Representar canales de ríos, llanuras aluviales y redes de tuberías (camino)

Actualizado el 10 de noviembre de 2021

Esta publicación tiene licencia bajo los términos de Open Government License v3.0 excepto donde se indique lo contrario. Para ver esta licencia, visite nationalarchives.gov.uk/doc/open-government-licence/version/3 o escriba al Equipo de Políticas de Información, The National Archives, Kew, Londres TW9 4DU, o envíe un correo electrónico a: [email protected]. Reino Unido.

Cuando hayamos identificado información de derechos de autor de terceros, deberá obtener el permiso de los titulares de los derechos de autor en cuestión.

Esta publicación está disponible en https://www.gov.uk/government/publications/river-modelling-technical-standards-and-assessment/represent-river-channels-floodplains-and-pipe-networks-pathway

Este documento es parte de los estándares de modelado de inundaciones para sistemas fluviales. Hay 4 documentos más que cubren este tema. Lea todos los documentos para asegurarse de que tiene la información que necesita para comenzar su proyecto de modelado.

Esta guía es una descripción general de cómo debe representar las principales características de la ruta. La información no es específica del software, por lo que también debe leer el manual del software que elija.

En el enfoque de fuente, vía, receptor (SPR), el componente de la vía es la ruta que toma el agua desde la fuente hasta los receptores.

Para un modelo fluvial, este es un canal de río y estructuras asociadas, canales de desvío y llanuras aluviales. En un modelo de drenaje urbano, esta es la red de tuberías y cualquier ruta de flujo superficial activada cuando la red de tuberías se sobrecarga.

El cauce de un río es la topografía por la que discurre un río en condiciones normales. Puede ser natural o incluir tramos canalizados o canales de derivación.

Los canales fluviales y las redes de tuberías normalmente se modelan en una dimensión (1D) y necesitan datos transversales y de red. Por lo general, incluiría esto con un levantamiento topográfico. No debe usar modelos hidráulicos existentes sin recopilar más datos topográficos.

Debe decidir una resolución de modelo adecuada antes de especificar los requisitos del levantamiento topográfico. Esto se aplica cuando modelas:

Para los modelos 1D, la resolución es la sección transversal o el espacio entre los nodos de las tuberías.

El aumento de la resolución puede mejorar la representación de un perfil de superficie de agua. El espaciado más grueso no incluye la variabilidad en el perfil real de la superficie del agua.

Debe definir el espacio entre los nodos de la tubería teniendo en cuenta los requisitos del número de corriente. Puede obtener más información sobre esto en la guía de parámetros y períodos de tiempo. Una visita al sitio del área de estudio para identificar las estructuras y las características del canal puede ayudar a definir el espaciado de los nodos de la tubería.

La guía de diseño fluvial (FDG) establece que el espacio de la sección transversal del canal debe ser:

También establece que, en general, el espaciado debe ser:

La Agencia Escocesa de Protección del Medio Ambiente (SEPA) (2016) sugiere que coloque secciones:

En canales de ingeniería uniforme, es posible que pueda recopilar datos de encuestas transversales limitados. Luego debe usar unidades de interpolación para ayudarlo a considerar el número de corriente y la estabilidad.

El aumento de la resolución del modelo le dará resultados más detallados y posiblemente más precisos. Pero más puntos de datos necesitan más cálculos y pueden aumentar los tiempos de ejecución del modelo. Los tiempos de ejecución aumentados con modelos 1D suelen ser pequeños y aceptables para el modelado que no es en tiempo real.

El factor limitante en la resolución de la sección transversal para los modelos 1D será el costo de recopilar datos topográficos.

Debe incluir la resolución propuesta y las ubicaciones de las secciones en la declaración del método de modelado. Esto permitirá que los directores de proyecto y los clientes acuerden el nivel apropiado de levantamiento topográfico en función del tiempo y el costo.

Los levantamientos topográficos para el modelado hidráulico son mediciones in situ de características fluviales, como canales, estructuras hidráulicas y llanuras aluviales.

Al recopilar datos topográficos, debe seguir el LIT18749: especificaciones técnicas estándar nacionales para servicios topográficos. Debe leer las especificaciones completas antes de encargar la encuesta.

Al hacer una encuesta, el encuestador debe:

Se recomienda que proporcione los resultados de la encuesta en un formato listo para usar para modelos hidráulicos. Los modelos de canales incluyen:

Debe importarlos al software correspondiente y compararlos con los planos topográficos.

Debe revisar la convención de nomenclatura de los nodos del modelo. El software individual limita las opciones de denominación, pero la convención general es incluir un identificador de río seguido de un PK del modelo (distancia aguas arriba del límite aguas abajo del modelo).

Por ejemplo, TRENT_01000 se referiría a un nodo en el río Trent, 1000 metros aguas arriba del límite aguas abajo. Es posible que necesite un número de alcance para modelos más grandes.

Las convenciones de nomenclatura adecuadas pueden ayudarlo a establecer si la encuesta representa la longitud completa de la encuesta. El requisito técnico mínimo para el modelado (MTRM) LIT:18686 establece que debe proporcionar referencias geográficas a los nodos del modelo.

Debe verificar las gráficas de transporte para cada sección transversal utilizada para representar el canal.

El transporte se calcula a un nivel de agua determinado dividiendo la sección transversal en una serie de secciones verticales y sumando la contribución de cada una.

Puede definir estas secciones utilizando marcadores de panel de Flood Modeller e InfoWorks-ICM. HEC-RAS permite un enfoque similar utilizando estaciones bancarias.

Si no coloca marcadores o los coloca incorrectamente, el perímetro mojado puede aumentar en un rango corto de niveles de agua sin aumentar el área, lo que reduce el transporte. Esto puede llevar a resultados del modelo poco realistas o matemáticamente inestables.

Los datos de las empresas topográficas a menudo incluyen marcadores de panel, pero es posible que desee revisarlos en función de las gráficas de transporte resultantes.

Los modelos 1D pueden incluir secciones de interpolación para agregar puntos de cálculo que pueden mejorar la estabilidad del modelo. Estos representan las características interpoladas del canal entre las secciones transversales encuestadas aguas arriba y aguas abajo. El uso de interpolaciones es una técnica de modelado estándar y el uso proporcionado de estas no es un indicador automático de un modelo mal construido o con un rendimiento deficiente.

