01 guia hec ras 1 d v1
- 1. 1 Modelamiento hidráulico HEC RAS 5.0.1. M.Sc. Ing. For. Guillermo Coca Cespedes 1. Introducción a HEC RAS HEC RAS (River Analysis System) ha sido desarrollado por el Hydrologic Engineering Center del U.S. Army Corps of Engineers, de los Estados Unidos, siendo uno de los modelos hidráulicos más utilizados en la modelización de cauces. El programa es gratuito y para mayor información puede entrar al siguiente enlace: www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/ donde además se puede descargarse el software, el manual de usuario, el manual de referencia técnica y ejemplos de aplicación. La versión que se utilizará en esta guía de estudio es HEC RAS 5.0.1, el cual puede operar en los siguientes sistemas operativos: Windows XP, Vista, 7, 8, 8.1, and 10, sistemas de 32-bit and 64-bits. A continuación se desarrollara un ejemplo simple, para entender los conceptos básicos del modelamiento con HES RAS; sin embargo consulte los manuales propios del programa para completar los contenidos expuestos a continuación. 2. Configuración general 2.1. Instalación La instalación del programa HEC-RAS es sencilla, consiste simplemente en descargar el programa del siguiente enlace http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/downloads.aspx y ejecutar el programa. 2.2. Configuración regional del sistema Después de la instalación, antes de iniciar el programa verifique que el separador decimal sea punto y no coma; en el caso de que el separador de decimal sea coma, cambie la configuración regional desde el panel de control. 1. Dentro de la ventana de panel de control (el panel de control se ubica en configuraciones del sistema), seleccione Reloj, idioma y región. 2. En la ventana que se despliega, seleccione la opción de Región y posteriormente seleccione la pestaña de formatos. 3. Dentro de la ventana de formatos selecciones Ingles (Estados Unidos) y después hagaclic en Configuración Adicional 4. Dentro la ventana que se despliega en la pestaña: Número, seleccionar PUNTO como separador decimal,
- 2. 2 Símbolo de separación de miles, eliminar cualquier símbolo y remplazarlo por espacio, Moneda, seleccionar PUNTO como separador decimal. 1 2 3 4 Ingles (Estados Unidos) 2.3. Iniciar HEC-RAS. Una vez instalado el software HEC-RAS automáticamente se crea un grupo de programas denominado HEC y un icono llamado HEC-RAS. 1. Haga clic en el icono de HEC-RAS y de inicio al programa. 1 2.4. Configuración de unidades. El programa trabaja por defecto con el sistema inglés; por lo tanto, se recomienda que antes de iniciar cualquier proyecto se cambie el sistema de coordenadas al SI (Sistema Internacional) y aplicar esta configuración para posteriores proyectos inicien con sistema metrico. 1. Una vez abierto el programa HEC-RAS, si se fija en la parte inferior derecha del programa, observara que las unidades son US Customary Units. Para cambiar al SI, seleccione Options. 2. En el menú desplegable seleccione Unit system (US Customary/S1)…
- 3. 3 3. En la ventana que se despliegue, marque System lnternational (Metric System) y Set as default for new projects y haga clic en OK. 1 2 3 3. Creación de un proyecto Una vez definidas las unidades, procedemos a crear nuestro proyecto, para trabajar de una forma ordenada, es conveniente (no necesario) crear un directorio con el nombre de nuestro proyecto, y en él, guardar todos los archivos que vayamos generando. 1. Desde el menú File, seleccionamos New Project. 2. En la ventana que se despliega; inicialmente nos ubicamos en la carpeta donde se quiere guardar los archivos y hacemos clic en Create Folder, se despliega una nueva ventana y en ella asignamos el nombre del nuevo proyecto (por ejemplo: Hec_Ras_Canal) y haga clic en OK. 3. Posteriormente, damos a nuestro proyecto un título, (Por ejemplo: Canal) cuyo nombre se guardara con un extensión *.prj, y haga clic en OK. Desplegara una ventana que nos pregunta si queremos crear un proyecto con el nombre y título dados. Nos avisas en que unidades se va a trabajar. Acepte el mensaje. 1 3 2
