Determinación de la función de almacenamiento a nivel de celda para su utilización en la modelación matemática del escurrimiento superficial

Se presenta una metodología para la obtención de la función de almacenamiento y conducción (FAC) a nivel de celda para un modelo matemático distribuido, cuasi-bidimensional basado en esquemas de celdas. La FAC resulta determinante en el proceso de transformación lluvia-caudal y de propagación de crecidas en modelos físicamente basados y para la obtención de variables de flujo (alturas de agua y velocidades). En una primera etapa se realiza la comparación entre las curvas de distribución de frecuencia acumulada adimensionalizada de altura vs. área superficial obtenidas mediante relevamientos topográficos de detalle (a nivel de subcelda) y obtenidas mediante el modelo digital del terreno para la discretización adoptada (ventana de 3 x 3 celdas del modelo). Se observa un adecuado grado de similitud entre los dos niveles de detalle por lo que en la segunda etapa se realiza la obtención de los parámetros de la ecuación utilizada que vincula altura vs. área superficial; lo que permite obtener la FAC en cada celda del modelo. La metodología permite incorporar la variabilidad espacial de la FAC en todo el dominio espacial de modelación. En investigaciones futuras se incorporará la FAC en cada celda; se simularán eventos observados y se compararán los resultados.Fil: Stenta, Hernán R. Departamento de Hidráulica – Escuela de Ingeniería Civil (FCEIA – Universidad Nacional de Rosario) y Centro Universitario Rosario de Investigaciones Hidroambientales (FCEIA – Universidad Nacional de Rosario), Rosario, Argentina.Fil: Riccardi, Gerardo A. Departamento de Hidráulica – Escuela de Ingeniería Civil (FCEIA – Universidad Nacional de Rosario) y Centro Universitario Rosario de Investigaciones Hidroambientales (FCEIA – Universidad Nacional de Rosario) y Consejo de Investigaciones de la Universidad Nacional de Rosario, Rosario, Argentina.Fil: Basile, Pedro A. Departamento de Hidráulica – Escuela de Ingeniería Civil (FCEIA – Universidad Nacional de Rosario) y Centro Universitario Rosario de Investigaciones Hidroambientales (FCEIA – Universidad Nacional de Rosario), Rosario, Argentina

Relaciones de escalamiento de parámetros para diferentes niveles de discretización espacial en la modelación matemática distribuida del escurrimiento superficial en cuencas de llanura

Se realiza el estudio de los efectos del tamaño de grilla en la modelación matemática del escurrimiento superficial en tres cuencas reales utilizando un modelo distribuido físicamente basado. Se constituyó el modelo matemático para cuatro tamaños de grilla diferentes y para las tres cuencas. Se analizaron las modificaciones en la topografía y se aplicó un procedimiento propuesto de escalamiento de los parámetros basado en conservar el almacenamiento de equilibrio. Los resultados indican que a medida que aumenta el tamaño de la grilla es necesario incrementar la resistencia del valle (nv) o bien disminuir la pendiente trasversal en celdas (ITC) para obtener similitud hidrológica entre las diferentes discretizaciones. Los menores grados de similitud se observan en términos de alturas de agua en celda mediante el escalamiento del coeficiente de rugosidad para flujo superficial. Los mejores resultados se obtienen mediante el escalamiento del parámetro ITC para todas las variables analizadas. La agregación del sistema a modelar genera alteraciones tanto de las características derivadas del relieve como de las respuestas hidrológicas. El efecto primario de la agregación sobre las características de la topografía es la de generar una representación más atenuada del relieve, con pendientes locales máximas y medias menores y una reducción de las longitudes de cursos a medida que aumenta el tamaño de grilla. Este efecto produce, a igualdad de todos los demás parámetros, respuestas más lentas en la cuenca. Por el contrario; para la abstracción a nivel de celda considerada (ITC >0); a igualdad de todos los parámetros (incluida la pendiente), el incremento del tamaño de la grilla produce una respuesta más rápida de la cuenca, ya que se modifica la relación entre altura, volumen y caudal en celdas. Esta relación es de fundamental importancia en el proceso propagatorio del flujo superficial. Según los resultados obtenidos se evidencia el dominio de los efectos de la agregación de las relaciones entre altura, caudal y volumen en celdas sobre los efectos de agregación del relieve (topografía) y la red hídrica. Con los resultados obtenidos se realizó el planteo de relaciones experimentales de escalamiento de los parámetros propuestos caracterizando las diferentes cuencas estudiadas.Fil: Stenta, Hernán. Departamento de Hidráulica y CURIHAM. FCEIyA. Universidad Nacional de Rosario; ArgentinaFil: Riccardi, Gerardo. CIUNR; Departamento de Hidráulica y CURIHAM. FCEIyA. Universidad Nacional de Rosario; ArgentinaFil: Basile, Pedro A. Departamento de Hidráulica y CURIHAM. FCEIyA. Universidad Nacional de Rosario; Argentin

