Modelación del flujo en lámina libre sobre cauces naturales. Análisis integrado con esquemas en volúmenes finitos en una y dos dimensiones

El conocimiento del funcionamiento hidráulico de un río en avenida es fundamental para la resolución de gran variedad de problemas de ingeniería hidráulica y dinámica fluvial, como delimitación de zonas inundables, diseño de encauzamientos y estructuras hidráulicas, estabilización de márgenes, estudios de rotura de presa, proyectos de rehabilitación de ríos, o determinación del riesgo asociado a episodios extraordinarios de lluvia. Para ello es necesario el estudio del flujo de agua en lámina libre en régimen variable y con geometrías irregulares. En este trabajo se aborda este estudio mediante la puesta a punto de herramientas de modelación numérica. El objetivo es la puesta a punto de una herramienta para la modelación matemática del flujo de agua en lámina libre, en régimen variable, con geometrías irregulares como son los cauces naturales. Los esquemas que se desarrollan permiten modelar con precisión flujos de agua discontinuos o con singularidades (cambios de régimen, frentes de onda, resaltos hidráulicos), como ocurre en la realidad durante el transcurso de una avenida en gran parte de los ríos, sobretodo en los cauces torrenciales. Se desarrollan esquemas numéricos para la resolución de las ecuaciones de Saint Venant en forma conservativa, explícitos en volúmenes finitos. Este tipo de esquemas shock capturing son los más adecuados para la simulación de flujos con singularidades. Los esquemas desarrollados son de alta resolución, con segundo orden de precisión fuera de las discontinuidades mientras que en éstas no se producen oscilaciones espurias ni más disipación de la debida.La geometría de los ríos condiciona las características del flujo hidráulico. Cuando existe una dirección del flujo predominante se puede utilizar una aproximación unidimensional, pero en ocasiones (confluencias de ríos, flujos alrededor de estructuras, cauces compuestos, curvas, desbordamiento de cauces) esto no es así debiéndose recurrir a una aproximación bidimensional, más costosa en información, complejidad del modelo y tiempo de cálculo. Se desarrollan nuevas metodologías para la modelación en una y en dos dimensiones y se realiza la integración de ambas para disponer de modelos que permitan simular grandes áreas considerando una aproximación unidimensional donde ésta sea suficiente, y en dos dimensiones donde las características geométricas o del flujo así lo aconsejen, mejorando la eficiencia de las metodologías existentes actualmente.Las características de las ecuaciones de Saint Venant determinan que las metodologías válidas para otros sistemas de ecuaciones hiperbólicos presenten problemas que conducen a errores importantes en la solución. En una dimensión, y para geometrías irregulares, las ecuaciones presentan una variación espacial del vector de flujo debido a los cambios geométricos. Se desarrolla una metodología para considerar dicha variación que, junto con un correcto tratamiento del término independiente, permite desarrollar un esquema de alta resolución en una dimensión de aplicación a ríos con convergencia a la solución estacionaria correcta.Para la aproximación bidimensional también se consigue un correcto balance del término independiente discretizado, así como el mojado y secado del dominio, y se permite la incorporación de agua de lluvia al modelo. Así se dispone de un modelo hidrológico distribuido de transformación lluvia - escorrentía totalmente integrado en un modelo hidráulico. En la discretización se pueden utilizar tanto elementos triangulares como cuadriláteros. El sistema se ha implementado en una interfaz amigable de preproceso y postproceso.Se realiza una exhaustiva verificación de la metodología desarrollada, mediante la comparación con problemas con solución analítica, otros modelos numéricos, y experiencias de laboratorio. Se presentan también aplicaciones de la herramienta desarrollada, para la resolución de problemas reales de ingeniería y dinámica fluvial.Understanding the hydraulic behaviour of rivers during floods is crucial for the resolution of a variety of problems of hydraulic engineering and river dynamics as flood areas mapping, embankments and hydraulic structures design, streambank stabilization, dam break studies, river rehabilitation, or risk assessment in extraordinary precipitation events. That is the reason for studying unsteady open channel flow in irregular geometries through the development of numerical simulation tools.The main objective of this work is generating mathematical modelling tools for unsteady open channel flow in irregular geometries, as natural rivers are. The developed numerical schemes are aimed to be able to properly simulate discontinuous flows (front waves, hydraulic jumps, transcritical flows) as occurs during a real flood in most rivers, especially those in Mediterranean areas. Explicit numerical schemes, based on the finite volumes technique, for the resolution of the Saint Venant equations in conservative form, are developed. This shock capturing schemes are most suitable for the simulation of flows with discontinuities. The developed schemes are high resolution schemes: second order precision away from flow discontinuities, no spurious oscillations and no extra dissipation (as with first order schemes) around them.Flow patterns in rivers depend on their geometry. When there exists a predominant flow direction a one dimensional approach can be used, but other times (river confluences, flow around structures, compound channels, river channel overflow) a two dimensional approach is needed. This last one is more expensive as needs more topographic information, model development is complex, and computational time is greater. New methodologies for one and two dimensional modelling are developed, but also both approaches have been integrated in order to be able to model big areas using a one dimensional approach when it is enough, and a two dimensional one when it is required by flow or geometry characteristics. In that way the efficiency of existing modelling methodologies is improved.Due to the special characteristics of Saint Venant equations, modelling methods that work for other hyperbolic equations can lead to important errors. In one dimension and irregular geometries, the flux vector of the equations has a spatial dependency on the geometry variations. A methodology that takes into account that dependency is developed. That, together with a correct treatment of the equations source term, allows a correct balance with the discretised term of the rest of the equations, leading to one dimensional high resolution schemes for irregular geometries. Similar schemes in known previous works were not able to converge to steady state solutions or, if they did, they did not converge to the correct one.A correct balance of the discrtetised source term is also achieved in two dimensions. Also, wetting and drying of the domain and precipitation inputs are implemented. In such way, the developed model can also be seen as a hydrological distributed rainfall-runoff transformation model fully integrated in a hydraulic model. The domain discretisation can be done using triangles or quadrilaterals, and the whole system has been integrated in a user friendly pre-process and post-process interface.High resolution schemes are based in a mathematical theory which is only valid for hyperbolic equations much simpler than Saint Venant equations. For that reason an exhaustive verification of the methodology is carried out. Verification is done with comparison against problems with analytical solution, other numerical models and laboratory experiments. Finally, some real applications of the methodology to engineering and river dynamics problems are presented