- 4. 4 4. Geometría del canal El objetivo del presente ejemplo es realizar un análisis básico del flujo en un canal trapezoidal; donde se ilustra cómo se debe definir el canal, interpolar secciones transversales, realizar el análisis un régimen de flujo estable para distintos caudales de diseño. 4.1. Sección longitudinal Una vez creado el proyecto, lo que continúa es introducir la geometría del canal. 1. Seleccionar Edit/Geometry Data o el icono View/Edit geometry data. 2. Se despliega la ventana de Geometry data, en la cual haga clic sobre el icono y el puntero del ratón se convertirá en lápiz, con el cual dibuje un tramo del canal; haciendo un clic aguas arriba y terminar la línea en dirección aguas abajo con doble clic. 3. Cuando se define el punto final del canal aguas abajo, aparece una ventana donde solicita el nombre del rio o canal (Ejem: Canal) y el nombre del tramo (Ejem: Canal) y de OK para aceptar. Si se ha realizado correctamente, aparecerá una flecha que nos indica el sentido del flujo. Comprobaremos que ese es el sentido deseado, y si no lo es lo borramos y comenzamos de nuevo. 1 2 3 Nota.- En este punto no importa la longitud trazada, ni si tiene curvas o quiebres el canal, recuerde que está trabajando con un modelo lD, lo que definirá el cálculo del régimen de flujo del agua, estará dado por las secciones transversales y la distancia entre ellas. Una vez creado el croquis del tramo de estudio, se definirá geométricamente las secciones transversales seleccionadas y las distancias entre ellas.
- 5. 5 4.2. Secciones transversales Para nuestro ejemplo, analizaremos un canal principal trapezoidal de hormigón (Manning n=0.013), como se muestra en la siguiente figura, cuya pendiente longitudinal del canal es del 0.125%, longitud del cauce 1 km y secciones transversales cada 100 m. LOB Channel ROB 1.0 1.5 2.0 1.0 .5 1.5 3.0 1.5 .5 1.0 2.0 Adicionar una sección transversal 1. En la misma ventana de Geometric Data, haga clic en el icono , y aparecerá una nueva ventana Cross Section data. 2. Para adicionar una sección haga clic en Options / Add a New Cross Section…y se desplegará una nueva ventana donde deberá introducir el nombre de la sección (Ejem. 1, la siguiente será 2 y así sucesivamente) 1 2 Geometría de la sección 3. En la misma ventana de Cross Section data en la tabla de Cross Section Coordinates añada las coordenadas, para definir gráficamente la sección, donde Station es la distancia en X y Elevation es la cota del fondo del cauce en ese punto. Las coordenadas se introducen de izquierda a derecha. 3
- 6. 6 Nota.- Elevation, no son profundidades, sino cotas o alturas desde cualquier punto de referencia. Si se trata de una sección simétrica, es conveniente considerar el eje del canal como la cota 0,0. Si desea puede incluir una descripción en el campo de Description. Cada vez que haga clic en Apply Data, los datos introducidos, serán graficados en la ventana de la derecha. Distancia a la siguiente sección 4. En la misma ventana, en la tabla Downstream Rearch Lengths introducimos las distancias desde la sección en la cual estamos trabajando a la siguiente agua abajo. Para la primera sección es 0; es decir, no tiene ninguna sección precedente aguas abajo. LOB: Distancia entre los márgenes izquierdos. ROB: Distancia entre los márgenes derechos. Channel: Distancia a lo largo del centro del canal. Lógicamente si los tres valores son iguales, los dos perfiles transversales consecutivos aparecerán paralelos. Acotación del canal principal 5. En la tabla Downstream Rearch Lengths, tanto para Left Bank y Right Bank, asigne un valor de 3. Estos puntos definen la parte de la sección que puede considerarse como canal principal, el resto de la sección se considera como llanura de inundación o área de desborde. Los valores que se asignan representa la distancia horizontal, que coincide con un punto de la sección. En caso