Derivación y Parametrización de Curvas IDR para Rosario, Casilda y Zavalla, Santa Fe, Argentina

Las curvas intensidad-duración-recurrencia (IDR) se emplean en el diseño hidrológico para estimar intensidades medias máximas de lluvia, de determinadas duraciones y recurrencias, como así también, para la construcción de hietogramas de diseño. Tales herramientas posibilitan especificar los escenarios de entrada a los modelos de transformación lluvia-caudal, para la determinación de caudales máximos o hidrogramas de diseño. En este trabajo se describe la derivación y parametrización de curvas IDR para las ciudades de Rosario, Casilda y Zavalla, localizadas en el sur de la provincia de Santa Fe, Argentina. En primer lugar, se determinaron los valores de lámina-duración-recurrencia (PDR), considerando valores de lámina máxima para duraciones de 1 a 5 días y recurrencias variables entre 2 y 10000 años. Las láminas de lluvias para dichas duraciones fueron obtenidas a partir de la FDP Gumbel, que mejor representa a la serie de datos pluviométricos máximos anuales registrados en las Estaciones: Rosario Aero-SMN (1935-2007); INTA-Agencia de Extensión Rural Casilda (1962-2007) y FCAG-UNR Estación Agroexperimental Zavalla (1973-2007). Por otra parte, Casilda y Zavalla no cuentan con datos pluviográficos. Consecuentemente, en esas dos estaciones, las láminas de lluvia para duraciones menores que 24 horas se obtuvieron a partir de la transposición de las relaciones R24h,1d,R y rDi,24h, derivadas mediante la FDP teórica de Gumbel ajustada a la información pluviográfica registrada en la Estación Rosario Aero-SMN durante el período (1942-1984). Por lo tanto, la metodología implementada para extender las curvas para duraciones menores que 24 horas en Casilda y Zavalla, consistió en multiplicar la precipitación de duración 1 día por la relación R24h,1d; que permitió convertir la lámina máxima de 1 día (pluviométrica) en la lámina máxima de 24 horas (pluviográfica). Posteriormente, multiplicando esta última por las respectivas relaciones entre láminas, rDi,24hs, se determinaron las láminas para las duraciones Di ≤ 24 horas y para cada una de las recurrencias adoptadas. De esta manera se obtuvieron curvas PDR para duraciones comprendidas entre 5 minutos y 5 días. Finalmente, para las tres estaciones, se derivaron las curvas IDR y se parametrizaron ajustando ecuaciones del tipo Sherman de tres parámetros

Simulación hidro-sedimentológica a escala de cuenca acoplando un modelo hidrológico-hidráulico con MUSLE