Tenga cuidado si utiliza interpolaciones automáticas en las que la forma del canal cambia significativamente entre las secciones transversales del levantamiento. No es probable que la interpolación sea realista. En este caso, puede extraer y modificar manualmente un perfil interpolado para que represente mejor la localidad. Espacie las secciones interpoladas lo suficiente para que sigan los requisitos de número de corriente de los modelos explícitos.

Las estructuras hidráulicas son elementos del canal que no están representados por secciones abiertas del canal y pueden alterar el transporte. Las estructuras hidráulicas suelen ser hechas por el hombre y pueden incluir:

Estas normas dan una visión general de las principales consideraciones para cada tipo de estructura. No cubren el método de representación de cada tipo de estructura y los coeficientes de modelado asociados. Debe usar los manuales de su software para informar sus decisiones de modelado.

Las estructuras discutidas en esta guía son una lista no exhaustiva de las que se encuentran en los sistemas fluviales. Otras estructuras potenciales pueden incluir:

Para estas estructuras, debe seguir las instrucciones específicas del software.

Los puentes y las alcantarillas tienen una hidráulica de gobierno similar. Los puentes suelen tener una abertura más grande en comparación con su longitud aguas abajo que una alcantarilla. Para fines de modelado, una estructura a menudo se clasifica como un puente si la relación entre su longitud aguas abajo y la altura de su abertura es menor que 5.

El aflujo es importante en puentes y alcantarillas. El aflujo es definido por la FDG como 'el aumento máximo en la elevación de la superficie del agua por encima de lo que existiría si la estructura no estuviera allí'. Es más importante en condiciones de inundación cuando este aumento del nivel puede resultar en flujos fuera del banco. La Figura 7.22 en el FDG ilustra la afluencia. El aflujo es diferente a la pérdida de cabeza.

Un puente típicamente reduce el área disponible para fluir. Dado que el flujo (durante un tiempo dado) es una constante a través del puente, un área reducida significa que la velocidad a través de la estructura debe aumentar. Esto crearía una aceleración del flujo. Para impulsar esta aceleración, la superficie del agua aguas arriba del puente aumenta para proporcionar el gradiente de presión necesario. Esto da como resultado una curvatura aerodinámica a medida que el flujo se contrae en la estructura.

Debe representar características estructurales importantes que afectan la afluencia en su modelo. Estos incluyen:

Debe tener cuidado al especificar el ancho de la sección transversal de las unidades de puente. Esto puede influir en las pérdidas por contracción y expansión y no siempre es apropiado que coincida con el ancho de la sección transversal inmediatamente aguas arriba. Esto es especialmente importante si la sección aguas arriba se modela con secciones transversales extendidas.

Algunos programas de modelado le permiten especificar un cambio a una ecuación de flujo de orificio cuando los puentes se sobrecargan. Esto supone que toda la cabeza aguas arriba se convierte en energía cinética a través del puente. Esta es una buena suposición para estructuras sin desbordamiento o desvío en 1D, como una estructura con muros de cabecera altos. Cuando las estructuras se desvían o superan dentro del modelo 1D (por ejemplo, un pequeño puente peatonal), algunos de los cabezales aguas arriba alimentarán estos flujos de desvío. En estos escenarios, no se recomienda la opción del orificio.

Puede que no sea necesario representar todos los puentes dentro del alcance de un estudio. Dependerá de la escala del modelo y de los requisitos del proyecto. Por ejemplo, es poco probable que los pequeños puentes peatonales en áreas rurales influyan significativamente en la hidráulica y pueden ser arrastrados durante una gran inundación. Esto se debe a que a menudo se sobrepasan o se pasan por alto. Puede excluirlos del levantamiento topográfico y del modelo hidráulico, pero debe registrarlo en el informe de su modelo.

La hidráulica de alcantarillas es similar a la hidráulica de puentes. Puede clasificar el flujo a través de estos como entrada o salida controlada. El control de entrada es el flujo controlado por las características de apertura y los cambios aguas abajo de la entrada no afectan los niveles aguas arriba. Si el flujo está controlado por la salida, se rige por las características del canal aguas abajo o del barril de la alcantarilla.

Para las alcantarillas, también debe considerar:

Los vertederos son estructuras de contención dentro de un curso de agua sobre las que el agua puede fluir y aumentar los niveles de agua aguas arriba. Ellos pueden:

Los tipos comunes de presas en el Reino Unido incluyen:

Solo los vertederos crump tienen dimensiones definidas. Tienen un perfil triangular con una cara frontal inclinada 1:2 y una cara posterior 1:5. Obtenga más información sobre estas dimensiones en la guía de ayuda de Flood Modeller.

Hay muchos otros tipos de vertederos menos comunes que no siempre se representan en las unidades modelo predeterminadas.

En condiciones de flujo libre, los vertederos exhiben un flujo subcrítico aguas arriba de la estructura. Esto cambia a supercrítico sobre la estructura y vuelve a subcrítico aguas abajo. Esto significa que los cambios aguas abajo en el nivel del agua no alteran los niveles aguas arriba, por lo que puede calcular el flujo sobre el vertedero midiendo el nivel del agua aguas arriba. Lea más sobre esto en la versión técnica de estos estándares.

Si hay un flujo alto, o niveles aguas abajo muy altos, la condición de flujo libre desaparece a medida que el agua sube y ya no se produce un flujo supercrítico. En estas situaciones, el vertedero se describe como ahogado y los niveles aguas arriba están influenciados por las condiciones aguas abajo.

Es importante elegir la unidad de modelo correcta para el tipo de vertedero que está modelando, pero es posible que el software lo limite. Deberá investigar las ecuaciones para la condición de flujo libre y replicar las unidades del modelo relevantes. Debe representar eludir las rutas de flujo en su modelo.

Puede haber compuertas en varias estructuras en los canales de los ríos, como edificios de molinos, defensas contra inundaciones, pasos de peces o canales de derivación. Los diferentes tipos de puerta incluyen:

Lea la FDG para obtener más información sobre los tipos de puertas.

Los sistemas hidráulicos por encima y por debajo de una compuerta son similares a los vertederos y las alcantarillas. Para modelar puertas, necesitarás:

También necesitará reglas lógicas si las puertas están automatizadas. Si usa reglas lógicas, el modelo puede exhibir un comportamiento oscilante y no reflejar los movimientos reales de la compuerta. Este es un cambio rápido en la posición de la compuerta, causado por las reglas lógicas.