Modelación numérica de flujo mixto en conductos cerrados con esquemas en volúmenes finitos

En este trabajo se presenta un modelo numérico para la simulación de flujo mixto (flujo en lámina libre y flujo en presión) en conductos cerrados a través de las ecuaciones de Saint Venant en una dimensión para flujo en lámina libre y con el método de la ranura de Preissmann para considerar el flujo en presión. Para la resolución de las ecuaciones se emplea el método de los volúmenes finitos con un esquema de alta resolución. El esquema utilizado es el método de Godunov con el Riemann solver de Roe de primer orden de precisión, más unas correcciones de segundo orden para obtener el esquema de alta resolución WAF-TVD. El flujo mixto es un fenómeno bastante común en colectores pluviales, túneles, tuberías de obras de toma de instalaciones hidroeléctricas, llenado/vaciado de tuberías, colectores de almacenamiento, etcétera. La entrada en carga en los conductos se puede generar desde el extremo aguas abajo, desde el extremo aguas arriba y por ambos extremos simultáneamente, siendo la primera la más común y, por lo tanto, la evaluada en este trabajo. Para demostrar la actuación del modelo, éste se aplica a un caso de referencia y a dos ensayos de laboratorio existentes en la literatura técnica. Los resultados obtenidos muestran que el modelo numérico es capaz de reproducir los experimentos con buena precisión. Con ello se demuestra que el modelo es idóneo para simular flujo en lámina libre en régimen lento, rápido y transcrítico (de lento a rápido y de rápido a lento), y flujo mixto

A simple and efficient unstructured finite volume scheme for solving the shallow water equations in overland flow applications