La disgregación de la estructura del suelo por impacto de las gotas de lluvia, la pérdida de suelo debido al transporte ejercido por el flujo sobre el terreno y el consiguiente arrastre de materia orgánica y nutrientes inducen un efecto neto de pérdida de productividad en terrenos cultivables. Por otra parte, además de este problema local, el sedimento producido y transportado por el flujo sobre el terreno puede alcanzar la red hidrográfica, en donde, dependiendo de la capacidad de transporte del flujo encauzado, puede depositarse inmediatamente o alcanzar distancias considerables hasta depositarse en planicies de inundación, embalses, canales de riego, canales de navegación, sistemas de conductos pluviales, etc. En dichas zonas el problema es la deposición del sedimento generado por la erosión hídrica a nivel de la cuenca. Asimismo, los sedimentos finos erosionados y transportados pueden adsorber sustancias contaminantes y convertir las zonas de almacenamiento en reservorios de sedimentos contaminados. En el presente trabajo se describe la formulación, implementación computacional y la aplicación del modelo CTSS8_SEDMU adecuado para evaluar la producción de sedimentos a escala temporal de eventos de crecidas mediante la ecuación universal de pérdida de suelo modificada MUSLE acoplada a un modelo hidrológico-hidráulico físicamente basado y espacialmente distribuido, con representación de propagación unidimensional del flujo encauzado y cuasi-bidimensional del flujo sobre el terreno. Mediante la aplicación del modelo se simuló el proceso de erosión real y la erosión potencial durante el evento del 3 de abril de 1994 en la cuenca del Aº Ludueña. Esto permitió, para ambos escenarios simulados, estimar la erosión a escala de cuenca y evaluar la cantidad de sedimentos que ingresaron al entubamiento del Aº Ludueña en la ciudad de Rosario durante dicho evento.Universidad Nacional de Rosari

Quasi-2D modeling of hydro-sedimentological processes in large lowland river-floodplain systems

In this work a quasi two-dimensional model called CTSS8_FLUSED, suitable for the time-dependent water and fine sediment transport processes simulation in large lowland river systems, including their floodplains, is presented. Water flow and sediment equations are represented by means of the interconnected cells scheme. Different simplifications of the Saint Venant momentum equation are used to represent the discharge laws between fluvial cells. Spatially-distributed transport, deposition and erosion processes of fine sediments throughout the river-floodplain system can be simulated. The model is particularly appropriated for simulations at large space scale and for both short and long-term scale. The hydrodynamic module of the model is applied along a 205 km reach of the Paraná River, Argentina, and involving a river-floodplain area of nearly 8000 km2. Hydraulic processes in the main stream-floodplain system were simulated. The numerical simulations were carried out for both low and mean river water stages and satisfactory results were obtained during model calibration and validation.Universidad Nacional de Rosari

Introducción al análisis del flujo a través de bifurcaciones en canales con escurrimiento a superficie libre

Hydraulic structuresof bifurcation, widely used on superficial flow, allow the division of the approaching discharge intotwo or more portions. This study comprises a bibliographicreview on the subject and the ap-plication of a theoretical model for the preliminary design of a flow division structure: a bifurcationin the watersystemIbarlucea-Ludueña (Rosario, Argentina) which aims to derive flow from superficialcourses to a closed conduit system to construct, called Aliviador3 Ramal Grandoli. It was described the hydraulic mech-anism that allows the divisionof half the flow transported by the Ibarluceachannel through a channelofthe middle of its width and with a minimum slope, so as to satisfy a limitationon the Froude number (implicit in the used model). In addition, associated energy loss coefficients were computed.It wasverified thatit is possible to determine a set of geometric features providingthe preliminary design of the flow division workthrough the methodology presented in this paper, although it is clearly stated that to address the complete design ofsuch ahydraulic structure itwould be necessary to addressexperimental study by physicallymod-eling the hydraulic structure for a more accurate flow description.Las estructuras hidráulicas de bifurcación, ampliamente utilizadas en escurrimientos a superficie libre, permiten dividir el flujo que arriba a un sitio en dos o más porciones. Este estudio comprende una revisión bibliográfica en la temática y la aplicación correspondiente al prediseño de una estructura de división de flujo: una bifurcación en el sistema hídrico Ludueña-Ibarlucea (Rosario, Argentina) cuyo objeto es derivar caudales desde los cursos superficiales hacia un sistema de conductos cerrados a construir, denominado Aliviador 3 Ramal Grandoli. Se llegó a describir el mecanismo hidráulico que permite la derivación de la mitad del caudal transportado por el Canal Ibarlucea a través de un canal de la mitad de su ancho y con una pendiente de fondo mínima, de manera de cumplir una limitación de número de Froude implícita en el modelo utilizado. Asimismo, se calcularon los coeficientes de pérdida de energía asociados. A través de la metodología presentada se constata que es posible determinar un conjunto de características geométricas de utilidad para el diseño preliminar, dejándose en claro que para el diseño completo de tal estructura hidráulica resulta necesario recurrir al estudio experimental mediante modelación física a fin de obtener una descripción más precisa del flujo