de que no coincidiera con algún punto, el programa pregunta si quiere crear el punto y al aceptar, crea una cota interpolada que aparece como una nueva ordenada en la tabla de geometría de la sección. Haga clic en Apply Data, y estos dos puntos que se acotan aparecen en rojo. Coeficiente de Manning "n" 6. En la tabla Manning's n Values, asignar el valor de 0.013 (hormigón) en las tres casillas. En el caso de que, por ejemplo el canal principal sea de hormigón y el área de desborde (LOB o ROB) sea e otro material, se debe considerar diferentes valores de Manning. Si hace clic en el signo de interrogación, este vincula directamente con el manual de HEC RAS, donde puede encontrar las tablas de los valores de Manning (Capitulo 3 - Requerimientos de datos básicos) Coeficiente contracción y expansión 7. En la tabla Cont/Exp Coefficient, asignar el valor Contraction =0.1 y en Expansion = 0.3. Estos coeficientes que relacionan y evalúan la pérdida de energía por expansión o contracción en la transición. La contracción o expansión de flujo debido a los cambios en la sección transversal es una causa común de las pérdidas de energía entre dos secciones; este coeficiente puede variar de 0 a 1. Si hace clic en el signo de interrogación, este vincula directamente con el manual de HEC RAS, donde puede encontrar una breve descripción de que valores debe (Capitulo 3 - Requerimientos de datos básicos). Finalmente, se terminó de introducir todos los datos de una sección trasversal (ver figura siguiente). Para que corra el programa, lo mínimo que se necesita son 2 secciones. Para introducir otra sección transversal, deberá repetir los pasos del 1 al 7 (secciones transversales); pero debido a que a lo largo de todo el canal, se tiene la misma sección, se puede copiar la sección y elevar las cotas de acuerdo con la pendiente.
- 7. 7 Copiar una sección transversal 8. En la ventana de Cross Section Data, haga clic dentro el menú Options/Copy Current Cross Section … y se despliega una nueva ventana en la te da a elegir en que río y en que afluente quieres copiar, debido a que solo estamos trabajando con un solo canal, tanto en River como en Reach, solo te dará la opción de canal. En River Sta. se debe colocar el nombre de la sección, en nuestro caso 2 y damos OK. Vuelve a la ventana de Cross Section Data, en la cual se puede observar que en la casilla de River Sta. marca 2, eso quiere decir que se está trabajando en la segunda sección que se encontraría para nuestro caso aguas arriba, que se encuentra a una distancia de 1 km, con una pendiente del 0.125% 9. En esta ventana se debe editar la elevación de las cotas en función a la pendiente y la distancia a la siguiente sección. Para elevar la cota, haga clic dentro del menú Options/Adjust Elevations …y en la ventana que se despliegue asigne un valor de 1.25 (diferencia de elevación entre la sección aguas abajo y aguas arriba), y de Ok. 10. En la ventana de edición de la sección, puede observar que la elevación ha cambiado y en la tabla Downstream Rearch Lengths, introducimos el valor de 1000, que representa al 1km de distancia entre las dos secciones. 9 10
- 8. 8 Interpolar secciones transversales Se desea obtener datos de la lámina de agua en el canal cada 100 m, por lo tanto se interpolaran las secciones y de esta manera se termina la introducción de los datos geométricos. 11. En esta ventana se Geometric Data, en el menú principal seleccionamos Tools/XS interpolation; aparecen dos opciones: Within a Reach (dentro todo el tramo) y Between 2 XS's (Entre dos secciones transversales). Haciendo clic en Within a Reach, se despliega una ventana donde se debe seleccionar el canal o rio (River) y el tramo (Rearch) en la que se quiere interpolar las secciones, en el caso del ejercicio seleccione canal, canal. Además proporcionar la información de cuál es la sección aguas arriba (Uptream Riv Sta), la sección aguas abajo (Donwstream Riv Sta) y a que distancia máxima quieren ser interpoladas