This paper presents the Decoupled Hydrological Discretisation (DHD) scheme for solving the shallow water equations in hydrological applications involving surface runoff in rural and urban basins. The name of the scheme is motivated by the fact that the three equations which form the two-dimensional shallow water system are discretised independently from each other and thus, the numerical scheme is decoupled in a mathematical sense. Its main advantages compared to other classic finite volume schemes for the shallow water equations are its simplicity to code and the lower computational cost per time step. The validation of the scheme is presented in five test cases involving overland flow and rainfall-runoff transformation over topographies of different complexity. The scheme is compared to the finite volume scheme ofRoe [1986], to the simple inertia formulation [Bates et al., 2010], and to the diffusive wave model. The test cases show that the DHD scheme is able to compute subcritical and supercritical flows in rural and urban environments, and that in overland flow applications it gives similar results to the second order scheme of Roe with a lower computational cost. The results obtained with the simple inertia and diffusive wave models are very similar to those obtained with the DHD scheme in rural basins in which the bed friction and topography dominate the flow hydrodynamics but they deteriorate in typical urban configurations in which the presence of supercritical flow conditions and small scale patterns boost the relevance of the inertial terms in the momentum equation

Metodología para el análisis de rotura de presas con aterramiento mediante simulación con fondo móvil

Los estudios de rotura de presas permiten evaluar la peligrosidad y el riesgo por inundación asociado a un posible fallo de estas estructuras. La legislación y documentos técnicos vigentes en España marcan el camino a seguir para la correcta clasificación de la presa en función del riesgo potencial que supone para la sociedad, la economía y el medioambiente. Sin embargo, existe un vacío en las recomendaciones a seguir cuando la presa a clasificar se encuentra parcial o totalmente aterrada de sedimentos. El presente documento tiene por objeto presentar una metodología para afrontar estudios de rotura de presas aterradas mediante simulación numérica conjunta de la formación de la brecha y el transporte de sedimentos (fondo móvil). La aplicación de esta metodología a un caso de estudio real ha permitido observar cómo el hidrograma tras la rotura considerando fondo móvil es sensiblemente diferente al obtenido por la metodología estándar que considera fondo fijo dentro del vaso.Peer ReviewedPostprint (published version

Modelación numérica bidimensional de la dinámica sedimentaria del río Ebro en Castejón

El objeto de este estudio consiste en la construcción y calibración de un modelo numérico para la simulación de la dinámica sedimentaria del tramo de río Ebro comprendido entre los puentes de la N-113 y de la autopista AP-15 en Castejón, para su posterior aplicación a otros tramos del mismo río. Se ha analizado numéricamente mediante el modelo Iber la dinámica sedimentaria del tramo del río cuyas batimetrías se obtuvieron durante las campañas anterior y posterior a las importantes avenidas que tuvieron lugar entre enero y marzo de 2015. Una vez incorporada la geometría del cauce al modelo, se han simulado los caudales circulantes en el período comprendido entre las dos batimetrías y la evolución del cauce así obtenida se ha comparado con la que muestra la diferencia entre ambas batimetrías, lo que ha permitido calibrar los parámetros del modelo. Mediante el modelo calibrado se dispone ahora de una herramienta que permite reproducir la dinámica sedimentaria de un tramo del río Ebro. Esta herramienta puede resultar útil para poder describir el comportamiento de otros tramos del mismo río.Postprint (published version

Comparasion of unidimensional and bidimensional flow models for earthen dam failures

El desarrollo de ordenadores cada vez más potentes y las recientes investigaciones en el campo de la hidroinformática hace posible la modelización del flujo en lámina libre en dos dimensiones producido por una rotura de una presa de materiales sueltos. En el presente trabajo se comparan los resultados obtenidos mediante el modelo unidimensional HEC-RAS y el bidimensional CARPA. La comparativa se hace analizando el efecto que tienen las hipótesis simplificadoras implícitas en el uso de la plataforma HEC-RAS de unidimensionalidad, no infiltración y existencia de flujo inicial, sobre los hidrogramas de caudal en una sección testigo situada aguas abajo del eje drenante. Los modelos utilizados reproducen el flujo de agua generado por una posible rotura de la balsa número 1 del sector 5 del canal Segarra-Garrigues en la cuenca del río Ebro en España.Peer ReviewedPostprint (published version

Modelación del flujo en lámina libre sobre cauces naturales. Análisis integrado en una y dos dimensiones

