor confiabilidad. La tercera parte es la aplicación del software al río Piura, comparando los resultados con datos in-situ u otros modelos matemáticos. Finalmente las conclusiones, finalizan este trabajo, resumiendo las ventajas y desventajas del modelo aplicado.

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EL RÍO PIURA  Aquí ocuparemos las características del río Piura. Describe las definiciones básicas y proporciona una vista general de la geografía, la topografía, la cuenca, el recorrido y la pendiente del río, los caudales históricos y los problemas de erosión y sedimentación. Descripción geográfica El río Piura y la ciudad de Piura se encuentran en el extremo norte del Perú. Se ubican unos 1.000 Km. al norte de la capital Lima, muy cerca de la frontera con el Ecuador.

La ciudad de Piura es la capital del Departamento de Piura, tiene una superficie de 40.580 km2, correspondiente al 3,2 % del territorio peruano (1.285.215 km2). Al norte, limita con el Ecuador y el Departamento de Tumbes, al sur con el Departamento de Lambayeque y al este con el Departamento de Cajamarca. En el oeste, el Departamento de Piura se extiende hacia el Océano Pacífico. El departamento está parcelado en 8 provincias: Talara, Sullana, Paita, Piura, Sechura, Ayabaca, Morropón y Huancabamba. Junto con el Departamento de Tumbes forma la Región Grau. Las ciudades de Castilla y de Piura forman en conjunto un área con una población estimada de 300.000 habitantes, separadas por el río Piura.

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LA CUENCA Y EL RECORRIDO

La Cuenca del Río Piura que tiene un área total de 10.230 Km2 , se ubica en el Departamento de Piura en la Región Noroeste del país y abarca parte de los territorios de las Provincias de Piura, Sullana, Morropón, Huancabamba, Ayabaca, Paita y Sechura, cercana a la frontera con el Ecuador y a la línea ecuatorial. Está limitada por los 4°45´ y 5°45´ de latitud sur y los 79°30´ y 80°60´ de longitud oeste. 

NACIMIENTO Y SUBCUENTAS

El río Piura nace como río Chalpa en la Provincia de Huancabamba (distrito de Huarmaca) a 2,680 msnm, y pasa por las provincias de Huancabamba, Morropon, Piura y Sechura. En su recorrido toma los nombres de los ríos Huarmaca y Canchaque, adquiriendo el nombre de río Piura desde su confluencia con el río Bigote. Los ríos Huarmaca, Bigote, Piscán, Yapatera, San Jorge y La Gallega participan en el red hidrográfica de la cuenca del río Piura, siendo aproximadamente 295 km la longitud del cauce principal del río y 1.010 Km. la longitud total de la red hidrográfica.

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La cuenca abarca un área de aproximadamente 10.230 km2 , y está dividida en 5 subcuencas, denominadas como Bigote-Huarmaca, Chulucanas, Tambogrande, Medio Piura y Bajo Piura.

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RECORRIDO

Nacido en las alturas de Huarmaca a 2.680 msnm, el río llega al nor-oeste hasta Tambogrande sobre los nombres río Chalpa, río Huarmaca y finalmente río Piura, representando un tramo de 125 Km. de longitud. Desde Tambogrande el río avanza aproximadamente 25 Km. El último tramo llega su desembocadura en la Laguna Ramón, con la dirección sur-oeste y una longitud de cerca de 145 km. La parte media se caracteriza por quebradas y valles secos con laderas de pendiente media. La parte baja es una zona verde dedicada a la producción agrícola, interrumpida de áreas desérticas, como el desierto de Sechura. La pendiente longitudinal promedio varía entre 15 % en las regiones montañosas y 0,037 % en sus últimos 145 Km. en la zona aguas abajo de la ciudad de Piura. En t otal, la pendiente promedio del río es de 8,7 %. 