las secciones transversales (Maximum distance Between XS's), que para el ejercicio esta distancia es de 100 y elegir el número de decimales. En Cut Line GIS Coordinates, seleccionar Generate for display as perpendicular segments to reach invert. La otra opción se utiliza siempre y cuando se esté trabajando con datos georeferenciados. Para ver la diferencia entre estas dos opciones puede hacer clic en el signo de ?. Una vez colocados todos los parámetros, hacer clic en Interpolate XS's y Close, en la ventana de Geometric Data, aparecerán todas las secciones interpoladas con un asterisco (*) conjuntamente con las características; las cuales puede verificar desde la ventana de Cross Section Data. Finalmente desde la ventana de Geometric Data en la pestaña File, selecione Save Geometry Data y guarde la geometría del canal como canal_geometria, cuya extensión es *.g01. 11 Nota.- Con la opción Between 2 XS's aparece una ventana con esencialmente las mismas opciones, excepto que esta incluye un dibujo de ambas secciones y si tuviéramos secciones transversales distintas por tramo, se puede utilizar esta opción. 5. Datos hidráulicos (Flujo permanente) Una vez diseñada la geometría del canal o del río, necesario introducir los datos del flujo; para calcular los niveles y velocidades que puede alcanzar para distintos periodos de retorno. Los caudales de cálculo correspondientes a los periodos de retorno de 10, 50 y 100 años, calculados previamente mediante un modelo hidrológico, corresponden respectivamente a 25.4, 32.0 y 46.2 m3/s.
- 9. 9 5.1. Caudal 1. Desde la ventana principal del Hec RAS, seleccionar Edit/ Steady Flow Data o el icono View/Edit Steady Flow Data 2. Se despliega la ventana de Steady Flow Data, en la cual dentro Enter /Edit Number Of Profiles, definimos número de perfiles que corresponde a la cantidad de datos de caudal que se tiene, en nuestro caso se tiene 3 periodos de retorno y por lo tanto 3 valores de caudal. Por lo tanto se debe colocar 3 y se despliegan tres casillas, en las cuales anotamos los valores de caudal en m3/s. El nombre de columna que aparece inicialmente como PF1, PF2… puede ser cambiado desde Option/Edit Profile Names. Los datos de caudal se introducen comenzando aguas arriba, en cada tramo si hubiera más de uno; en nuestro caso la sección aguas arriba es la 2, entonces en River y Reach en nuestro caso es canal y en River Sta. es 2. 1 2 5.2. Condiciones de borde 3. En la misma ventana de Steady Flow Data, es necesario introducir las condiciones de borde que definen el comportamiento del agua en los límites, ya sea aguas arriba o abajo; para ello, hacer clic en Reach Boundary Conditions… y se despliega una ventana en la cual se debe escoger uno de los cuatro tipos e condición de contorno (Tener en cuenta que se está modelando con flujo permanente). Nivel de agua (Known W.S.): Si se tiene el dato del tirante de la sección, normalmente dado por un limnímetro. El dato a introducir es el nivel, es decir, una cota. No la altura del tirante. Tirante crítico (Critical Depth): Se define cuando en la sección existe un elemento de control de tirante/caudal basado en el tirante crítico (vertedero, aforador, presa, azud). La característica de esta opción es que no hay que entrar datos, ya que el programa toma como dato el cálculo del tirante crítico en la sección. Curva de cauda (Rating Curve): Usar cuando se posea la curva de caudal de la sección, es decir los datos que relacionan tirante con caudal. Si poseemos datos de aforador, es la condición de contorno a definir. Tirante normal (Normal Depth): Es el más habitual, ya que es el caso en el que el flujo se aproxima al uniforme. El dato a entrar es la pendiente del tramo de influencia que se refiere a la pendiente del tramo entre las dos secciones consecutivas más cercanas; es decir, para la condición de contorno aguas abajo: la pendiente entre la sección más aguas abajo y su inmediata superior (y lo equivalente para la de aguas arriba).
