ESTUDIOS, ANALISIS Y RECOMENDACIONES PARA EL ORDENAMIENTO AMBIENTAL Y EL DESARROLLO TERRITORIAL DE LA MOJANA ANEXO 1-5

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1 ESTUDIOS, ANALISIS Y RECOMENDACIONES PARA EL ORDENAMIENTO AMBIENTAL Y EL DESARROLLO TERRITORIAL DE LA MOJANA FACULTAD DE MINAS SEDE MEDELLÍN FACULTAD DE INGENIERÍA SEDE BOGOTÁ ESTUDIOS, ANALISIS Y RECOMENDACIONES PARA EL ORDENAMIENTO AMBIENTAL Y EL DESARROLLO TERRITORIAL DE LA MOJANA CONVENIO INTERADMINISTRATIVO UN-DNP NO. 336/2011 ANEXO 1-5 IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO EN HEC-RAS INFORME FINAL BOGOTÁ, 23 DE ABRIL DE 2012

2 ÍNDICE DE CONTENIDO 1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL MODELO HEC-RAS IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO HEC RAS CREACIÓN DEL PROYECTO CREACIÓN DEL RÍO CAUCA SECCIONES TRANSVERSALES TRAMOS CON UNIONES INTERPOLAR SECCIONES TRANSVERSALES INTRODUCCIÓN DE DATOS HIDRÁULICOS (FLUJO PERMANENTE) CONDICIONES DE FRONTERA EJECUCION DEL MODELO (FLUJO PERMANENTE) RESULTADOS COMPARACION DE LOS PERFILES LONGITUDINALES... 14

3 ÍNDICE DE TABLAS Tabla Parámetros hidráulicos de cada una de las secciones Tabla Tabla resumen de resultados ÍNDICE DE FIGURAS Figura Proyecto con las secciones trasversales naturales promedio sobre el río Cauca y el rio Magdalena Figura Proyecto con las secciones trasversales equivalentes promedio sobre el rio Cauca y el rio Magdalena Figura Río Cauca Figura Sección transversal Brazo de Loba Figura Secciones transversales sobre el rio Cauca Figura Tramos de los ríos con la unión Brazo de Loba Figura Secciones transversales interpoladas en los dos ríos cada 1000m Figura Zoom secciones transversales interpoladas en los dos ríos cada 1000m Figura Ingreso de datos de caudales Figura Condiciones de frontera del flujo Figura Análisis de flujo permanente Figura Lámina de agua de las secciones transversales sobre el rio Cauca Figura Perfil longitudinal de la lámina de agua. Rio Cauca tramo La Coquera Brazo de Loba Figura Lámina de agua de las secciones transversales promedio sobre el rio Magdalena Figura Perfil longitudinal de la lámina de agua. Rio Magdalena, tramo Armenia Brazo de Loba Figura Perfil longitudinal de la lámina de agua. Rio Magdalena, tramo Brazo de Loba - Barbosa Figura Perfil longitudinal de la lámina de agua. Rio Cauca, tramo La Coquera Brazo de Loba Figura Perfil longitudinal de la lámina de agua. Rio Magdalena, tramo Armenia Barbosa

4 1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL MODELO HEC-RAS HEC-RAS es un software libre disponible en la página del Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos (U.S. Army Corps of Engineers), sin embargo, el código no es abierto y no puede modificarse. Este modelo hidrodinámico unidimensional permite la modelación hidráulica de perfiles de flujo para condiciones de flujo permanente y no permanente en sistemas fluviales, adicionalmente incluye componentes para la modelación del transporte de sedimentos de fondo móvil, socavación en puentes y el análisis de estructuras hidráulicas como compuertas, diques, vertederos y box-culverts, operación de estaciones de bombeo, herramientas de Geo Referenciación y un componente para la modelación de la calidad de agua. HEC RAS tiene una interfaz gráfica para el usuario (Grafical User Interface, GUI), esta interfaz gráfica hace el software más amigable para el usuario, proporcionando facilidad en la gestión de archivos, entrada y edición de datos, análisis hidráulico, tabulación y representaciones gráficas de los datos de entrada y de salida. 2 IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO HEC RAS A continuación se describen los diferentes pasos que se siguieron para el desarrollo del modelo hidráulico en el río Cauca y el río Magdalena en la región de La Mojana: 2.1 CREACIÓN DEL PROYECTO Se crearon dos proyectos uno con los promedios de las secciones trasversales naturales (RealSections) suministradas por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), para diferentes periodos de registro de los levantamientos de perfiles transversales sobre el río Cauca y el río Magdalena ( 1