Por ejemplo, a medida que aumenta el nivel del agua, una compuerta puede bajar. A medida que baja, los niveles del agua bajan y hay un aumento inmediato en los niveles aguas arriba. Esto puede ser un proceso circular y conduce a oscilaciones rápidas. Para evitarlo, puede usar una 'zona muerta' en las reglas lógicas donde no ocurre ningún movimiento para un cambio específico en los niveles.

También puede definir la regla lógica basada en un nodo modelo ligeramente retirado de la compuerta.

Las estaciones de bombeo controlan el movimiento del agua en muchos sistemas de tierras bajas y ríos con extracciones o transferencias de agua.

Cómo representar una estación de bombeo depende del software de modelado que elija. Antes de comenzar, debe considerar lo siguiente:

Las reglas operativas pueden causar oscilaciones rápidas cuando las bombas se encienden y apagan. Esto es similar a lo que ocurre con las compuertas.

Los embalses a menudo están presentes en los cursos de agua que tienen fines de suministro de agua, generación de energía o defensa contra inundaciones. El nivel del agua en un embalse está controlado por estructuras de salida y, por lo tanto, debe representarlas correctamente.

Dependiendo del tipo de estructuras de salida, puede representarlas como:

Al modelar embalses, debe verificar el nivel de agua inicial dentro del modelo. Si se establece por debajo del nivel de la salida, el depósito puede almacenar parte del hidrograma entrante antes de que se descargue. Si el nivel del agua se establece en el nivel de salida, se supondrá que el depósito está lleno al comienzo de la ejecución del modelo. Debe documentar estas consideraciones en la declaración del método de modelado hidráulico.

Puede representar las dimensiones del almacenamiento con unidades de almacenamiento o secciones transversales, a veces en función de los datos batimétricos. Las dimensiones del almacenamiento por debajo del nivel de salida del depósito no siempre son importantes. Si este almacenamiento ya se usa al comienzo de la simulación del modelo, las dimensiones debajo de la superficie del agua no influirán en el hidrograma de inundación. Esto se debe a que el nivel y las dimensiones del emisario lo controlarán.

Es posible que necesite modelos hidráulicos para el trabajo de seguridad del embalse, como se describe en la Ley de Embalses de 1975 y la Ley de Gestión de Aguas e Inundaciones de 2010. Deberá modelar el embalse y sus desagües y vertederos para representar una variedad de eventos de inundación, incluida la probable inundación máxima (PMF). El análisis hidrológico para el análisis de embalses se lleva a cabo comúnmente utilizando la metodología de informes de estudios de inundaciones.

En la mayoría de los programas 1D, debe incluir una unidad para permitir el desbordamiento de la estructura. Si no lo representa, el software asume que la única ruta de flujo disponible es a través de las aberturas de la estructura. Esto puede aumentar significativamente el efecto de la estructura sobre las inundaciones.

Los niveles de cubierta de puentes o alcantarillas generalmente se incluyen en el levantamiento topográfico y debe incorporarlos como un vertedero de desbordamiento o unidad de derrame utilizando un coeficiente apropiado. El ancho del derrame no debe extenderse más allá del ancho de la sección del canal adyacente para evitar el cómputo doble si representa las rutas de flujo de la llanura aluvial en 2D. También puede representar cubiertas en 2D si tienen una longitud descendente suficiente (si usa TUFLOW, esto suele ser cierto si la longitud de la cubierta supera los 3 o 4 anchos de celda).

Donde las alcantarillas transmiten flujo debajo de grandes terraplenes, debe representar la cresta del terraplén como el control del flujo de desbordamiento. Si el terraplén se retira de la entrada de la alcantarilla, es posible que no se incluya en el levantamiento topográfico. En este caso, debe usar los datos de elevación de LiDAR para informar los niveles de la cresta.

Una red de tuberías es una red de estructuras para aguas superficiales, alcantarillado o desagües combinados. Suelen estar en zonas urbanas. Puede incluirlos en su modelo hidráulico como parte de un modelo combinado fluvial y de alcantarillado, si la red:

Para modelar redes de tuberías necesitará:

Estos datos generalmente estarán disponibles en los registros o modelos de drenaje existentes. La Guía de diseño urbano de la Chartered Institution of Water and Environmental Management (CIWEM) (2017) (UDG) establece que debe obtener más datos de estudios de tuberías si falta información en los conjuntos de datos existentes.

Debe realizar estudios de pozos siguiendo el Documento de contrato modelo para estudios de ubicación de pozos y producción de mapas de registro (1993). La recopilación de estos datos puede ayudarlo a comprender la calidad y el estado de los activos.

También puede ayudar a mejorar los detalles en el modelo hidráulico. Debe incluir los siguientes resultados en su inspección de bocas de acceso:

Es posible que también necesite datos topográficos para modelar redes de drenaje urbano. Si lo hace, debe incluir:

Lea la UDG para obtener más información.

Cuando tenga los datos, el UDG establece el requisito de convenciones de nomenclatura estandarizadas para las redes de tuberías. La convención debe ser sólida para que el modelo y sus componentes puedan identificarse con precisión.

Es probable que el modelo se construya directamente a partir de conjuntos de datos de sistemas de información geográfica (SIG) de la red de drenaje o de modelos existentes. Debe comprobar cuidadosamente la representación de red de un modelo existente antes de utilizarlo como fuente de datos. Debe comprobar la conectividad de todos los alcances modelados.

Todas las cuencas contribuyentes deben conectarse a un nodo y luego a una estructura de desagüe. El UDG describe cómo los datos de la red pueden estar incompletos con longitudes y tamaños de tubería faltantes. Si tiene datos incompletos, debe:

Un backfall es un paso entre los niveles de inversión de tuberías entrantes y salientes en un nodo. Estos son comunes en cuencas empinadas o donde una rama menor de la red se une a una alcantarilla troncal.

La construcción típica de alcantarillado tiene tuberías de entrada y salida al mismo nivel para evitar turbulencias y facilitar el mantenimiento. Ejecute una verificación de sensibilidad si existen retrocesos. Puede identificar los retrocesos con una simple consulta del nivel de inversión aguas abajo de la tubería entrante frente al nivel de inversión aguas arriba de la tubería saliente.

