En esta entrada quiero mostraros cómo utilizar la versión bidimensional del programa de modelos hidráulicos HEC RAS.

Para aprender a usar HEC RAS 2D, vamos a comenzar con el ejemplo con un modelo situado aguas debajo de una unión de cauces que desembocan en otro relativamente confinado, simulando la inundación producida tras una gran tormenta.

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Los datos de caudales producidos por la tormenta son los siguientes:

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El coeficiente de Manning del cauce se estima en 0,03 mientras que en el resto del terreno se considera un Manning de 0,05.

El proceso para la elaboración del modelo comienza en el programa ArcGIS como (vale también QGIS o gvSIG) con la generación del modelo del terreno y la preparación de la geometría, y se resume a continuación:

Preparación del espacio de trabajo en ArcGIS

• Abrimos un nuevo proyecto y le otorgamos el sistema de coordenadas de referencia adecuado
• Creamos la geodatabase del proyecto
• Elegimos la geodatabase del proyecto como geodatabase por defecto y hacemos click en el almacenamiento mediante rutas relativas, o “Store relative pathnames to data sources”.

Cargar el modelo de terreno, el cual debe estar debidamente georreferenciado para evitar problemas posteriores.

Creación de la capa de rugosidad, para ello se crea un shapefile que delimite los diferentes usos del suelo, usos que se importarán más tarde en el programa.

Generamos el shape de usos de suelo, cabe destacar que una vez creado el shape de usos de suelo, debemos darle un Id diferente a cada polígono.

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Una vez generado el shape con usos de suelo y el modelo de terreno, abrimos HEC RAS y creamos un proyecto. Una vez creado el proyecto abrimos la pestaña RAS Mapper.

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Lo primero que debemos hacer es definir el sistema de referencia para proyectar el modelo, lo que se hace en “Tools” → ”Set Projection for Project”.

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Este archivo de referencia tiene el formato .prj y depende de la situación de nuestro proyecto.

Este archivo se puede conseguir de dos maneras, la primera utilizando el archivo .prj que se crea una vez creamos el shape de usos del suelo, tal y como se puede ver en su carpeta de localización.

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O en el caso que no tengamos ningún archivo shape georreferenciado, podemos obtenerlo de la siguiente página: http://spatialreference.org/

Primero debemos buscar en el total de archivos, los que coincidan con nuestro sistema de referencia (en este caso WGS 1984 UTM 19S). Después debemos bajarnos el archivo .prj

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Una vez descargado el archivo, lo ponemos en la carpeta de proyecto y lo utilizamos como proyección en RAS Mapper.

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Pasamos a introducir el modelo digital del terreno mediante “Tools” → ”New Terrain”.

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Elegimos el raster del modelo del terreno, preferiblemente en formato .tif.

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El programa creará un archivo .hdf que representa el modelo de terreno en HEC RAS, por lo que el programa ya no necesitará el terreno en formato .tif, sino que tendrá su propio modelo de terreno en formato .hdf.

Ya tenemos nuestro modelo del terreno cargado.

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A continuación añadimos la capa de usos de suelo, o lo que el programa llama “Land Cover”.

Para ello acudimos a “Tools” → ”New Land Cover”.

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Es importante destacar que a la hora de añadir nuestro archivo shape, debemos añadir solamente el archivo “.shp”.

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Ahora asignamos el coeficiente de Manning a cada polígono según el Id que le asignamos en ArcGIS.

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Ya tendremos creada nuestra capa de coberturas.

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Una vez hemos cargado todos los datos necesarios del terreno pasamos a crear la geometría en el editor de geometría.

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El primer paso que debemos realizar es delimitar el área 2D donde se creará la malla de simulación. Para ello apretamos el botón “2D Flow Area” y delimitamos el área finalizando con doble click.

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Una vez creada la geometría, pasamos a crear la malla que definirá nuestro modelo, para ello seleccionamos el botón “2D Flow Area” de la barra “Editors”.

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A continuación apretamos el botón “Generate Computation Point son Regular Interval with all Breaklines” para definir las dimensiones vertical y horizontal de la malla. Hemos definido las celdas de 5×5 como un tamaño de precisión media, como es lógico, cuanto menor sea la celda, mayor la precisión y el tiempo de cálculo.

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A continuación Apretamos el botón “Force Mesh Recomputation”. Si apretamos “ok” se generará la malla deseada.

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Antes de seguir, debemos guardar la geometría.

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Una vez guardada la geometría, volvemos a la pestaña de “RAS Mapper” para asignar la rugosidad del terreno a la malla. Una vez abierto ”RAS Mapper”, podemos ver que se ha creado una serie de capas en “Geometries”. Elegimos el grupo de capas de nuestra geometría y apretamos el botón derecho, para elegir la opción “Associate Terrain Layer”.