5 ). El otro proyecto (EquivalentSections) se creó con las secciones transversales equivalentes promedio calculadas para cada río ( Figura 1-5-2). 2

6 Figura Proyecto con las secciones trasversales naturales promedio sobre el río Cauca y el rio Magdalena. Figura Proyecto con las secciones trasversales equivalentes promedio sobre el rio Cauca y el rio Magdalena. De aquí en adelante se hará referencia solamente al modelo hidráulico que presenta las secciones transversales naturales promedio para los dos ríos en estudio, ya que el procedimiento es el mismo para el caso de secciones transversales equivalentes promedio. 2.2 CREACIÓN DEL RÍO CAUCA El trazado del río Cauca se creó por medio del icono River Reach dentro de la ventana Geometric Data, el esquema del río Cauca se definió con un solo tramo (Caucasia- Loba) de aguas arriba hacia aguas abajo, siguiendo el sentido de la dirección del flujo (Figura 1-5-3). 3

7 Figura Río Cauca. 2.3 SECCIONES TRANSVERSALES Para definir las secciones transversales del río Cauca, en la ventana Geometric Data se seleccionó el icono Cross Section. La primera sección transversal Brazo de Loba (0) se introdujo seleccionando Option/Add a New Cross Section. Se construyó la sección transversal ingresando los datos de las abscisas Station y la cota en Elevation. Se colocó en la parte superior de la derecha y la izquierda de la sección transversal levees que son una especie de diques longitudinales artificiales, para indicarle al programa que no puede existir desborde hasta que el nivel del agua alcance la cota determinada (Figura 1-5-4). Luego, se ingresaron los datos que tienen relación con las distancias entre los perfiles (Downstream Reach Lengths), los números de Manning, las estaciones que definen los límites de las sub-secciones (Main Channel Bank Stations) y los coeficientes de expansión y de contracción. 4

8 Figura Sección transversal Brazo de Loba. Finalmente, se creó un canal prismático copiando la sección Brazo de Loba creada anteriormente y cambiando las abscisas y las cotas de las demás secciones transversales. Estas últimas secciones se ingresaron de aguas abajo hacia aguas arriba, es decir la sección Brazo de Loba (0), las secciones de las estaciones Tres Cruces (28259), Las Varas (69361), Las Flores (125369), Margento (152124) y La Coquera (190488) (Figura 1-5-5). Figura Secciones transversales sobre el rio Cauca. 5

9 2.4 TRAMOS CON UNIONES Una vez creado el río Cauca se procedió a graficar el río Magdalena como se indicó en los numerales anteriores desde aguas arriba hacia aguas abajo, de tal manera que quedara la sección Brazo de Loba creada sobre el rio Cauca, en medio las secciones de la estación Armenia (44030) y la estación Coyongal (23058), entre las cuales se introdujo la unión Brazo de Loba. Al introducir la unión, el rio Magdalena quedo dividido en dos tramos Armenia Loba y Loba Barbosa, aguas arriba y aguas abajo de la confluencia, respectivamente (Figura 1-5-6). Figura Tramos de los ríos con la unión Brazo de Loba. 2.5 INTERPOLAR SECCIONES TRANSVERSALES Se interpolaron las secciones transversales de los dos ríos cada 1000m (Figura 1-5-7). Cada sección interpolada aparece con asterisco (*), luego del número de identificación. Todas las características de las secciones se interpolaron, incluyendo el coeficiente de Manning y los levees creados. 6

10 Figura Secciones transversales interpoladas en los dos ríos cada 1000m. Figura Zoom secciones transversales interpoladas en los dos ríos cada 1000m. 7

11 2.6 INTRODUCCIÓN DE DATOS HIDRÁULICOS (FLUJO PERMANENTE) En la ventana Steady Flow Data (Figura 1-5-9), se ingresaron cinco (5) perfiles para calcular el flujo. En cada perfil se introdujo un dato de caudal medio alto (m 3 /s) con el fin de considerar los desbordes en los rompederos, estos caudales se ingresaron en las secciones transversales donde se presentaban cambios de flujo, comenzando desde la sección de aguas arriba para cada tramo, de tal manera que el programa supone el mismo caudal para el resto de secciones dentro de ese tramo hasta que se encuentra con otro valor en otra seccion del río Cauca o el río Magdalena. Figura Ingreso de datos de caudales. 2.7 CONDICIONES DE FRONTERA Una vez definidos los caudales que circulan por cada tramo del río Cauca y Magdalena, se tomaron como condiciones de frontera sobre el rio Cauca la estacion La Coquera a la entrada del tramo con un caudal conocido, el rompedero Nuevo Mundo con un caudal conocido producto del balance de masa entre los registros de las estataciones Margento sobre el rio Cauca, La Esperanza sobre el rio Nechi y Las Flores sobre el rio Cauca, otras condiciones de frontera en el rio Cauca fueron la estacion Las Flores con un caudal conocido y el rompedero Santa Anita con un caudal conocido producto del balance de masa entre las estaciones Las Flores y Las Varas. 8