Por lo general, solo se modelarán las alcantarillas públicas, aunque esto se puede ampliar para incluir el drenaje de la carretera conectada. En la mayoría de los casos, las conexiones domiciliarias no estarán incluidas. La nota de usuario 15 de UDG describe cómo se puede agregar una compensación de almacenamiento a las bocas de acceso para tener en cuenta los volúmenes de almacenamiento de las tuberías sin modelar.

Las redes de tuberías sucias y combinadas suelen tener varias estructuras. Este controla los caudales o vertidos contra gravedad a las obras de tratamiento. Las redes de tuberías de agua superficial suelen ser pequeñas, con un sistema hidráulico más simple y menos estructuras que los sistemas combinados. Esta guía sigue siendo relevante y las válvulas de mariposa pueden ser particularmente importantes. Algunas de las estructuras típicas se detallan aquí.

El flujo se desvía de una sola tubería a una o más tuberías. Deberá conocer el nivel de inversión y el tamaño de la estructura de desbordamiento (vertedero u orificio).

La guía sobre el modelado de vertederos se incluye en la nota de usuario 27 de UDG y los orificios se incluyen en la nota de usuario 02 de UDG.

El flujo se bombea bajo presión y contra la gravedad. Necesitará conocer la tasa de bombeo, los niveles de encendido y los niveles de apagado.

En el UDG se incluye una guía sobre el modelado de estaciones de bombeo y sus tuberías ascendentes.

Las aperturas pueden variar según reglas automáticas u operativas. Necesitará saber el nivel de la cumbrera, la altura de la abertura y el ancho de la abertura.

El flujo se mantiene temporalmente en la red. Necesitará saber el volumen de almacenamiento y los niveles de inversión.

Los auxiliares en WWTW son muy complejos. A menudo, un modelo de tubería terminará en la entrada a la obra. Esto se representa comúnmente como un vertedero y un emisario.

Una llanura aluvial es un área de tierra adyacente a los canales de los ríos que se extiende desde la parte superior del banco hasta la base de los lados del valle. Las llanuras aluviales se inundan cuando hay caudales elevados.

Una vez que los niveles del agua superan la altura de las orillas de los canales, las estructuras de sobrecarga o las redes de tuberías, el agua puede derramarse en las llanuras aluviales.

Si está utilizando modelos 1D, la resolución de llanuras aluviales puede:

En esta guía se proporciona información más detallada sobre las opciones de modelado 1D.

Si está utilizando modelos 2D, la resolución está determinada por la resolución de cuadrícula o malla.

Un estudio realizado por el Consorcio de Investigación de Gestión de Riesgos de Inundaciones (FRMRC) en 2008 investigó el impacto de la resolución de cuadrícula fija 2D en las predicciones de inundaciones. Se basó en un estudio de caso en Londres utilizando el software TUFLOW con resoluciones de cuadrícula de 2 metros, 10 my 50 m.

El estudio encontró que los niveles máximos pronosticados eran comparables en cada resolución probada, y el tiempo de inundación era comparable para los modelos de 2 my 10 m.

Al usar una cuadrícula de 50 m, se modificó el tiempo de inundación. Pero esta incertidumbre se consideró menor que la incertidumbre en los límites de entrada de los modelos. Los resultados de velocidad mostraron diferencias significativamente mayores entre resoluciones.

El estudio se describió en los Estándares para modelado y pronóstico de inundaciones en grandes estuarios (2015) (SMFFLE) y proporcionó puntajes de calidad para diferentes resoluciones de cuadrícula.

Los puntajes de calidad pueden ayudarlo a brindarle orientación si está modelando áreas con alto riesgo de inundación en áreas urbanas.

Sin embargo, el FRMRC concluyó que se debe tener cuidado ya que los resultados del estudio no se pueden generalizar. Esto se debe a que los resultados variarán dependiendo de:

De acuerdo con SEPA (2016), una regla general bien establecida que puede usar es que una ruta de flujo principal solo puede representarse bien con al menos 3 o 4 celdas de cuadrícula. Debe tener en cuenta las rutas de flujo probables y su tamaño al determinar la resolución del modelo.

Un estudio del Australian Rainfall Runoff Project 15 (ARRP) llegó a conclusiones similares al estudio FRMRC. Encontró que:

El Código de prácticas de UDG 2017 también incluye requisitos típicos para los tamaños de los elementos cuando se utiliza un enfoque de malla flexible para modelar dominios 2D.

El UDG presenta valores para el nivel de detalle necesario para que un modelo se defina como:

La resolución de los dominios 2D dentro de su modelo debe ser un equilibrio entre el nivel de detalle necesario y el tiempo de ejecución del modelo y el tamaño de salida.

Por ejemplo, los modelos grandes pueden estar limitados a una resolución de cuadrícula más grande. Esto puede ser apropiado para propósitos de mapeo de inundaciones. Sin embargo, si su proyecto necesita resultados más detallados, es posible que deba recortar el modelo y usar una resolución más fina.

Debe resumir estas decisiones en la declaración del método de modelado hidráulico. Es posible que el cliente deba especificar más pruebas de sensibilidad en los alcances del proyecto en la etapa de definición del alcance del proyecto si cree que se necesitarán resoluciones más gruesas.

En la mayoría de los casos, la geometría de su llanura aluvial se basará en datos de detección remota, como LiDAR.

El uso de datos de detección remota es una necesidad para la mayoría de los modelos. Esto se debe a la naturaleza extensa de la llanura aluvial que hace que la recopilación de levantamientos topográficos en toda el área sea poco práctica.

Las opciones más utilizadas para los datos de detección remota:

Otras opciones pueden estar disponibles comercialmente, incluidas las encuestas de vehículos no tripulados y la fotogrametría.

Los datos de detección remota suelen estar disponibles en una variedad de resoluciones y en formato filtrado y sin filtrar.

Los datos de detección remota filtrados normalmente se denominan modelo digital del terreno (DTM). Los DTM dan los niveles del suelo. Los conjuntos de datos sin filtrar, los modelos digitales de superficie (DSM), incluyen elevaciones de otras características, como techos de edificios y vegetación.

Debe usar datos filtrados en casi todas las circunstancias para dominios de modelos 2D.