En esta monografía se presenta un trabajo de desarrollo de herramientas de modelación numérica realizado dentro del grupo de investigación FLUMEN, en la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona, destacando la integración de esquemas numéricos en una y dos dimensiones. El objetivo principal es la puesta a punto de una herramienta para la modelación matemática del flujo de agua en lámina libre, en régimen variable, con geometrías irregulares como son los cauces naturales (programa CARPA)

Simulación de rotura de presas aterradas con fondo móvil: caso de estudio

Los estudios de rotura de presas han permitido conocer la peligrosidad y el riesgo de inundación asociado a un posible fallo de estas estructuras. La legislación y documentos técnicos vigentes en España marcan el camino a seguir para la correcta clasificación de la presa en función del riesgo potencial que supone para la sociedad, la economía y el medioambiente. Sin embargo, estos documentos no indican cómo proceder cuando la presa a clasificar se encuentra parcial o totalmente aterrada de sedimentos. El presente documento tiene por objeto presentar una nueva metodología para afrontar estudios de rotura de presas aterradas mediante un modelo numérico que permita, al mismo tiempo, simular la formación de la brecha y el transporte de sedimentos. Esta metodología ha sido aplicada a una presa en el río Llobregat (Gironella, España). Se ha podido observar cómo el hidrograma tras rotura es mayor cuando se considera el fondo móvilPostprint (published version

Experimental characterization and two-dimensional hydraulic-hydrologic modelling of the infiltration process through permeable pavements

Permeable pavements are a common solution for wearing course layers in roads and urban areas. They are composed by highly porous materials with permeability several orders of magnitude above of the natural terrain. This work presents, on one hand, the experimental characterisation of the hydraulic behaviour of a permeable asphalt concrete wearing course layer and, on the other hand, the development and validation of a two-dimensional coupled hydraulic-hydrological distributed numerical model to reproduce the effect of the infiltration in the rainfall-runoff transformation and in the overland flow propagation processes. Experiments show linear and potential trends for permeability-hydraulic head relations when considering constant and variable hydraulic heads, respectively, reaching permeability up to 0.04 m/s for 1 m of hydraulic head. Experiments are reproduced numerically by incorporating new infiltration formulas, which consider the infiltration rate as a function of the hydraulic head, and a specific numerical scheme for properly dealing the mass conservation when negative values of the water depth may occur numerically due to high infiltration rates. This two-dimensional coupled hydraulic-hydrological distributed numerical model is a validated tool for simulating the effect of permeable pavements not only in the rainfall-runoff process, but also for the overland flow propagation.Peer ReviewedPostprint (published version

Modelación numérica de flujo mixto en conductos cerrados con esquemas en volúmenes finitos

Aragón-Hernández, J. L., & Bladé, E. (mayo-junio, 2017). Modelación numérica de flujo mixto en conductos cerrados con esquemas en volúmenes finitos. Tecnología y Ciencias del Agua, 8(3), 127-142. En este trabajo se presenta un modelo numérico para la simulación de flujo mixto (flujo en lámina libre y flujo en presión) en conductos cerrados a través de las ecuaciones de Saint Venant en una dimensión para flujo en lámina libre y con el método de la ranura de Preissmann para considerar el flujo en presión. Para la resolución de las ecuaciones se emplea el método de los volúmenes finitos con un esquema de alta resolución. El esquema utilizado es el método de Godunov con el Riemann solver de Roe de primer orden de precisión, más unas correcciones de segundo orden para obtener el esquema de alta resolución WAF-TVD. El flujo mixto es un fenómeno bastante común en colectores pluviales, túneles, tuberías de obras de toma de instalaciones hidroeléctricas, llenado/vaciado de tuberías, colectores de almacenamiento, etcétera. La entrada en carga en los conductos se puede generar desde el extremo aguas abajo, desde el extremo aguas arriba y por ambos extremos simultáneamente, siendo la primera la más común y, por lo tanto, la evaluada en este trabajo. Para demostrar la actuación del modelo, éste se aplica a un caso de referencia y a dos ensayos de laboratorio existentes en la literatura técnica. Los resultados obtenidos muestran que el modelo numérico es capaz de reproducir los experimentos con buena precisión. Con ello se demuestra que el modelo es idóneo para simular flujo en lámina libre en régimen lento, rápido y transcrítico (de lento a rápido y de rápido a lento), y flujo mixto