12 Sobre el Rio Magdalena se tomaron como condiciones de frontera la estacion Armenia a la entrada del tramo Armenia Loba con un caudal conocido, la union del Brazo de Loba para la cual el programa automaticamente calcula el nivel y el caudal en la confluencia, y la estacion Barbosa a la salida del tramo Loba - Barbosa con la profundidad normal que calcula automaticamente el programa (Figura ). Figura Condiciones de frontera del flujo. 2.8 EJECUCION DEL MODELO (FLUJO PERMANENTE) Finalmente, se realizó la simulación hidráulica en los ríos creando un plan que incorpore el fichero de datos geométricos, datos hidráulicos y seleccionando el régimen de flujo subcrítico que se espera encontrar en los ríos Cauca y Magdalena por medio de la ventana Steady Flow Analisys (Figura ). Figura Análisis de flujo permanente. 9

13 2.9 RESULTADOS Una vez ejecutada la simulación, se obtuvieron los perfiles en los ríos Cauca y Magdalena, a continuación se presenta el perfil 1 simulado (Figuras 1Figura , Figura Figura ) para la condición de caudal más baja. 10

14 Figura Lámina de agua de las secciones transversales sobre el rio Cauca. Figura Perfil longitudinal de la lámina de agua. Rio Cauca tramo La Coquera Brazo de Loba. 11

15 Figura Lámina de agua de las secciones transversales promedio sobre el rio Magdalena. Figura Perfil longitudinal de la lámina de agua. Rio Magdalena, tramo Armenia Brazo de Loba. 12

16 Figura Perfil longitudinal de la lámina de agua. Rio Magdalena, tramo Brazo de Loba - Barbosa. Tabla Parámetros hidráulicos de cada una de las secciones. 13

17 Tabla Tabla resumen de resultados COMPARACION DE LOS PERFILES LONGITUDINALES A continuación se hace un análisis de los perfiles longitudinales obtenidos en los ríos Cauca y Magdalena (Figura y , respectivamente) para las secciones transversales naturales y las secciones equivalentes promedio calculadas en los dos ríos en estudio, con condiciones de caudal bajo. De acuerdo, con los perfiles longitudinales obtenidos tanto para las secciones transversales naturales y las secciones equivalentes promedio en los dos ríos, se observa un flujo permanente no uniforme, ya que la profundidad y la velocidad del flujo varían con la distancia pero no con el tiempo. 14

18 Sobre el rio Cauca se presenta Flujo Gradualmente Variado (FGV) y Rápidamente Variado (FRV), y sobre el rio Magdalena se presenta un Flujo Gradualmente Variado producto de las condiciones de frontera impuestas. El FGV se observa cuando el perfil de la superficie libre presenta una curva ascendente o descendente con una pequeña pendiente, la profundidad del flujo cambia suavemente de un punto a otro y la velocidad media del flujo varia a lo largo del rio. Por el contrario, el FRV se observa cuando la curva del perfil de la superficie libre es fuerte y la profundidad cambia apreciablemente en una corta distancia. Por otro lado, el comportamiento del perfil de la superficie libre obtenido para las secciones transversales naturales promedio, es similar al obtenido en las secciones equivalentes promedio. Sin embargo, se observa en el rio Magdalena que el nivel de la superficie libre calculado para la sección transversal natural es superior aproximadamente 0.25 metros que el nivel de la sección equivalente. Sobre el rio Cauca el nivel de la superficie libre calculado para la sección transversal natural es superior (de 0.1 a 1.0 metro aproximadamente) al nivel de la sección equivalente. Esto se debe, a que el ancho de la sección transversal equivalente se calculó algo mayor que el ancho de la sección natural, por esta razón se obtuvo una mayor profundidad del flujo en la sección natural. 50 Perfil Longitudinal Río Cauca Elevacion [m] Cota mínima canal 10 Nivel agua sección equivalente Nivel agua sección real Distancia [m] x 10 5 Figura Perfil longitudinal de la lámina de agua. Rio Cauca, tramo La Coquera Brazo de Loba. 15

19 15 Perfil Longitudinal Río Magdalena Elevacion [m] Cota mínima canal 6 Nivel agua sección equivalente Nivel agua sección real Distancia [m] x 10 4 Figura Perfil longitudinal de la lámina de agua. Rio Magdalena, tramo Armenia Barbosa. 16