La resolución que elija dependerá del nivel de complejidad de la llanura aluvial y la escala del modelo. Por ejemplo, existe un beneficio limitado al usar un modelo básico con una resolución más fina que el modelo definitivo.

También habría un beneficio limitado de un modelo terrestre de resolución fina para una llanura aluvial esencialmente plana y sin rasgos distintivos.

Es posible que deba agregar detalles en un modelo terrestre de resolución más gruesa si hay características importantes más estrechas que la resolución. Esto se cubre con más detalle en la sección de opciones de modelado 2D de esta guía.

Puede haber escenarios en los que tenga que recopilar levantamientos topográficos localizados. Por ejemplo, si necesita incluir crestas de defensa y niveles de terraplén o rutas de desvío de estaciones de aforo topográfico.

Si es necesario, debe solicitar el LIT18749: especificaciones técnicas estándar nacional para servicios de topografía.

El conjunto de datos AIMS de la Agencia de Medio Ambiente incluye detalles sobre las ubicaciones de defensa contra inundaciones y los niveles de cresta. Sin embargo, estos no son tan precisos ni detallados como los levantamientos a nivel de cresta. También puede ser apropiado usar niveles de cresta de los planos de construcción conforme a obra.

Existen varios métodos para representar llanuras aluviales dentro de modelos hidráulicos.

Puede modelar llanuras aluviales en 1D usando:

Por lo general, tendrá que digitalizar la geometría de la llanura aluvial utilizando datos GIS. Para los modelos 1D, estos archivos no son necesarios para fines de simulación, por lo que puede eliminarlos de la entrega final del modelo. Sin embargo, aún debe mantener todos los archivos utilizados para generar dimensiones de llanuras aluviales 1D junto con su modelo.

Es fundamental que se asegure de que su modelo se extienda lo suficiente como para incluir todas las rutas de flujo de la llanura aluvial. Si el agua linda con el borde del dominio de su modelo (sin una condición de contorno que lo acompañe), no puede alcanzar su verdadera extensión. Esto se denomina "pared de vidrio" y debe evitarlo en su modelo.

Debe usar la extensión de las secciones transversales dentro del canal cuando:

Las suposiciones del modelo 1D significan que el nivel del agua será constante en toda la sección transversal para ese paso de tiempo. Si la llanura aluvial está desconectada del canal y se esperan diferentes niveles de agua, no debe usar secciones extendidas.

Las extensiones deben cubrir el área completa que se espera que se inunde. Es posible que deba realizar ajustes después de haber realizado las simulaciones de modelado iniciales.

Puede especificar diferentes rugosidades hidráulicas a lo largo de la sección transversal cuando utiliza secciones transversales extendidas. También puede dividir la sección en diferentes áreas de transporte.

Las extensiones deben representar la llanura aluvial perpendicular a la dirección del flujo. Si tiene meandros, esto puede resultar en un perfil torcido.

Si está utilizando HEC-RAS, podrá especificar diferentes longitudes de alcance para las partes de la llanura aluvial.

Si está utilizando Flood Modeller, la longitud de la ruta relativa se puede cambiar. También puede usar los valores 'n' de Manning cero para las secciones extendidas que permiten el almacenamiento, pero evitan el transporte activo.

Puede usar áreas de almacenamiento o unidades de depósito si el agua en una llanura aluvial no puede transportarse activamente y se almacena en la llanura aluvial.

Las áreas de almacenamiento son curvas de área, volumen o elevación, que se llenan desde el punto más bajo hacia arriba. Se pueden utilizar para representar:

La curva que use debe cubrir el área completa que se espera que se inunde. Es posible que deba realizar ajustes después de haber realizado las simulaciones iniciales del modelo.

Debe vincular la curva al canal principal a través de unidades de derrame lateral, lo que permitirá la transferencia de flujo entre canales. Por lo general, necesitará una estructura 1D para permitir que el agua drene del área una vez que los niveles en el canal disminuyan lo suficiente. Las dimensiones del derrame deben incluir todas las áreas donde el agua puede desbordarse.

Si hay un extenso sistema de tierras de lavado, puede usar múltiples áreas de almacenamiento. Estos deben estar vinculados entre sí por unidades de derrame.

Puede usar un canal paralelo cuando el flujo de la llanura aluvial fluye dentro de una sección transversal definida. Por ejemplo, en un canal de drenaje o de derivación adyacente al canal principal.

Puede vincularlo al canal principal a través de unidades de derrame lateral para permitir la transferencia de flujo entre canales. Si el canal de la llanura aluvial está seco antes del desbordamiento, es posible que deba incluir un flujo de edulcorante para permitir que el modelo funcione de manera estable. Un flujo de edulcorante es un pequeño flujo artificial que se aplica a un canal modelado. Esto ayuda a evitar que se seque y evita que el modelo se bloquee. Esto dependerá del software que estés usando.

Es posible que deba incluir más extensiones de sección transversal o áreas de almacenamiento más allá de la extensión lateral del canal paralelo. Las extensiones deben cubrir el área completa que se espera que se inunde. Es posible que deba realizar ajustes después de haber realizado las simulaciones iniciales del modelo.

Es posible que deba representar la omisión en un modelo 1D. Por ejemplo, donde un vertedero es desviado por una gran ruta de flujo de llanura aluvial durante flujos extremos. En este caso, se puede usar una unidad de derrame para representar la llanura aluvial de la misma manera que las secciones extendidas.

Dependiendo de la complejidad de la llanura aluvial, las estructuras pueden ser evitadas por canales y llanuras aluviales que necesitarán una esquematización cuidadosa.

Ver más sobre desbordamiento de estructuras hidráulicas.

Los modelos 2D permiten enrutar el agua sobre un modelo terrestre y, por lo general, se informan mediante datos LiDAR. A diferencia de los modelos 1D, no tiene que predeterminar las rutas de flujo cuando usa modelos 2D.

Ofrecen una resolución espacial significativamente mayor, resolviendo ecuaciones en una cuadrícula o malla 2D en toda el área modelada.

Sin embargo, los dominios 2D no se deben utilizar de forma predeterminada debido al mayor tiempo de ejecución del modelo.

Al desarrollar un modelo 2D, es importante tener en cuenta:

Puede ser apropiado usar una resolución más gruesa si puede agregar lo siguiente con enmiendas de geometría manuales:

Cuando utilice un modelo de cuadrícula fija, debe alinearlo con la dirección de flujo predominante.