Introducción al análisis del flujo a través de bifurcaciones en canales con escurrimiento a superficie libre

Las estructuras hidráulicas de bifurcación, ampliamente utilizadas en escurrimientos a superficie libre, permiten dividir el flujo que arriba a un sitio en dos o más porciones. Este estudio comprende una revisión bibliográfica en la temática y la aplicación correspondiente al prediseño de una estructura de división de flujo: una bifurcación en el sistema hídrico Ludueña-Ibarlucea (Rosario, Argentina) cuyo objeto es derivar caudales desde los cursos superficiales hacia un sistema de conductos cerrados a construir, denominado Aliviador 3 Ramal Grandoli. Se llegó a describir el mecanismo hidráulico que permite la derivación de la mitad del caudal transportado por el Canal Ibarlucea a través de un canal de la mitad de su ancho y con una pendiente de fondo mínima, de manera de cumplir una limitación de número de Froude implícita en el modelo utilizado. Asimismo, se calcularon los coeficientes de pérdida de energía asociados. A través de la metodología presentada se constata que es posible determinar un conjunto de características geométricas de utilidad para el diseño preliminar, dejándose en claro que para el diseño completo de tal estructura hidráulica resulta necesario recurrir al estudio experimental mediante modelación física a fin de obtener una descripción más precisa del flujo.Hydraulic structures of bifurcation, widely used on superficial flow, allow the division of the approaching discharge into two or more portions. This study comprises a bibliographic review on the subject and the ap-plication of a theoretical model for the preliminary design of a flow division structure: a bifurcation in the water system Ibarlucea-Ludueña (Rosario, Argentina) which aims to derive flow from superficial courses to a closed conduit system to construct, called Aliviador 3 Ramal Grandoli. It was described the hydraulic mechanism that allows the division of half the flow transported by the Ibarlucea channel through a channel of the middle of its width and with a minimum slope, so as to satisfy a limitation on the Froude number (implicit in the used model). In addition, associated energy loss coefficients were computed. It was verified that it is possible to determine a set of geometric features providing the preliminary design of the flow division work through the methodology presented in this paper, although it is clearly stated that to address the complete design of such a hydraulic structure it would be necessary to address experimental study by physically modeling the hydraulic structure for a more accurate flow description.Fil: Trivisonno, Franco. Becario de Investigación. Departamento de Hidráulica, Escuela de Ingeniería Civil, FCEIA, UNR, Rosario; ArgentinaFil: Riccardi, Gerardo. Profesor Adjunto. Departamento de Hidráulica, Escuela de Ingeniería Civil, FCEIA, UNR e Investigador CIC-CIUNR, Rosario; ArgentinaFil: Stenta, Hernán. Profesor Adjunto. Departamento de Hidráulica, Escuela de Ingeniería Civil, FCEIA, UNR, Rosario; Argentin

Propuesta para el escalamiento de parámetros por efecto de la discretización espacial en la modelación matemática del escurrimiento superficial.