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Como se puede ver, la malla tiene asignado el terreno pero no el uso de suelo, o “Land Cover”, por ello, seleccionamos la pestaña Land Cover y elegimos nuestra capa de usos de suelo.

Una vez asignado el uso del suelo acudimos de nuevo al editor de geometría y abrimos el editor de nuestra malla. Debemos comprobar que los usos del suelo están activados apretando el botón “Edit land Cover to Manning’s”.

Como podremos ver, los Mannings están asignados por defecto, podemos cambiar el valor de los Mannings en la tabla, pero no hace falta, por lo que no rellenaremos la tabla (esta vez). Simplemente apretamos “ok”, y para asegurarnos que se apliquen los Mannings, apretamos el botón “Force Mesh Recomputation”.

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A continuación pasamos a definir las condiciones de contorno. Para ello apretamos el botón “SA/2D Area BC Links” y comenzamos a definir los contornos.

Con esta herramienta modelo_basico_hecras29 lo que se hace es establecer las líneas donde se van a situar las condiciones de contorno en la malla.

Las condiciones de contorno se definen en los bordes del área, aunque no es necesario que ocupen la totalidad del borde, sino sólo donde deseamos que se cumpla.

Aquí únicamente se dibujan y se asocian a un área 2D, más adelante se definirán las condiciones que pueden imponer cada una de ellas.

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En la imagen anterior se han definido dos condiciones de contorno, ambas en el cauce tanto aguas arriba como aguas abajo. El resto de bordes del modelo en los que no está definida una condición de contorno se consideran como líneas que el agua no puede atravesar, es decir, cualquier zona donde no está definida una condición de contorno se considera impasable para el agua, como si tuviera un muro de altura infinita. Como se trata de una zona montañosa, en nuestro caso no es importante definir las condiciones de contorno en los bordes donde no se sitúa el cauce, ya que son zonas tan altas que el agua no se acumularía y por tanto no afectan a nuestra zona de interés.

Hecho esto, ya tendríamos definida la geometría, sería el momento de definir el régimen de flujo y las condiciones de contorno. Como hemos puesto un hidrograma de entrada, el régimen de flujo sería variable, por lo que habría que abrir la pestaña “Unsteady Flow Data”.

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Una vez abierto podemos comprobar que aparecen los contornos que hemos definido. Si los seleccionamos podemos elegir el tipo de condición que le queremos aportar, teniendo las siguientes posibilidades:

• Stage Hydrograph: se trata de definir el nivel del agua a lo largo del tiempo de simulación.
• Flow Hydrograph: se trata de definir el caudal entrante a lo largo del tiempo de simulación.
• Rating Curve: se trata de relacionar el caudal entrante o saliente con el nivel del agua en la condición de contorno, al igual que en los modelos 1D.
• Normal Depth: se trata de definir la pendiente de energía en ese punto, al igual que en los modelos 1D.

A continuación pasamos a definir el hidrograma de entrada seleccionando la condición de contorno “entrada” y a continuación el botón “Flow Hydrograph”.

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En la nueva ventana definimos los intervalos de tiempo en los que definimos el hidrograma (en nuestro caso, media hora hora) y elegimos el tiempo de comienzo y fin del hidrogama (recomiendo utilizar el tiempo de simulación) y los caudales del hidrograma e cada momento. Por último ponemos la pendiente del terreno a la entrada en la casilla inferior izquierda, lo que permite al programa calcular el calado en la condición de contorno y distribuir el caudal a lo largo de la línea e contorno.

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Una vez definida la condición de “entrada”, definiremos la condición “salida” mediante la pendiente de energía, lo cual se hace de la misma forma que en HEC RAS 1D.

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Por último, queda comenzar la simulación, para ello abrimos la ventana de simulación en régimen variable.

Una vez abierta la ventana debemos señalar todas las casillas de resultados (quitando la parte de sedimentos que no la vamos a utilizar), a continuación definimos el intervalo de simulación, el cual dejamos en 12 horas ya que es tiempo de sobra para analizar la tormenta (podría ser más o menos pero hemos adaptado la tormenta al tiempo de la simulación cuando definimos la precipitación).

Por último, en las “Computation Settings” hemos decidido que nos de los resultados con el mismo intervalo que en la tormenta, y con pasos de cálculo de 30 minutos ya que así obtenemos un cálculo rápido.

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Sólo queda apretar el botón “Compute”.

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El proceso puede tardar desde minutos a días, aunque el modelo que hemos realizado es sencillo (tiene tiempos de cálculo muy grandes, por tanto será menos preciso).

Si abrimos la pestaña RAS MAPPER ya podemos ver los resultados.

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Aún así, HEC RAS tiene multitud de herramientas para su versión bidimensional así como para la versión unidimensional, la versión más popular del programa. Todo esto y mucho más podréis verlo en los cursos de HEC RAS tanto con ArcGIS como con QGIS de la academia TYC GIS.

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