Desarrollos recientes en la modelización numérica en ríos mediante Iber

Transcripción

1 Desarrollos recientes en la modelización numérica en ríos mediante Iber

2 1.Introducción a Iber 2. Nuevos módulos hidráulicos 3. Desarrollos de interfaz 4. Integración con hidrología - desarrollos implementados - en proceso de validación 5. Calidad de aguas 6. Líneas actuales

3 Introducción Iber es una herramienta de simulación bidimensional del flujo en ríos y estuarios (Turbillón) (GiD) (CARPA)

4 Introducción Módulos de cálculo básicos HIDRODINÁMICA Velocidad Tirante TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Carga en suspensión Carga de fondo TURBULENCIA Viscosidad turbulenta Energía turbulenta y disipación

5 Introducción Ecuaciones (hidráulica): aguas someras 2D Conservación de la masa Conservación de la cantidad de movimiento U F H t Resolución numérica: volúmenes finitos y Esquema descentrado (Roe) n i,3 Malla irregular n i,4 V i n i,2 n i,1 x

6 Introducción Resultados principales: Evolución del tirante Evolución del caudal Otros resultados hidrodinámicos: velocidad, tensión de fondo, Nº de Froude, peligrosidad capacidad de arrastre, valores máximos

7 Introducción Interfaz: GiD ( Preproceso Postproceso

8 Introducción Visualización de resultados

9 Introducción Módulos adicionales: Puentes, compuertas, vertederos, obras de drenaje Efecto del viento Transporte de sedimentos (fondo y suspensión) Hidrología: Lluvia, pérdidas Otros resultados : velocidad, tensión de fondo, Nº de Froude, peligrosidad, capacidad de arrastre, valores máximos, caudal sólido. Concentración, erosión, sedimentación, viscosidad turbulenta, energía cinética turbulenta,

10 Introducción Número de Froude Capacidad de arrastre (diámetro crítico)

11 1. Introducción a Iber 2.Nuevos módulos hidráulicos 3. Desarrollos de interfaz 4. Integración con hidrología - desarrollos implementados - en proceso de validación 5. Calidad de aguas 6. Líneas actuales

12 Nuevas capacidades hidrodinámicas Tramos a presión: Ranura de Preissman Ecuaciones del flujo en lámina libre Velocidad y pérdidas cómo en flujo a presión Celeridad de la onda en función del ancho de ranura Si existe flujo por superficie, igual velocidad abajo que arriba (!)

13 Nuevas capacidades hidrodinámicas Tramos a presión: Ranura de Preissman

14 1. Introducción a Iber 2. Nuevos módulos hidráulicos 3.Desarrollos de interfaz 4. Integración con hidrología - desarrollos implementados - en proceso de validación 5. Calidad de aguas 6. Líneas actuales

15 Desarrollos de interfaz - preproceso Culverts o alcantarillas z u z 0u Q I zd L z 0d H Sección rectangular B D Sección circular Q= 1 n A R h 2/3 I 1/2

16 Desarrollos de interfaz - preproceso Culverts o alcantarillas

17 Desarrollos de interfaz - preproceso Puentes: menú específico

18 Desarrollos de interfaz - preproceso Roturas de presas El inicio de la brecha puede darse por: Tiempo: instante de tiempo de la simulación Cota: altura de agua referenciada sobre z = 0 metros

19 Desarrollos de interfaz - preproceso Roturas encadenadas

20 Desarrollos de interfaz - preproceso Estructuras en malla: Diques Puentes

21 Nuevo dique: Desarrollos de interfaz - preproceso

22 Desarrollos de interfaz - preproceso Estructuras en malla: Diques Puentes

23 Desarrollos de interfaz - preproceso Estructuras en malla: Diques Puentes

24 Desarrollos de interfaz - preproceso Estructuras en malla: Diques Puentes Valor cota superior puente

25 Desarrollos de interfaz - preproceso Facilitar el mallado para RTIN: Tabla caudal líquido caudal sólido para condición de contorno de transporte de sedimentos

26 Desarrollos de interfaz - preproceso Fuentes y sumideros:

27 Desarrollos de interfaz - postproceso Nuevas opciones de análisis de resultados: Acceso a salida en formato raster Creación de secciones y perfiles Obtención automática de secciones y perfiles de máximos Gráfica de lámina en sección o perfil en un instante Hidrogramas