El objetivo del trabajo es investigar los efectos de la agregación espacial en la modelación matemática distribuida del escurrimiento superficial mediante la aplicación de un modelo matemático cuasi-bidimensional basado en esquemas de celdas con aproximación de onda difusiva. El estudio se focaliza en el mecanismo de propagación del flujo por lo cual no se consideran los efectos de la agregación espacial en los procesos hidrológicos involucrados en las pérdidas del escurrimiento. Se propone un procedimiento para el escalamiento de parámetros y cuantificar el grado de similitud alcanzado entre las variables hidrológicas de las diferentes discretizaciones. La similitud entre esquemas se plantea para las variables de flujo: caudal, velocidad y alturas medias de agua en todo el dominio espacial. Los parámetros propuestos para el escalamiento son: i) el coeficiente de rugosidad para flujo superficial en celda (nv); ii) la pendiente transversal dentro de la celda (ITC) que define la geometría de almacenamiento y conducción en la misma. Se obtienen relaciones teóricas de escalamiento bajo hipótesis simplificativas. Posteriormente, se analizan los efectos de la discretización espacial en casos sencillos (cuencas teóricas simples con alteraciones del perfil longitudinal); allí mismo se estudian y deducen los efectos del escalamiento de los parámetros en las relaciones gobernantes del mecanismo propagatorio del flujo (vinculación entre altura, volumen y caudal). Se utiliza el concepto de conservar el almacenamiento de equilibrio para obtener similitud hidrológica en las variables de flujo entre los diferentes esquemas mediante el escalamiento de los parámetros. Los resultados indican que a medida que se incrementa el tamaño de la grilla es necesario incrementar el coeficiente de resistencia del flujo o reducir el parámetro ITC; para lograr similitud hidrológica e hidráulica. Se obtiene mayor similitud hidrológica e hidráulica mediante el escalamiento del parámetro ITC respecto al escalamiento de coeficiente de rugosidad para flujo superficial en celda; fundamentalmente en lo que respecta a similitud en alturas de agua en celdas. El escalamiento del parámetro ITC conserva las ecuaciones gobernantes del almacenamiento y conducción dentro de la celda y conserva el significado físico del coeficiente de rugosidad superficial. Los resultados obtenidos aplicando el procedimiento propuesto de escalamiento son de suma importancia para su utilización en cuencas reales.Stenta, Hernán. Departamento de Hidráulica y CURIHAM. FCEIyA. Universidad Nacional de RosarioGerardo, Riccardi, CIUNR, Departamento de Hidráulica y CURIHAM. FCEIyA. Universidad Nacional de RosarioPedro A. Basile, Departamento de Hidráulica y CURIHAM. FCEIyA. Universidad Nacional de Rosari

Caracterización de desastres naturales y tecnológicos con énfasis en desastres hidrológicos

This work gives an overview of disasters associated with natural and technological factors. The EM-DAT database of the University of Louvain (Belgium) is used, which has data from 1900 to 2018. Natural disasters prevail over technological ones, with respect to the amount the ratio is 66% to 34%, as for fatal victims, the records indicate that 93.2% is generated by natural disasters, in relation to the number of affected the participation of disasters of natural origin amounts to 99.8% and when considering material losses natural disasters contribute 99.2%. In addition, the following results were obtained: a) regarding the quantity, hydrological disasters occupy the first place, with 38% worldwide, 57% in South America and 58% in Argentina; b) in terms of the number of fatalities, global climate disasters account for 36%, while in South America and Argentina it is the geophysicists who generate 68% and 87%, respectively; c) considering those affected, hydrological disasters produce 48% worldwide and 95.7% in Argentina, while the weather generated 47% in South America; and d) regarding the economic losses, in the world the meteorological disasters contribute 44%, in South America the geophysicists generate 42% and in Argentina the hydrological ones produce 74%. In Argentina, hydrological disasters are those with the highest occurrence, which produce the greatest number of people affected and economic losses, but not with respect to fatalities, who contribute “only” with 8%. It is important to highlight the importance of water resource use planning policies as well as the management pre, during and after the occurrence of water disasters. Este trabajo da un panorama sobre los desastres asociados a factores naturales y tecnológicos. Se usa la base de datos EM-DAT de la Universidad de Louvain (Bélgica), que cuenta con datos desde el año 1900 hasta el 2018. Los desastres naturales prevalecen sobre los tecnológicos, respecto de la cantidad la relación es 66% a 34%, en cuanto a víctimas fatales los registros indican que el 93.2% está generado por desastres naturales, con relación a la cantidad de afectados la participación de los desastres de origen natural asciende al 99.8% y al considerar las pérdidas materiales los desastres naturales aportan el 99.2%. Además, se obtuvieron los siguientes resultados: a) respecto de la cantidad, los desastres hidrológicos ocupan el primer lugar, con un 38% a nivel mundial, 57% en Sudamérica y 58% en Argentina; b) en cuanto a cantidad de víctimas fatales, a nivel mundial los desastres climatológicos explican el 36%, mientras que en Sudamérica y Argentina son los geofísicos los que generan el 68% y el 87%, respectivamente; c) considerando los afectados, los desastres hidrológicos producen el 48% a nivel mundial y el 95.7% en Argentina, mientras que los climatológicos generan el 47% en Sudamérica; y d) respecto de las pérdidas económicas, en el mundo los desastres meteorológicos aportan el 44%, en Sudamérica los geofísicos generan el 42% y en Argentina los hidrológicos producen el 74%. En Argentina los desastres hidrológicos son los de mayor ocurrencia, los que producen la mayor cantidad de afectados y de pérdidas económicas, no así respecto a víctimas fatales, que contribuyen “solo” con el 8%. Cabe destacar la importancia de las políticas de planificación del uso del recurso hídrico así como también la gestión previa, durante y posterior a la ocurrencia de los desastres hídricos.