GEOLOGÍA DE LA CUENCA

La cuenca del Río Piura tiene un vasto territorio que se presenta con una amplia variedad de rocas y agregados de edad comprendida entre el Pre-Cambriano y el Cuaternario. Las rocas más antiguas constituyen el Zócalo Pre-Cambriano y el Paleozoico Inferior. Las rocas de edad Mesozoica se exponen en el sector sur y noroeste de la cuenca y son de naturaleza sedimentaria, volcánica y volcánicosedimentaria depositadas. Los sectores nor-oriental y sur-occidental son conformados a finales del Cretáceo, cuando se desarrolló gran parte de las cuencas volcánicas cenozoicas. La cuenca del río Piura corresponde geomorfológicamente a la denominada Cuenca Paraandina, limitada al este por las estribaciones de la Cordillera Occidental y hacia el oeste por la línea del Litoral, caracterizada por una topografía suave. 

HIDROLOGÍA

El objetivo del estudio hidrológico Estudio para el Tratamiento Integral del Río Piura fue la determinación de las avenidas características que pueden ocurrir en el río Piura a su paso por la ciudad de Piura, como consecuencia de las lluvias que se producen en la parte de la cuenca aguas arriba de la zona urbana, teniendo en cuenta que durante los impactos del Fenómeno El Niño las precipitaciones en la cuenca baja sobre pasan las intensidades de las precipitaciones en la parte media y alta de la cuenca.

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Caudales máximos instantáneos anuales del río Piura, estación Sánchez Cerro, 23,3 m.s.n.m (marcado los caudales > 2000 m3 /s y caudales = 0 m3 /s)

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EL RIVER 2D 

APRECIACIÓN GENERAL

Los adelantos en la capacidad de la computadora y la tecnología del software están haciendo el análisis detallado más rutinario en casi todas las ramas de la Ingeniería. Estos modelos son útiles en los estudios dónde los detalles locales de la distribución de velocidad y profundidad son importantes. Los ejemplos incluyen diseño de puentes, encauzamientos, obras de derivación e incluso la evaluación del hábitat del pez. E s ta introducc ión tiene la intención de dar una breve apreci ación g eneral

de la modelación de ríos en 2D, resaltando las consideraciones para las aplicaciones prácticas . Con las posibles altas velocidades y grandes pendientes, y relativamente de poca profundidad, los ríos y modelos de flujos presentan una difícil particularidad al desafío computacional. Este hecho es probablemente un factor significante en el retraso de aplicación de modelos de agua poco profundos en ríos comparados a los ríos costeros y a problemas de estuarios.

Las aplicaciones en modelos de rí os en 2D normalmente enfocan una limitada mag nitud del cauce, típi camente menor de diez veces el ancho del cauce en la longitud. En la mayoría de los casos, la variación de la descarga es relativamente lenta comparado al tiempo de viaje de agua a través del tramo, y las condiciones de estado permanentes siempre son perseguidas. La mayoría de los modelos son diseñados para dar soluciones transitorias, sin embargo, y a menudo la solución permanente deseada es obtenida como una asíntota a la solución transitoria (impermanente) después un largo lapso de tiempo. 

RECOPILACIÓN DE DATOS

Puede ser un cliché decir que un modelo sólo es tan bueno como la entrada de los datos, pero es verdad. Como en los datos de entrada, los modelos hidrodinámicos 2D requieren la topografía del fondo del cauce, rugosidad, así como condiciones de borde, y las condiciones iniciales del flujo. A demás, alguna clase de malla discreta debe diseñarse para capturar las variaciones del flujo. Obteniendo una representación exacta de la topografía del fondo es probablemente lo más crítico, difícil, y el tiempo que toma los ejercicios de modelación 2D es considerable. Los simples estudios de secciones transversales generalmente son inadecuados. Combinando GPS y los sistemas sonoros de profundidad para los ríos grandes y los estudios distribuidos de Estación Total para los ríos más pequeños tienen que ser buscados para ser efectivos. En cualquier evento, debe esperarse a gastar mínimo una semana para la colección de datos de campo para el estudio. Los datos del campo deben procesarse y deben verificarse a través de un modelo de calidad digital del terreno antes de usarse como la entrada para los modelos 2D. 