Es probable que las llanuras aluviales 2D incluyan áreas de agua estancada, incluidos estanques o lagos.

Las elevaciones del terreno detectadas de forma remota representarán el nivel del agua en el momento de la recopilación de datos. Esto se puede leer directamente en el modelo. Sin embargo, esto será tratado como un área de tierra firme.

Si la masa de agua es grande y podría influir en las rutas de los flujos de inundación, puede representarla utilizando los niveles de agua iniciales. Si lo hace, debe bajar manualmente los niveles del suelo y especificar la profundidad o el nivel del agua por encima. Esto proporcionará una representación más realista de la hidráulica en los estanques o lagos que el uso de datos DTM solos.

Las llanuras aluviales pueden incluir características de agua más complejas, como un sistema de canales o redes de drenaje de la Junta de Drenaje Interno (IDB).

Puede representar estas características como canales 1D vinculados a 2D si:

En muchos casos, es posible que pueda representar entidades complejas en 2D. Si elige hacer esto, su informe debe reconocer cualquier limitación del enfoque.

Según el software que utilice, es posible que pueda utilizar modelos vinculados 2D2D. Aquí es donde un dominio 2D de una resolución u orientación se vincula a otro con una resolución u orientación diferente.

Este puede ser un enfoque útil cuando un área pequeña de un modelo 2D grande necesita resultados con más detalles. También puede utilizar este enfoque junto con el modelado 1D2D.

Si utiliza InfoWorks-ICM, no podrá utilizar dominios de modelos 2D vinculados. Esto se debe a que el software utiliza un modelo 2D de malla flexible. Sin embargo, se pueden anidar mallas de varios tamaños una dentro de otra para permitir más detalles si lo necesita.

En la mayoría de los casos, el enfoque del modelo 1D es el más adecuado para representar canales y se prefiere un enfoque 2D para las llanuras aluviales.

Según el software de modelado que utilice, utilizará diferentes metodologías para conectar canales 1D y llanuras aluviales 2D. Sin embargo, el principio general es la conversión de niveles de agua 1D a flujos 2D en el límite entre dominios. Los enfoques típicos adoptados se ilustran en las figuras 8-2 y 8-3 del manual TUFLOW.

Independientemente del software que utilice, hay algunos principios de modelado 1D2D importantes que debe seguir.

Debe colocar límites 1D2D donde la suposición de flujo paralelo a la orientación del canal ya no es válida. Por ejemplo, el agua que se derrama sobre la llanura aluvial. Por lo general, estos se ubicarán en la parte superior de los bancos o en las cubiertas de las carreteras de alcantarillas a medida que el agua se derrame sobre la estructura.

Es importante colocar estos límites correctamente. Si están en el lado del canal de la parte superior del banco, habrá un área estrecha de flujo 2D que puede provocar inestabilidades. Si coloca el límite demasiado adentro de la llanura aluvial, es posible que no represente el nivel de la cresta del banco en el modelo.

Debe eliminar el ancho de los dominios del modelo 1D (en cualquier punto dado) del dominio 2D. Si no lo hace, su modelo sobreestimará o subestimará el área disponible para fluir. Si bien los anchos 1D2D deben coincidir entre sí, no hay ningún beneficio en obtener una coincidencia más pequeña que el tamaño de la cuadrícula o la malla.

Todos los nodos del modelo de canal deben estar conectados a límites 1D2D, incluidas las interpolaciones.

Si el límite está asociado con una celda relativamente gruesa o un tamaño de malla, es posible que el nivel de la cresta de control no esté bien representado. También puede ser necesario agregar modificaciones de geometría.

Si el límite está en la cima de una defensa contra inundaciones, debe usar la modificación de geometría. Siempre que sea posible, utilice la información de los datos topográficos para informar las elevaciones en el modelo.

En algunos modelos, tendrá que decidir si confía en datos de encuestas confiables, pero geográficamente dispersos, de los niveles de los bancos. Esto se compara con los datos LiDAR, que son más extensos geográficamente, pero menos precisos.

Puede encontrar orientación para vincular modelos de red de tuberías con una llanura aluvial 2D en la nota de usuario 40 de UDG.

Puede vincular bocas de inspección 1D con una superficie 2D mediante:

En algunos modelos, es posible que necesite usar unidades 1D para modelar estructuras de llanuras aluviales integradas en el dominio 2D. Esto es probable donde grandes terraplenes cruzan la llanura aluvial, con pequeñas alcantarillas de drenaje ubicadas debajo. Puede vincular estas estructuras 1D tanto aguas arriba como aguas abajo a un dominio 2D.

Debe tener en cuenta los siguientes puntos al representar estructuras de llanuras aluviales:

La figura muestra el esquema de un modelo 1D2D del río Bure en Aylsham, Norfolk. El tramo de este modelo incluye un modelo 1D del canal principal, con numerosas estructuras hidráulicas dentro del canal. Esto está vinculado a través de derrames 1D en la margen izquierda a un canal paralelo y un dominio 2D en la margen derecha. Esto demuestra la amplia gama de enfoques que pueden ser necesarios.

Ejemplo de múltiples enfoques de modelado en el río Bure, Norfolk.

Las condiciones iniciales son las condiciones iniciales que su modelo necesita para una simulación inestable. Son estimaciones de las condiciones de la red de canales o tuberías que generalmente se necesitan para comenzar su simulación.

Las condiciones iniciales pueden incluir (entre otras variables):

En la mayoría de los casos, deberían representar la condición normal del canal. Dependiendo de su software de modelado, es posible que deba incluir una estimación del canal, la red de tuberías o las condiciones estructurales iniciales. Deberá incluirlos antes de ejecutar la simulación.

Utiliza otro software de modelado que no necesita condiciones especificadas para ejecutarse. Puede estimar las condiciones iniciales en un alcance de modelo corto, posiblemente utilizando la teoría hidráulica.

También puede generarlos realizando una simulación de modelo constante a caudales bajos y utilizando los resultados. Como las condiciones iniciales están definidas por las condiciones de contorno, es posible que deba incluir modificaciones manuales en algunos casos. Por ejemplo, si hay un embalse inicial conocido o niveles de agua de marea.