28 Desarrollos de interfaz - postproceso

29 Desarrollos de interfaz - postproceso

30 Desarrollos de interfaz - postproceso

31 Desarrollos de interfaz - postproceso

32 Desarrollos de interfaz - postproceso

33 Desarrollos de interfaz - postproceso Superpósición y cálculo de gráficas Geometría actual Geometría propuesta Comparación de hidrogramas Cota de agua (actual) Cota de agua (propuesta)

34 1. Introducción a Iber 2. Nuevos módulos hidráulicos 3. Desarrollos de interfaz 4.Integración con hidrología - desarrollos implementados - en proceso de validación 5. Calidad de aguas 6. Líneas actuales

35 Hidrología v Situación a julio de 2013: Nuevos desarrollos:: Método de secado Relleno de depresiones

36 Hidrología v Secado hidrológico: Si V elemento <Dt Sq salida t t +Dt Secado normal: calado negativo (inestabilidades si h pequeño) e wd h<0 Secado estricto: reducción Dt (aumento tiempo de cálculo) e wd 0<h<e wd Secado hidrológico: reducción caudal de salida del elemento (Tiempo de cálculo aumenta menos) Q out = Vol t e wd h=0

37 Hidrología v Relleno de depresiones: Las zonas deprimidas de la malla se rellenan para evitar acumulaciones de agua ( Fill sinks )

38 Hidrología v Relleno de depresiones. Sin relleno:

39 Hidrología v Relleno de depresiones. Con relleno

40 Hidrología v Peñitas, con secado hidrológico y relleno de depresiones

41 Hidrología próxima versión Lluvia móvil Lectura de intensidad de lluvia a partir de serie temporal de archivos en formato raster

42 Hidrología próxima versión Lluvia móvil

43 Lluvia móvil Hidrología próxima versión

44 Hidrología próxima versión Algunas veces se observan inestabilidades Especialmente para caudales bajos

45 Hidrología próxima versión Esquema desacoplado. Ecuaciones Ecuaciones estándar: hu hu t x y h x y 2 2 h z τ b b, x hux hux g huxuy gh t x 2 y x 2 τ 2 h zb b, y huy huxuy huy g gh t x y 2 y Juntando término gravitatorio con pendiente de fondo: hu hu t x y h x y M M 2 hux hu hu x xu y z τ s b, x gh t x y x 2 hu y huxu y hu y z τ s b, y gh t x y y S S

46 Hidrología próxima versión Esquema desacoplado. Esquema numérico hu hu t x y h x y M 2 hux hu hu x xu y z τ s b, x gh t x y x 2 hu y huxu y hu y z τ s b, y gh t x y y S i F ij j Discretización centrada para la pendiente de la lámina de agua Redefinición flujo numérico y discretización descentrada: F q n q n 1 ij x x y y q qq F n n h h q q q F n n h h 2 2 x x y ij x y 2 3 x y y ij x y F h F h 1 1 ij ij i ij ij j 2 2 ij ij x, i ij ij ij x, j ij 3 3 ij ij y, i ij ij y, j F q if 0 F q if 0 F q F q U n U n ij x x y y ij

47 Hidrología próxima versión Esquema desacoplado Esquema mucho mas simple, y eficiente en tiempo de cálculo Sin inestabilidades Poco preciso para patrones hidráulicos complejos

48 1. Introducción a Iber 2. Nuevos módulos hidráulicos 3. Desarrollos de interfaz 4. Integración con hidrología - desarrollos implementados - en proceso de validación 5.Calidad de aguas 6. Líneas actuales

49 Calidad de aguas Objetivos de un modelo de calidad Herramienta para estudiar la evolución de la contaminación provocada por vertidos urbanos o industriales en el medio receptor Toma de decisiones ante vertidos accidentales. Definición de medidas de actuación en caso de accidente y gestión de accidentes en tiempo real Diseño de saneamientos basados en la protección del medio receptor Comprobar y dimensionar redes de saneamiento dando cumplimiento a la legislación de calidad de aguas

50 Calidad de aguas Relación con otros módulos de cálculo TEMPERATURA HIDRODINÁMICA TURBULENCIA SALINIDAD CALIDAD DE AGUAS Oxígeno disuelto, Cíclo del nitrógeno, DBO, Coliformes

51 Calidad de aguas Ecuación de transporte por convección-difusión 2D (promediada en profundidad) h C h U C h U C F F t x y x y Difusión Advección Dispersión Concentración x y d,x d,y SC h Reacción Corrientes Hidrodinámica 2D Turbulencia Oleaje Corrientes secundarias Modelo turbulencia Modelo oleaje 6 ecuaciones adicionales: Tª, S, OD, DBO, N, CF