DESCRIPCIÓN DEL MODELO

Generalidades El River2D es un modelo bidimensional, la profundidad promedio hidrodinámica y el modelo de hábitat de pez se desarrollaron específicamente para su uso en arroyos naturales y ríos. Es un modelo de Elementos Finitos, basado en una formulación conservadora de Petrov-Galerkin upwinding

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CONDICIONES DE USO

El modelo River2D, en la plataforma de un programa ejecutable como el Windows (95/98/2000/ME/NT/XP), está disponible en el dominio público. El programa es proporcionado como es, sin la garantía de integridad o aplicabilidad a cualquier problema en particular. El programa y las utilidades asociadas, los ejemplos de archivos de datos y la documentación pueden copiarse libremente y puede distribuirse con tal de que esta noticia sea incluida y usada en modelo reconocido propiamente.

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MODELACIÓN BIDIMENSIONAL 

TIPOS DE MODELOS NUMÉRICOS

Los primeros modelos numéricos se desarrollaron exclusivamente para resolver un problema particular, generalmente el flujo del agua. Actualmente los modelos son genéricos con capacidad para resolver una gama de condiciones de flujo similares, con módulos adicionales para resolver otros fenómenos como transporte de sedimentos, dispersión de contaminantes, calidad de agua e inclusive modelación de hábitat de peces u otras criaturas acuáticas. Existen muchas maneras de clasificar los modelo numéricos, aquí se darán algunas de ellas según algunos criterios. 

DIMENSIONALIDAD

- E n los modelos unidimens ionales (1D)  se asume que una de las dimensiones prevalece sobre las otras dos. Esta dimensión es la longitudinal a lo largo del eje del río o canal. La información topográfica e hidráulica se introduce mediante secciones transversales, en las cuales se calculan el tirante y velocidad promedios en toda la sección transversal. Es decir, toda la sección es representada por un único valor medio de velocidad, no considerándose variaciones en la distribución de velocidades tanto horizontal como verticalmente. Asumen por defecto que el flujo es perpendicular a la sección transversal, lo cual es una de sus limitaciones. Estos modelos son aplicables en tramos de ríos y canales muy largos, generalmente mayores a veinte veces el ancho y cuando se busca principalmente determinar el máximo nivel de agua, para diseño de diques, por ejemplo:

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-Los modelos bidimensionales (2D)   consideran las variaciones en las dos dimensiones del plano horizontal. Las variaciones de la velocidad u otra magnitud de interés en la columna vertical de agua se promedian y se asumen como un único valor. Estos modelos son especialmente útiles en flujos muy extendidos (como estuarios, lagos, etc.) donde la variación vertical de velocidad es pequeña, por eso suelen llamarse modelos de aguas someras o poco profundas. Estrictamente no son aplicables a casos en que la variación vertical de la velocidad es apreciable, como por ejemplo el flujo sobre un vertedero o a través de un orificio sumergido; sin embargo mediante uso de expresiones empíricas o similares pueden incorporar estas singularidades dentro de la m odelación.

-Los modelos tridimens ionales (3D)  representan el estado más avanzado de la modelación. Estos modelos son capaces de calcular las tres componentes espaciales de la velocidad, y por tanto aplicables a cualquier caso práctico.