Si usa un nivel predefinido, esto generará inestabilidades en su modelo (por ejemplo, forzando un nivel de marea alta en el momento 0). Puede ser beneficioso ejecutar su modelo durante un período de calentamiento. Esto permitirá que las condiciones límite aumenten lentamente hasta las condiciones deseadas antes de la llegada de una ola de inundación.

Puede almacenar las condiciones iniciales dentro del archivo del modelo o en un archivo separado leído en los controles de simulación. Si usa un archivo separado, debe proporcionarlo junto con el modelo.

Debe comprobar que las condiciones iniciales son razonables. Si las condiciones iniciales se crearon durante el desarrollo del modelo cuando había inestabilidad, pueden fluctuar a lo largo del tramo. Esto podría conducir a inestabilidades continuas o influir en los resultados máximos. Por ejemplo, si el nivel de agua de la condición inicial es mayor que el nivel de condición de flujo máximo.

La rugosidad hidráulica es la medida de la resistencia que experimenta el agua cuando pasa a través de canales y sobre llanuras aluviales. En el modelado hidráulico, los coeficientes de rugosidad representan esta resistencia al flujo.

La 'n' de Manning es el coeficiente de rugosidad que se suele utilizar en el Reino Unido. Estimar un coeficiente de rugosidad utilizando la 'n' de Manning o un equivalente es la principal dificultad en los cálculos hidráulicos según la FDG.

Los factores que pueden afectar la rugosidad hidráulica incluyen:

Debe considerar las condiciones probables del canal que se esperan durante un evento de inundación. Las condiciones pueden variar entre cuencas y deben acordarse en la declaración del método de modelado.

Si el flujo permanece dentro del canal, los factores que afectan la rugosidad hidráulica pueden incluir:

El enfoque típico que debe utilizar para calcular la rugosidad hidráulica en modelos 1D fue definido por Cowan (1956).

Para estimar la 'n' de Manning, se asignaron valores a cada factor que puede afectar la rugosidad hidráulica:

Luego usaron la siguiente ecuación: 'n' de Manning = (nb+n1+n2+n3+n4) multiplicado por m

Estimar la 'n' de Manning es un proceso subjetivo. Para ayudarlo, varias fuentes (Chow 1959, USGS, 1984 y Hicks y Mason, 2016) brindan fotografías de tipos de canales para un valor 'n' de Manning dado. Estos pueden ayudar a proporcionar una coherencia de enfoque a través de diferentes modelos. Referirse a:

Tanto el FDG como el HEC-RAS proporcionan valores orientativos para los valores 'n' típicos de Manning. Ambos oscilan entre un valor mínimo de 0,025 y un valor máximo de 0,0150.

La utilidad de verificación de estado de Flood Modeller también proporciona valores de orientación. Sin embargo, esto devolverá un error si los valores 'n' de Manning están por debajo de 0,018 o por encima de 0,100. Devolverá una advertencia si los valores son inferiores a 0,030 y superiores a 0,060.

Los rangos pueden diferir entre diferentes modelos y modeladores. Si no tiene datos de calibración muy detallados, no es posible determinar un valor exacto. Por lo tanto, los rangos apropiados se utilizan a menudo durante los procesos de revisión de modelos.

El FDG proporciona una tabla de valores típicos de 'n' de Manning. Esto varía de 0,025 (canal limpio y recto) a 0,150 (mucha vegetación) para canales y de 0,025 (hierba corta) a 0,200 (árboles densos) para llanuras aluviales.

Los valores típicos proporcionados por el manual HEC-RAS difieren en algunos lugares en comparación con la FDG.

Colebrook-White es el coeficiente de rugosidad hidráulica más común para el modelado de redes de tuberías. Sin embargo, también puede aplicar la 'n' de Manning, que es más relevante para tuberías de gran diámetro.

Alcantarillas para adopción 8 establece que la rugosidad del diseño para aguas superficiales y desagües laterales debe ser de 0,6 mm y para alcantarillas contaminadas debe ser de 1,5 mm. Cuando no se disponga de información detallada, puede proporcionar estos valores. Deben actualizarse para reflejar las condiciones de la tubería cuando la información esté disponible. La rugosidad suele oscilar entre 0,3 mm para acero y 45 mm para tuberías de mampostería.

No es necesario proporcionar niveles excesivos de detalle al calcular la rugosidad hidráulica de las redes de tuberías. Por ejemplo, calcular valores con 3 decimales en ubicaciones sin datos de calibración.

Debido a la incertidumbre significativa en la estimación de la rugosidad en tramos no calibrados, sus estimaciones deben ser proporcionales. Evitar valores muy precisos sin justificación suficiente. Además, los valores de rugosidad que cambian rápidamente pueden generar una ilusión de precisión.

Sus áreas de rugosidad 2D deben variar según el uso del suelo. Esto suele estar informado por los conjuntos de datos de OS MasterMap.

LIT11327: el modelado computacional para evaluar el riesgo costero y de inundación señala que faltan fuentes de referencia para los coeficientes de rugosidad 2D que varían espacialmente, aunque algunos manuales de software hacen recomendaciones.

Se sugiere que ejecute todos los modelos 2D para un 'caso de referencia' con un valor de 0.100 para todo el modelo aplicado. Debe comparar los resultados con los valores 'n' de Manning que varían espacialmente y que se utilizan en las ejecuciones de su diseño.

Los alcances de los proyectos rara vez especifican este requisito. Por lo general, evalúan la incertidumbre mediante pruebas de sensibilidad. Los gerentes de proyecto deberían considerar agregar esto a los alcances del proyecto. Si su software permite la aplicación de valores de rugosidad que varían en profundidad, se recomienda una mayor rugosidad para flujos poco profundos. Esto es relevante para el modelado de lluvia directa.

Sus valores de rugosidad en los modelos 2D generalmente deberían aumentar con el tamaño de la cuadrícula del modelo. Por esa razón, no es apropiado proporcionar rangos típicos aquí, ya que estos variarán dependiendo de sus otras decisiones de modelado.

En 2008, el FMRC investigó el efecto del uso de la rugosidad hidráulica a escala inferior a la cuadrícula (en modelos de cuadrícula gruesa) en las predicciones de inundaciones. También se hizo referencia en SMFFLE.