- 10. 10 En la misma ventana hacer clic en la casilla de debajo de Downstream, la cual se marcara con azul y posteriormente hacer clic en Normal Depth, se despliega una nueva ventana donde se introduce la pendiente, que en nuestro caso seria 0.00125. No colocar ninguna condición de borde Aguas Arriba (Upstream) debido a que la simulación se realizará en régimen subcrítico. Nota.- Si simulamos en: Régimen subcrítico debemos definir sólo condición de contorno aguas abajo Régimen supercrítico debemos definir sólo condición de contorno aguas arriba Régimen mixto, hay que definir las condiciones de contorno tanto aguas arriba como aguas abajo. Generalmente: Cuando la pendiente es suave, es muy probable que el régimen sea subcrítico, flujo lento y Nº de Froude < 1 Cuando la pendiente es pronunciada, es muy probable que el régimen sea supercrítico, flujo rápido y Nº de Froude > 1 Cuando hay cambios de pendientes a lo largo del tramo, o incluso cambios de sección, selecionar por el régimen mixto. Normalmente, los dos primeros casos se pueden dar en canales, mientras que en la naturaleza en la mayoría de casos nos encontraremos con el tercer caso. Una vez definidos los parámetros de condiciones de borde, damos ok, cerramos las dos ventanas y finalmente desde la ventana de Steady Flow data en la pestaña File, selecione Save Flow Data y guarde los datos del flujo como canal_Flujo, cuya extensión es *.f01. 3 6. Simulación Hasta este momento se tiene definido la geometría del canal y las condiciones hidráulicas; para realizar la simulación es necesario crear un plan. Si se ha preparado diversas geometrías y varias condiciones de flujo, aquí se puede elegir con cuáles de ellos se va ejecutar el cálculo. 1. Desde la ventana principal del Hec RAS, seleccionar Run/Steady Flow Analysis o el icono Perform a Steady Flow Simulation. 2. Se despliega la ventana de Steady Flow Analysis y en Geometry y Steady Files, seleccione los archivos que creamos anteriormente. Desde el menú principal hacer clic en Options/Critical Depth Output Option y se
- 11. 11 despliega una ventana donde se debe activar Critical Always Calculated. Seleccionar el régimen de flujo (Flow Regime) como Subcritical y FloodPlain Mapping. Finalmente desde la ventana de Steady Flow Analysis en la pestaña File, selecione Save Plan y guarde los datos de simulación como Sim_canal (Plan y Short ID), cuya extensión es *.p01 y haga clic en Compute. 3. Se despliega la ventana de HEC-RAS Finished Computations, en la cual se despliegan todos los mensajes de cuanto duro la simulación, donde se guardaron los datos y pueden salir avisos de error. Si no se tiene errores, se puede pasar a ver los resultados. 1 2 3
- 12. 12 7. Resultados de la simulación Una vez ejecutada la simulación correctamente, se tiene acceso a diferentes tipos de visualización de resultados: - Visualizaciones gráficas: Los perfiles longitudinales, secciones, gráficos o incluso la visualización 3D te ofrecen una primera visión del resultado de la simulación, que te puede dar una información general sobre el resultado del modelo. - Visualizaciones tabuladas: Mediante tablas se puedes acceder a información más detallada del comportamiento del flujo, consultando los valores de las variables y parámetros hidráulicos que lo rigen. - Listados de avisos: de la realización de la computación, se habrán originado una serie de avisos (warnings) y notas (notes) que se recogen en unos listados y que ofrecen información sobre el comportamiento y precisión de la simulación. Los resultados son varios y se recomienda que cada uno vaya entrando a diferentes menús y vaya viendo e interpretando las diferentes opciones que HEC - RAS ofrece. Entre los principales resultados se tiene: 1. Desde el menú principal en View, se tiene las siguientes opciones que pueden accederse a través de los iconos gráficos. 2. Secciones trasversales: Hacer clic en Cross - Sections Desde el menú Options existen muchas posibilidades para personalizar las gráficas, como por ejemplo: Elegir el plan, perfil, ver o no ver secciones interpoladas, ver las distribuciones de la velocidad Altura Tirante Pr =10 años (Sección 1) Velocidad Pr = 100 años (Sección 1)
- 13. 13 3. Perfiles longitudinales: Hacer clic en Water Surface Profiles. Al igual que el anterior caso, desde el menú de Options, puede personalizar la gráfica. 4. Perfiles longitudinales generales: Hacer clic en General Profile Plot. Al igual que el anterior caso, desde el menú de Options, puede personalizar la gráfica y elegir que variable desea graficar, por ejemplo: Velocidad, caudal, área de la sección trasversal, numero de Froude, tirante, etc. Revise las opciones que ofrece o la pestaña Standard Plots. 5. Curvas de calibraciones: Hacer clic en Rating Curve, donde se puede graficar para cada sección transversal, como dos variables interactúan; por ejemplo: caudal vs tirante, caudal vs velocidad, etc. Al igual que el anterior caso, desde el menú de Options, puede personalizar la gráfica y elegir que variable desea graficar y en que eje desea graficar.