52 Calidad de aguas Relación entre distintos términos de reacción Sedimentación Nitrógeno orgánico Reaireación Temperatura Amonificación Oxígeno disuelto DBOC Amonio Demanda de oxígeno por el sedimento Biodegradación Sedimentación Temperatura Nitrificación Salinidad Nitratos Patógenos Temperatura Desnitrificación Muerte Salinidad Radiación Turbidez

53 Calidad de aguas Temperatura Impuesta por el usuario (serie temporal) Calculada mediante ecuación de conservación ht hu T hu T T t x y x x x y hγe j j 1 S Q Q Q Q C T rad,in rad,out cond evap w pw S T Q rad,in Q rad,out Q cond Q evap Radiación solar neta de onda corta Radiación atmosférica neta de onda larga Radiación de onda larga emitida por el agua Flujo de calor por conducción Flujo de calor por evaporación/condensación radiación total (W/m2) T agua T agua + T aire + viento T agua + T aire + viento + humedad

54 Calidad de aguas Temperatura q solar =qinc at a c (1 - albedo) (1 - sombra) 4 q 11,7 10 T 0,6 + 0,031 e 0,97 8 atm aire aire q T br 8 4 agua q 0.47 ( v ) T -T 2 cond viento7m agua aire q = ( v ) (e - e ) 2 evap viento,7m agua aire e 4,596 e sat,aire v e agua at a = C c q inc=2823 sinα sin (sin sin cos cos cos ) e e =e humedad aire viento,z hora π τ n ( log m) m sat,aire = v fac 1 m sin 0.15( d 3.885) viento,zw = e 2 L 17.27( Taire 273) ( T 273) z z B Albedo = A α d w aire 17.27(T -273) agua (T -273) agua 1.253

55 Calidad de aguas Temperatura desactivar / calcular / leer difusión molecular y número Schmidt (difusión turbulenta) variables atmosféricas opciones numéricas lectura de serie temporal de temperatura

56 Calidad de aguas Salinidad desactivar / calcular / leer difusión molecular y número Schmidt (difusión turbulenta) opciones numéricas lectura de serie temporal de salinidad

57 Calidad de aguas Coliformes hc hu C hu C C t x y x x x y hγe j j 3 modelos de degradación T 90 impuesto por el usuario (serie temporal) Mancini (radiación, temperatura, salinidad, extinción luz) Canteras (radiación, temperatura, salinidad, extinción luz) S C S = k C C deg (T - 293) 0 k e h c k ( S) 1.07 (1 e ) deg I k h e c (Mancin)

58 Calidad de aguas Coliformes activar / desactivar difusión molecular y número Schmidt (difusión turbulenta) modelo de degradación bacteriana opciones numéricas

59 Calidad de aguas Nitrógeno orgánico Nitrógeno (Tagua - 293) v Norg amonificacion org sn org S = - k 1,047 N N h Amonio S = k 1,047 N - k 1,083 F NH NH + 4 (Tagua - 293) (Tagua - 293) + amonificacion org nitrificacion n 4 Nitratos S = k 1,083 F NH - k 1,045 F NO NO - 3 (Tagua - 293) + (Tagua - 293) - nitrificacion n 4 desnitrificacion dn 3

60 Calidad de aguas Nitrógeno Oxígeno disuelto, DBO

61 Calidad de aguas Salinidad río / estuario Lombos del Ulla Q=120 m3/s Salinidad = 0 g/l S=35 g/l

62 Calidad de aguas Salinidad río / estuario Lombos del Ulla Q=120 m3/s Salinidad = 0 g/l S=35 g/l

63 Calidad de aguas Salinidad río / estuario Lombos del Ulla Q=120 m3/s Salinidad = 0 g/l S=35 g/l

64 Calidad de aguas Vertido de coliformes en Ferrol

65 Calidad de aguas Vertido de coliformes en Ferrol

66 Calidad de aguas Vertido de coliformes en Ferrol

67 Calidad de aguas Corrientes de oleaje en Ribeira

68 1. Introducción a Iber 2. Nuevos módulos hidráulicos 3. Desarrollos de interfaz 4. Integración con hidrología - desarrollos implementados - en proceso de validación 5. Calidad de aguas 6.Líneas actuales

69 Líneas de trabajo Líneas de trabajo actuales: Transporte de sedimentos con mezclas (granulometría no uniforme) Modelización hidrológica continua (recarga de acuífero, aportación al caudal base) Optimización del cálculo: Paralelización para cálculo en GPUs y multiprocesadores Formato ráster

70 Gracias por su atención!!