La investigación utilizó un estudio de caso en una llanura aluvial de Londres densamente urbanizada, los modelos 2D TUFLOW se simularon utilizando cuadrículas numéricas de 2 m, 10 m y 50 m. Los valores 'n' de Manning se asignaron en los centros de las celdas en:

El estudio calculó indicadores generales de discrepancia basados en los tiempos de llegada en toda la llanura aluvial. Se compararon con los resultados de los modelos de 10 m y 50 m con los resultados del modelo de referencia de 2 m. Se determinó una forma optimizada para f(p) (nota: no se proporciona en la documentación adjunta). Se descubrió que la técnica de parametrización propuesta mejoraba los resultados en comparación con un método más simple en el que la rugosidad se asignaba en función del tipo de cobertura terrestre en los centros de las celdas. La mejora fue típicamente de un orden de magnitud para el modelo de 10 m. Para el modelo de 50 m se observó una mejora sustancial, aunque menos consistente que para el modelo de 10 m.

Debe considerar si los coeficientes de vertedero predeterminados en el software de modelado para estructuras 1D son apropiados. Los valores predeterminados pueden ser adecuados para vertederos formales, pero pueden necesitar ajustes para estructuras menos eficientes, como vertederos de roca.

Los valores predeterminados del software suelen suponer que la unidad representa una estructura en el canal. También necesitará unidades de derrame y vertedero en modelos 1D para modelar el flujo:

Es probable que estos representen rutas de flujo menos eficientes que las estructuras dentro del canal. Hay literatura hidráulica limitada sobre la elección de coeficientes para estas estructuras. Esto significa que depende de la experiencia del modelador con los ajustes realizados para alinearse con los datos de calibración o la evidencia anecdótica.

Flood Modeller e InfoWorks-ICM históricamente utilizaron un valor de derrame predeterminado de 1,7. El manual de Flood Modeller describe esto como adecuado para un vertedero de cresta horizontal de punta redonda.

Flood Modeller ha cambiado recientemente el valor de derrame predeterminado a 1.2. Esto es para reconocer el uso de la unidad de derrame para muchas estructuras que se parecen poco a un vertedero de punta redonda.

Cuando el vertedero o el derrame son menos eficientes, el manual del Modelador de inundaciones establece que el valor del coeficiente de vertedero (Cd) debe reducirse.

También afirma:

No se dispone de orientación precisa sobre la selección de valores de Cd para terraplenes de césped mantenidos, aunque las buenas prácticas actuales sugieren valores en el rango de 0,8 a 1,2.

si el derrame se está utilizando para modelar el flujo sobre un suelo natural muy cubierto, por ejemplo, que es menos eficiente que un banco de inundación, entonces se pueden aplicar valores más bajos

En este escenario, debe modificar los valores predeterminados del software y justificar los valores adoptados. Deben calibrarse siempre que sea posible. También se le puede solicitar que realice pruebas de sensibilidad a estos coeficientes.

Los límites aguas abajo son componentes de modelado que permiten que el agua abandone los dominios del modelo 1D y 2D.

Para representar los límites aguas abajo dentro de los modelos hidráulicos en el software de modelado, puede usar:

El límite aguas abajo que elija dependerá de los datos que tenga, la ubicación del límite y las características locales.

Si está utilizando datos inciertos, su límite debe estar a una distancia suficiente de su área o áreas de interés. Esto ayudará a negar el impacto de cualquier suposición que haga.

El límite del hidrograma de etapa a veces se denomina límite de nivel-tiempo o altura versus tiempo (HT). Es un hidrograma por etapas de los niveles de agua en función del tiempo.

Puede usarlo donde el curso de agua desemboca en un entorno de remanso, como por ejemplo:

Puede usar un límite de hidrografía de etapa para representar los niveles de medición registrados si lo usa para un evento de inundación observado.

Si es una marea, tendrá que decidir si el flujo máximo de salida del modelo debe coincidir con la marea alta. Esto es parte de un problema de probabilidad conjunta y lo que proponga se debe describir en la declaración del método de modelado hidráulico.

El límite del hidrograma de flujo a veces se denomina límite de tiempo de flujo o límite QT. Es un hidrograma de flujo versus tiempo. Puede usarlo si los datos de calibre registrados están disponibles y el modelo está calibrado para un evento de inundación específico. No se utiliza para modelar eventos de inundación de diseño.

El límite de profundidad normal es un tipo de límite que genera automáticamente una relación de nivel de flujo en función del lecho o la pendiente de la superficie del agua. La relación se calcula usando la ecuación 'n' de Manning. A menudo, esta es la única opción disponible si el alcance del modelo no termina en un indicador, confluencia o desembocadura de marea.

El límite de nivel de flujo a veces se denomina curva de calificación, límite QH o HQ. Este límite también usa una relación de nivel de flujo, pero a diferencia del límite de profundidad normal, este está definido por el usuario. La información para estos límites puede provenir de las curvas de calificación de la estación de medición o extraerse de modelos existentes.

Debe considerar cuidadosamente la ubicación del límite aguas abajo. Según la FDG, el límite debe estar lo suficientemente lejos del sitio de interés para que no afecte los resultados allí.

Es posible que pueda colocar el límite más cerca para evitar la necesidad de un levantamiento topográfico extenso si se desconecta hidráulicamente del sitio de interés. Por ejemplo, si está aguas abajo de un vertedero importante.

La colocación cuidadosa puede anular el impacto de la incertidumbre en el límite. Como verificación simple, la distancia entre el sitio de interés y el límite debe exceder la longitud del remanso (L). Puede estimar esto utilizando la siguiente fórmula: Longitud del remanso = 0,7 multiplicado por la profundidad dividido por la pendiente (m/m)

Si el límite está dentro de un dominio 2D, debe proporcionar un límite suficientemente largo para incluir todas las rutas de flujo que salen del modelo. Esto evitará la formación de paredes de vidrio.

Es posible que no tenga elección sobre dónde colocar un límite; por ejemplo, si el modelo descarga a través de una aleta de marea. Evalúe cualquier suposición que haga al modelar el límite aguas abajo mediante pruebas de sensibilidad.

Para solicitar una copia de un documento al que se hace referencia en esta guía o una copia de la versión completa en PDF de esta guía y la herramienta de evaluación del modelo fluvial basada en Microsoft Excel, envíe un correo electrónico a [email protected].

Debe citar el número de referencia del documento que necesita, por ejemplo, LIT11327.