Comparación de modelos hidráulicos bidimensionales (IBER y HEC RAS)

En los últimos años han ido surgiendo y mejorándolo dos programas de cálculos hidráulicos que ya son bien conocidos en el mercado dada su probada capacidad y el hecho de ser gratuitos. El primero es HEC RAS, un programa dirigido sobre todo a modelos hidráulicos unidimensionales pero que desde hace pocos años (con la salida su versión 5.0) ha incorporado su módulo de modelado bidimensional, el cual ha sido acogido con bastante éxito.

IBER por su parte comenzó ya como programa de modelado hidráulico bidimensional, incorporando herramientas y mejorando su interfaz y capacidad hasta la actualidad.

Desde la salida de la versión 2D de HEC RAS, ambos programas han competido en el campo de los modelos hidráulicos bidimensionales, sin que haya análisis a fondo de comparación entre ambos programas.

En esta entrada voy a probar ambos modelos para el caso de una supuesta rotura de presa de forma que se pueda estudiar la respuesta de ambos programas ante los datos de partida introducidos.

Los datos de la presa no son presentados en el siguiente estudio, pero cabe señalar que tanto el volumen de embalse, el modelo de terreno, la cota del agua en el embalse en el momento de la rotura así como la cota de coronación del embalse son las mismas en ambos modelos.

Modelo digital del terreno utilizado

Cabe destacar que el estudio realizado en la presente entrada no representa más que un caso específico acompañado de una opinión sobre ambos programas. Los datos de entrada pueden variar ligeramente entre ambos programas ya que la forma de introducirlos y los procedimientos de cálculo de ciertas variables difieren entre ambos.

MODELO DE ROTURA EN IBER

Se han realizado dos modelos de rotura de presa con IBER, con la misma geometría pero diferente tamaño de malla, de forma que se pueda ver si el hidrograma de salida es sensible al tamaño de malla.

El modelo del terreno se ha dividido en varias zonas en cada modelo, de forma que tanto la cerrada como los cauces tengan mayor precisión que las laderas, así la precisión del modelo puede aumentar notablemente sin ralentizar la simulación. La malla está compuesta por triángulos de lado máximo el mostrado en la tabla para cada polígono importado de la geometría.

El tiempo de rotura se ha definido por la guía técnica española para ambos modelos y se define como:

Siendo:

T: tiempo de rotura en horas
V: volumen del reservorio en hm3
h: altura de la presa en metros desde el cauce hasta coronación

Los hidrogramas de salida correspondientes a ambos métodos son:

Como se puede observar, aunque los hidrogramas no son exactamente iguales, son suficientemente parecidos como para creer que el mallado no afecta demasiado al hidrograma de salida.

Además, si obtenemos el volumen desalojado en los hidrogramas, nos da un volumen desalojado similar al del embalse, lo que es un buen resultado.

MODELO DE ROTURA EN HEC RAS

Se ha modelado la misma rotura de presa en HEC RAS 2D para comparar los resultados.

Utilizando el MDT que se había utilizado en el modelo IBER, así como el archivo shape de usos del terreno utilizado para IBER, se ha procedido a crear el HEC RAS 2D de la rotura de presa.

Como se puede ver hemos definido 2 áreas, la superior que corresponde al cauce por donde discurrirá el río y la inferior que corresponde al embalse. Para el cálculo necesitaremos que el área que corresponde al embalse se convierta en un Storage Area, lo que mejora el rendimiento del modelo (precisa de menos cálculos) y permite establecer la rotura de la presa.

A partir de ahí definimos el tipo de rotura de presa. Hay varios métodos, los cuales se explican en la guía de referencia “Using HEC RAS for Dam Break Studies” de HEC RAS 5.0.3

El propio programa tiene un interfaz para calcular los parámetros de rotura según las características de la presa, el cual se abre en la pestaña ”Parameter Calculator”.

También permite definir cómo se produce la rotura en la pestaña “Breach progression”, si de forma gradual o de golpe, definiendo el grado de rotura en el tiempo de rotura. A continuación se muestra la definición de rotura.