- 14. 14 6. Perspectiva: Hacer clic en X-Y-Z Perspective Plot, donde se puede graficar una vista en perspectiva. Desde el menú Options, se puede seleccionar el plan, el perfil (uno o varios), hacer acercamientos, animaciones, etc. En la vista, podemos configurara los angulos de rotaciones, tanto vertical como horizontal. 7. Tablas resumen por sección: Hacer clic en Cross Section Output, donde se puede ver un resumen de los parámetros hidráulicos de cada una de las secciones, con las opciones de incluir los mensajes de error, avisos y notas. Cambiar el sistema de unidades al sistema métrico. Los parámetros más importantes son: - E.G.Elev (m): Altura de energía. - W.S.Elev (m): Altura de la lámina de agua. - E.G.Slope: Pendiente de la línea de energía. - Q Total (m3/s): Caudal total en la sección. - Top Width (m): Ancho de la superficie libre del flujo en la sección.
- 15. 15 8. Tablas resumen de los perfiles: Hacer clic en Profile Output Table, donde se puede ver un resumen de los parámetros hidráulicos más importantes de todas las secciones. Cambiar el sistema de unidades al sistema métrico. Al principio aparece una tabla estándar, pero elegir otro tipo de tabla (Std. Tables) o personalizar a su gusto. También nos permite elegir si desea ver las secciones interpoladas o no. Los parámetros más importantes son: - Q Total (m3/s): Caudal total en la sección. - Min Ch El (m): Cota inferior del cauce en la sección. - W.S.Elev (m): Altura de la lámina de agua. - Crit W.S. (m): Cota del calado crítico. - E.G.Elev (m): Altura de energía. - E.G.Slope: Pendiente de la línea de energía. - Vel Chnl (m/s): Velocidad del agua en el cauce. - Flow Area (m2): Superficie mojada en la sección. - Top Width (m): Ancho de la superficie libre del flujo en la sección. - Froude # Chl: Número de Froude. 9. Mensajes: Hacer clic en Summary error, warning and notes. Una vez ejecutada la simulación, el programa genera un registro de incidencias que se clasifican en: Errores (Erros): Mensajes enviados únicamente cuando ha surgido problemas que han impedido que la simulación se complete. Avisos (Warnings): Información sobre incidencias que pueden exigir o no acciones de corrección. Cuando aparecen estos mensajes, el usuario debe revisar los resultados hidráulicos de la sección afectada para asegurarse de que sean aceptables. A veces pueden ir acompañados de alguna sugerencia que para su corrección. Los problemas más comunes pueden ser: Secciones demasiado espaciadas, que comienzan o terminan con una cota demasiado baja, cota inicial de la lámina de agua incorrecta para el régimen especificado, datos de la sección transversal incorrectos. Notas (Notes): Dan información al usuario de cómo se están realizando los cálculos.
- 16. 16 Avisos más comunes Notas más comunes