INFORMACIÓN NECESARIA

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INFORMACIÓN HISTÓRICA

El río Piura es probablemente uno de los ríos del Perú que cuenta con mayor información hidrométrica, con registros de caudales desde el año 1926. En las últimas décadas, el Proyecto Especial Chira-Piura ha venido registrando caudales, niveles de agua y niveles del fondo del cauce en el tramo urbano de la ciudad de Piura, de los cuales la información más valiosa corresponde a los años de Fenómeno de El Niño extraordinario en 1983 y 1998. De 1983 se tienen datos de aforos y batimetrías en el puente Bolognesi, mientras que de 1998 se tienen además batimetrías en los puentes Cáceres y Sánchez Cerro hasta caudales de 3750 m 3/s. Mucha de esta última información se muestra gráficamente en los Anexos 1 al 6 del  Apéndice A: Comportamiento del Río Piura durante el Fenómeno de El Niño 1998.

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CAUDALES

La información de caudales en el año 1983 fue obtenida mediante aforos realizados con correntómetro en el Puente Bolognesi; mientras que en 1998 los caudales fueron medidos en la presa Los Ejidos ubicada 3 km aguas arriba de la ciudad de Piura. En 1998 se tienen registros horarios del caudal, lo que permite contar con la información completa del hidrograma de la avenida máxima del año 1998 ocurrida entre los días 10 y 14 de marzo.

INFORMACIÓN LEVANTADA EN EL AÑO 2000 Topografía La información topográfica, geológica y geotécnica utilizada para la presente tesis fue extraída del Apéndice B: Información topográfica y del Apéndice C: Información de Geología y Geotecnia de UNP-UDEP (2001). El levantamiento topográfico tuvo distinto nivel de detalle en cada tramo de estudio. En el Tramo B, donde es necesaria mayor información se levantaron secciones transversales cada 100 m, Esta topografía corresponde a la situación actual, la cual difiere de las condiciones previas al Niño de 1998; pues actualmente existe una erosión general permanente en el cauce del río que ha dejado expuestas varias estructuras que antes de 1998 estaban enterradas; como por ejemplo el tabla estacado de concreto en el tramo urbano, las zapatas de algunos puentes y el Sifón Piura aguas abajo de

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la ciudad. Además, durante las avenidas la topografía del cauce varía mucho como se puede demostrar a partir de las batimetrías realizadas en los puentes.

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HIDROLOGÍA

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RUGOSIDAD

Según la práctica usual, se suele considerar a la rugosidad como el parámetro de calibración por excelencia, cuyo valor se usa para explicar los distintos niveles de agua observados con diferentes caudales. Es común afirmar que la mayor incertidumbre en la modelación hidráulica viene dada por la dificultad de precisar los valores de rugosidad del cauce. Sin embargo, este no parece ser el caso del río Piura en el cual la mayor incertidumbre en los niveles de agua viene dado por la erosión. Por otro lado, los coeficientes de rugosidad varían según los modelos sean unidimensionales o bidimensionales. En el caso de un modelo 2D, éste considera la variación de la velocidad la dirección transversal y en algunos casos también el efecto de la viscosidad turbulenta, por tal razón los valores de rugosidad en modelos 2D suelen ser menores que los modelos 1D; aunque todavía se carecen de reglas bien definidas para correlacionar la rugosidad entre uno y otro tipo de modelo. En la aplicación de modelos numéricos, debido a la inspección ocular del tramo modelado, los registros de velocidades, pendientes, entre otros, se adoptaron los siguientes valores característicos del coeficiente de rugosidad de Manning:

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ZONA MODELADA: PUENTE CÁCERES- FUTURO PUENTE INTEGRACIÓN

Geometría del modelo podemos observar la zona a modelar que es el tramo B. Se puede apreciar la topografía que será utilizada para la modelación, en líneas puntadas rojas se muestra el borde por donde el agua fluirá. En el tramo se puede observar los puentes Cáceres, Sánchez Cerro y Bolognesi, así como los puentes colgantes Intendencia y San Miguel.