La malla está formada con celdas con un punto en el centro de las mismas. El programa trata, de manera automática, de equiespaciar los centros de las celdas. El programa también permite definir la precisión del modelo mediante el intervalo de computación, el cual nos permitirá evitar divergencias en los cálculos.

En HEC RAS se han realizado varios modelos con diferentes tipos de rotura y tamaños de malla.

Hemos utilizado el método de Von Thun y Gillete para el cálculo de los parámetros, ya que es el que nos da un tiempo de rotura más parecido al calculado por la guía técnica española. También podría haberse usado el criterio de Froileich de 2008. Se ha estimado el tiempo de rotura en 2 h.

A continuación se resumen los diferentes modelos:

Cabe destacar que la reducción en el paso de tiempo de 10 min a 1 min es necesaria cuando reducimos el tamaño de malla para mantener las condiciones de Courant de forma que las ecuaciones converjan (a menor tamaño de celda, menor el intervalo de cálculo, es decir, a mayor precisión espacial se necesita mayor precisión temporal).

La primera ventaja que se puede observar de HEC RAS es su capacidad para poner una ortofoto georreferenciada a la hora de visualizar el modelo sin necesidad de datos previos.

COMPARACIÓN DE RESULTADOS

Una vez superpuestos los hidrogramas de salida en HEC RAS para todos los modelos se obtienen los siguientes resultados:

Lo primero y más fácil de observar es que en los métodos 1 a 4 el hidrograma es muy diferente al obtenido en el IBER.

El método 1 consigue un caudal de punta parecido al del IBER, pero al igual que el resto de cálculos de HEC RAS, la disminución es mucho más gradual que en IBER.

Aún así, como se puede ver, un cambio en el mallado (y por tanto en el intervalo de cálculo) genera caudales de punta del orden del doble (método 3 con respecto a método 1).

El método 2 tiene un hidrograma diferente ya que la rotura dura las 24 horas y es progresiva, es decir el caudal punta se retrasa y es mucho menor (está más laminado).

Cabe destacar que hay una incoherencia en el cálculo de HEC RAS y es que en todos los hidrogramas se desaloja más volumen del que tiene el embalse (el cual está especificado como dato de partida).

COMPARACIÓN DE TRANSMISIÓN DEL HIDROGRAMA

Por último, para evaluar la transmisión del hidrograma a lo largo de aproximadamente 50 Km de cauce, se ha creado un modelo HEC RAS del cauce a partir de la presa y se ha introducido el hidrograma correspondiente al modelo 1 de IBER, es decir, el siguiente:

Este modelo en HEC RAS se ha comparado con el modelo 1 de rotura de presa de IBER realizado y mostrado anteriormente. La comparación da los siguientes resultados.

Modelo 10 min

Modelo 20 min

Modelo 30 min

Modelo 40 min

Modelo 50 min

Modelo 60 min

Modelo 100 min

Modelo 120 min

12 horas

24 horas

Por último se han tomado los hidrogramas en diferentes perfiles tanto en IBER como en HEC RAS. A continuación, se muestran los resultados

Los resultados se muestran a continuación:

En resumen, los hidrogramas por perfiles para cada modelo son:

Como se puede observar, los resultados en IBER en los perfiles 1, 2 y 3 dan caudales de punta mayores que el caudal de punta del hidrograma de rotura, lo que es contradictorio y por tanto habría que estudiar con detenimiento porqué sucede esto.

También se puede ver que, por lo general, en IBER se lamina la onda de rotura más que en HEC RAS.

OPINIÓN SOBRE LA COMPARATIVA DE AMBOS PROGRAMAS

Tras el estudio realizado, dejo a continuación mi opinión mediante una comparativa de ambos programas.

Como veis, la comparación de ambos programas es altamente complicada ya que se manejan gran cantidad de parámetros, por lo que apenas hemos podido rascar la superficie con este pequeño estudio.

Para más opiniones sobre estos programas podéis seguir leyendo este blog, por otra parte, si queréis aprender a utilizar estos programas, podréis hacerlo en los cursos de IBER y HEC RAS tanto con ArcGIS como con QGIS de la academia TYC GIS.

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