Modelación matemática hidrológica-hidráulica del escurrimiento superficial en la cuenca del A° Pavón (Santa Fe, Argentina)

Se presenta la implementación y calibración preliminar de un modelo matemático distribuido, hidrológico- hidráulico de escurrimiento superficial físicamente basado en la cuenca del A° Pavón (sur de la provincia de Santa Fe). La cuenca tiene una superficie de aproximadamente 3143 km2 y su principal curso es el tramo: canal San Urbano-A. Sauce –A° Pavón, con descarga al río Paraná. Se utilizó como modelo digital del terreno la información proveniente de cartas topográficas del Instituto Geográfico Nacional (IGN), con agregamiento en celdas de 150 m x 150 m. Adicionalmente se contó con información de red de cursos desde cartas topográficas del IGN, imágenes Google Earth ©; recorridas de campo y proyectos existentes. El modelo quedó constituido con 139717 celdas y una red de cursos de 895 km y fue calibrado preliminarmente con información hidrológica e hidráulica de un evento extraordinario ocurrido el 15 de enero de 2017. La explotación del modelo, en este primer nivel de avance, permitió realizar la delimitación de áreas inundadas en la cuenca; la determinación de zonas con riesgo para vidas humanas y mapas de permanencias de agua para el evento extraordinario y una serie de eventos hipotéticos de diferentes recurrencias. Estos resultados son un aporte en la planificación territorial de los recursos hídricos en la zona de estudio. Si bien se evidencia un severo déficit de información, los primeros resultados obtenidos en la transformación lluvia caudal y propagación de escurrimiento superficial son aceptables.Fil: Stenta, Hernán. Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura, Departamento de Hidráulica y Centro Universitario Rosario de Investigaciones Hidroambientales. Rosario, Santa Fe, Argentina.Fil: Riccardi, Gerardo. Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura, Departamento de Hidráulica y Centro Universitario Rosario de Investigaciones Hidroambientales. Rosario, Santa Fe, Argentina.Fil: Riccardi, Gerardo. Universidad Nacional de Rosario, Consejo de Investigaciones de la Universidad Nacional de Rosario. Rosario, Santa Fe, Argentina.Fil: Basile, Pedro. Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura, Departamento de Hidráulica y Centro Universitario Rosario de Investigaciones Hidroambientales. Rosario, Santa Fe, Argentina.Fil: Scuderi, Carlos. Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura, Departamento de Hidráulica y Centro Universitario Rosario de Investigaciones Hidroambientales. Rosario, Santa Fe, Argentina