GENERACIÓN DE MALLA

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PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

En esta sección se explicará la manera como se trabajará en River2d asumiendo un fondo plano ya que tener en la topografía cotas altas no es una buena idea porque tal vez parezca poco realista. Como es de conocimiento, el River2D es un modelo 2D en el plano horizontal o modelo de aguas poco profundas. Por ello, no puede modelar paredes verticales o muy empinadas. River2D solo considera la fricción del fondo, no de las paredes. Por ejemplo:

En el caso de un río natural esto no suele ser problema porque los taludes suelen ser suaves:

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Para el caso de una sección del río Piura, River2D aproximaría la topografía real como:

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SIMULACIONES

Para las simulaciones se asumirán los fondos planos de 16,19 y 21 m.s.n.m. Primero se simularan en régimen permanente (Run Steady) hasta que converja y luego en régimen impermanente (Run Transient) hasta un caudal de 3773 m3 /s que es el caudal máximo en el hidrograma sintético para un periodo de retorno de 50 años, así para todos los fondos planos mencionados anteriormente.

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CÁLCULOS Y RESULTADOS

En la figura observamos la distribución de velocidades para un caudal de 897m3/s que es el caudal al inicio del hidrograma y con un fondo fijo de 19 m.s.n.m. y se ejecutó en régimen permanente. Podemos apreciar una concentración de velocidades a unos 300m aguas abajo del Puente Cáceres, que corresponde a un angostamiento del cauce en la zona del Batallón de Intendencia. Este resultado nos sugiere que la máxima erosión del cauce debería presentarse en esta zona, lo cual coincide con los resultados obtenidos en el modelo físico

Se obtiene la velocidad promedio en las secciones aguas abajo de los puentes con un fondo fijo de 16 m.s.n.m. Nivel en la sección de salida =28.8 m.s.n.m.

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Se obtiene la velocidad promedio en las secciones aguas abajo de los puentes con un fondo fijo de 19 m.s.n.m.

Se obtiene la velocidad promedio en las secciones aguas abajo de los puentes con un fondo fijo de 21 m.s.n.m.

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CÁLCULO DE NIVELES DE AGUA Se han preparado figuras con las velocidades y los niveles de agua obtenidas aguas abajo de los principales puentes.

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

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Hace sólo una década, el tiempo necesario para realizar alguna modelación hubiera demandado meses o años en una pc ordinaria; sin mencionar el tiempo y esfuerzos necesarios para generar manualmente la geometría de mallas complicadas. Actualmente, la velocidad de cómputo y los programas de pre y post-proceso gráfico, con capacidad de generación automática de mallas, hacen factible la modelación numérica en forma eficiente. pero sería erróneo afirmar que en ingeniería hidráulica los modelos numéricos han remplazado a los físicos o que lo harán totalmente en el corto plazo. más correcto sería decir que am bos son complementarios y que en el futuro debería buscarse la modelación híbrida físico-matemática, en la cual se emplea cada tipo de modelo donde los resultados que pueda ofrecer maximicen la relación beneficio-costo. Los resultados de este trabajo no pueden ser tomados exactos, sino deben ser tomados como datos referenciales ya que esta tesis no es de validación, es decir, no se ha podido comparar datos puntuales debido a la carencia de información. Sin embargo se ha iniciado el estudio numérico bidimensional con este software que nos permite conocer las velocidades, así como los niveles de agua para diferentes caudales, pudiendo ser evaluado en régimen permanente e permanente.

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RECOMENDACIONES

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En este trabajo el problema principal fue que la información topográfica se levantó el año 2000 mediante secciones transversales que no proporcionan suficiente detalle para modelar correctamente la forma en planta. Entre cada sección transversal el programa realiza un interpolación lineal y por ello los quiebres bruscos haciendo una concentración de velocidades cercana a los bordes u orillas. Esos problemas debería solucionarse poniendo líneas de corte, pero en este caso tampoco hay suficientes puntos para definirlas. Debería haber puntos en la corona y pie del talud, a lo largo de todo el cauce, no solo en las secciones transversales, sino también información topográfica de orillas e islas.

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