El río La Leche desde la boca de la Quebrada Hualtacal, Lambayeque, Perú

El río La Leche desde la boca de la Quebrada Hualtacal, Lambayeque, Perú.


FLUJO PERMANENTE VS FLUJO NO PERMANENTE CON HEC-RAS

El modelo HEC-RAS del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos (Versión 4.0) tiene tres componentes o partes: (1) flujo permanente, (2) flujo no permanente, and (3) flujo de lecho móvil. La componente de flujo permanente utiliza el método estándar para la solución del flujo permanente gradualmente variado.1 La componente de flujo no permanente utiliza una solución numérica de las ecuaciones que gobiernan el flujo no permanente gradualmente variado en canales. La componente de lecho móvil utiliza la ecuación de continuidad del sedimento y una (de varias posibles) ecuación de transporte de sedimentos, con el fin de calcular agradación (sedimentacion) y degradación (erosión) de lechos fluviales.

¿Cuándo debe usarse el flujo no permanente?

Esta pregunta es de una gran importancia práctica, pues el flujo no permanente es más complicado que el flujo permanente, y requiere de una mayor cantidad de datos. Sin embargo, la respuesta no es muy simple, requiriendo de una explicación adicional.

Flujo permanente vs flujo no permanente

Bajo flujo permanente, el usuario introduce como condiciones de borde un caudal aguas arriba y un tirante (o elevación) aguas abajo. El modelo calcula los tirantes (o elevaciones) en todos los puntos interiores, manteniendo el caudal constante. Bajo flujo no permanente, el usuario introduce un hidrograma de caudales en el borde aguas arriba y una relación caudal-tirante en el borde aguas abajo. El modelo calcula los caudales y tirantes (o elevaciones) en todos los puntos interiores.

Bajo flujo permanente, la relación caudal-tirante es única, es decir, cinemática. De otro lado, bajo flujo no permanente, el modelo calcula las relaciones caudal-tirante (con histéresis) de acuerdo a la variabilidad del flujo. Los flujos más dinámicos (más repentinos) tienen más histéresis. Por lo tanto, la especificación de una curva caudal-tirante única (cinemática) en el borde aguas abajo contradice la solución en ese borde.2 El modelo no puede ser a la vez cinemático en el borde aguas abajo y dinámico fuera de este borde.

Una manera de salir de este aprieto es: (1) extender el borde aguas abajo artificialmente (hacia aguas abajo), (2) especificar una relación caudal-tirante única en el nuevo borde artificial, y (3) hacer que el model calcule las curvas caudal-tirante (con histéresis) en los puntos interiores, tanto reales como ficticios.3 A pesar de su artificialidad, este procedimiento funciona muy bien, evitando al usuario el tener que conocer (especificar) la solución en el borde aguas abajo antes de calcularla.

Ondas cinemáticas vs ondas dinámicas

La decisión de usar o no el flujo no permanente dependerá si la onda a ser modelada es cinemática o dinámica. Si la onda es cinemática, (1) el caudal se mantendrá constante a lo largo del río, (2) las relaciones caudal-tirante serán únicas, y (3) la condición de borde aguas abajo podrá especificarse de antemano (relación caudal-tirante única). En este caso, las soluciones del flujo permanente y no permanente serán esencialmente las mismas; por lo tanto, NO se necesita el cálculo del flujo no permanente.

Por otro lado, si la onda es dinámica, (1) el caudal variará en el espacio, sometido a atenuación conforme la onda se desplaza aguas abajo, (2) las relaciones caudal-tirante calculadas no serán únicas (tendrán histéresis), y (3) para mayor precisión, el borde aguas abajo debe ser desplazado artificialmente (hacia aguas abajo) para permitir el desarrollo de una curva con histéresis en el borde aguas abajo real. En este caso SÍ se justifica el cálculo del flujo no permanente, asumiéndose, por supuesto, que la onda es ciertamente dinámica.

Uso del flujo no permanente en el diseño de canales

Esta situación obliga a hacer la pregunta si una onda de avenida dada puede ser clasificada como cinemática o dinámica. O mejor aún, si es necesario utilizar la onda dinámica para calcular tirantes en el diseño de proyectos de canales. En proyectos hidráulicos típicos, los cuales son de distancias o longitudes limitadas, es preferible asumir la onda cinemática, la cual mantiene constante el caudal, es vez de su contraparte dinámica, la cual atenua el caudal. El uso de la onda cinemática asegura que el canal bajo diseño contendrá a todas las ondas, tanto cinemáticas como dinámicas. Visto bajo esta óptica, el uso del flujo no permanente (la onda dinámica) para el cálculo de tirantes (y elevaciones) en canales abiertos no parece ser necesario.


1 Chow, V. T. (1959). Open-channel hydraulics. McGraw-Hill.
2 Abbott, M. (1976). Computational hydraulics: A short pathology. Journal of Hydraulic Research, Vol. 14, No. 4.
3 Ponce, V. M. and A. Lugo. (2001).
Modeling looped ratings in Muskingum-Cunge routing. ASCE Journal of Hydrologic Engineering, Vol. 6, No. 2, March/April, 119-124.