2. Ejemplos Sencillos de HEC-RAS

_____________________________________________Capitulo 6.Ejemplos sencillos de HecRas

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CAPITULO 6. EJEMPLOS SENCILLOS DE HEC-RAS

1 DESCRIPCIN:

En esta sesin realizaremos algunos ejercicios bsicos para familiarizarnos con el entorno HEC-RAS. Veremos el procedimiento a seguir para construir un proyecto HEC-RAS desde la introduccin de la geometra hasta el estudio y comparacin de diversos resultados.

2 CREACIN DEL PROYECTO

El primer paso para iniciar el ejercicio consiste en lanzar la aplicacin HEC-RAS, y crear un nuevo proyecto, para ello basta con escoger la opcin de men: File New Project

Aparecer la clsica ventana HEC de seleccin de carpeta y de nombre del proyecto donde escribiremos el nombre de proyecto Ejemplo1.prj y la descripcin, Primer ejemplo del curso.

Resulta importante introducir una descripcin adecuada para el proyecto ya que los

nombres deben ser preferiblemente cortos para evitar problemas. Otro aspecto importante esta en las unidades, por defecto el modelo HEC-RAS trabaja con unidades del sistema britnico, a travs del men: OptionsUnit Sytem (US Customary/SI)

Podemos escoger el sistema internacional, dentro del mismo men de opciones existen otros elementos de la configuracin bsica de HEC-RAS. Un proyecto HEC esta formado por una serie de ficheros que contienen datos de proyecto, datos de condiciones de contorno, geometra y datos de plan, que podemos traducir como datos de caso. En general por extensiones podramos describir estos ficheros como:


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Tabla 1. Ficheros integrados en un proyecto.

Proyecto Ejemplo1.prj Geometra Ejemplo1.g01 Condiciones de contorno permanente Ejemplo1.f01 Condiciones de contorno no permanente Ejemplo1.u01 Caso Ejemplo1.p01

A medida que vayamos avanzado en el proyecto se irn creando los diferentes ficheros que

lo conforman, todos los enumerados en la tabla anterior correspondientes a datos de proyecto son ficheros de tipo ASCII modificables mediante cualquier editor de texto simple (Wordpad, Notepad, ).

Asociados a los proyectos y a los diferentes casos que los integran aparecen unos ficheros de extensin *.O01 y *.r01 que se generan en el momento del clculo de un caso (plan) concreto, estos ficheros los genera el programa snet.exe que es el mdulo de clculo en rgimen permanente de HEC-RAS, este modulo esta escrito en FORTRAN a diferencia del entorno grfico ras.exe que est escrito en Visual Basic. El primero de los ficheros *.O01 es un fichero binario (no editable con Notepad) que contiene los resultados del calculo, el segundo fichero *.r01 es un fichero de datos ASCII en el formato interpretado por el mdulo de clculo, tambin es legible pero es de ms difcil comprensin que el resto de ficheros ASCII del proyecto. Los ficheros de resultados (*.O01 *.r01) estn siempre asociados a un plan, es decir que para cada fichero de tipo caso, Ejemplo1.p01 habr asociados unos resultados (Ejemplo1.O01, Ejemplo1.r01), esto implica que si tenemos tres planes diferentes tendremos tres resultados diferentes.

Ambos ficheros son resultado del clculo de un caso, por lo que se pueden omitir al copiar un proyecto ya que para obtener nuevamente los resultados bastara con recalcular el caso del proyecto. Esto puede resultar interesante cuando debemos enviar un proyecto por mail ya que si el proyecto consta de muchos casos y geometras complicadas pueden ser de un tamao considerable, por lo que podemos prescindir de enviar los ficheros de resultados y recalcular el proyecto en el ordenador de destino.

Para que un proyecto creado en una carpeta sea valido en otro ordenador o carpeta tenemos que copiar todos los ficheros anteriores (Ejemplo1.*) a la nueva ubicacin y bastar con que estn en la misma carpeta para que funcionen correctamente, esto se debe a que las rutas (path) de los ficheros que integran un proyecto se almacenan de forma relativa, no absoluta.

Para las diferentes geometras, condiciones de contorno o casos incluidos en un proyecto, si realizamos alguna modificacin respecto al anterior y deseamos guardarla de manera diferente, el programa seleccionar una numeracin consecutiva a los existentes y guardara el fichero con el mismo nombre del proyecto y la numeracin consecutiva. Es decir si poseemos la geometra Ejemplo1.g01 y la modificamos y guardamos con un nuevo nombre el programa seleccionara el nombre Ejemplo1.g02. Por lo tanto el nombre del fichero no nos permitir incluir informacin sobre la modificacin realizada, esta informacin debe incluirse en el espacio reservado para la descripcin.

3 CREACIN DE LA GEOMETRA

Una vez creado el proyecto, el orden en la introduccin de datos debera ser, primero la geometra del caso, segundo las condiciones de contorno, tercero los parmetros de clculo del caso y finalmente los resultados. Por lo tanto el primer paso ser crear la geometra.

Para acceder al editor de geometra lo hacemos a travs del la barra de herramientas principal del programa.


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Una vez dentro del editor vemos que aparecen mltiples herramientas adems de unos

mens cargados de diferentes opciones. La geometra est formada por dos elementos fundamentales, el ro (stream) y las secciones (crossections). Para realizar cualquier clculo es necesario partir de estas dos informaciones. En general en la actualidad se parte de herramientas de tipo GIS para el la realizacin de las geometras cuando se trata de cauces naturales, sin embargo para cauces de diseo se puede trabajar directamente dentro de HEC-RAS.

3.1 Eje del ro El primer elemento que crearemos ser el eje del ro, ste consiste en una polilnea que

marca el cauce del ro. Para dibujarla utilizaremos la herramienta correspondiente dentro del editor. En principio no resulta excesivamente importante este trazado por dos razones, en primer lugar la geometra de este cauce no interviene para nada en el clculo. nicamente interesa la esquematizacin del la zona de estudio, es decir el numero de tramos de estudio, que tipo de uniones existen entre ellas, etc

En segundo lugar el editor no dispone de herramientas que permitan un dibujo preciso del

eje del ro, ni siquiera se pueden introducir distancias. Sin embargo existe una tabla en el men:


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EditReach Schematic Lines Donde si se permite editar a mano las coordenadas del eje del ro.

En principio para este ejercicio partiremos de un eje sencillo con un solo tramo de ro,

escogemos la herramienta de dibujo del eje, trazamos una serie de puntos teniendo en cuenta que el trazado se realiza de aguas arriba hacia aguas abajo y cuando hayamos finalizado el trazado terminamos con un doble clic haciendo que aparezca un formulario para introducir el nombre del ro que estamos modelando (river) as como el nombre del tramo concreto (reach).

A lo largo de todo el curso debe tenerse muy presente que el programa HEC-RAS se cre para el clculo de ros, no de encauzamientos y todos los elementos en el presentes apuntan en esa direccin, empezando por la tolerancia de clculos que es de 10 cm, inaceptable para el clculo de una obra de dimensiones reducidas.

Una vez introducido el eje del ro nos aparece en la pantalla del editor de geometra el eje con unas etiquetas indicando el nombre. Es muy importante ser consciente de que las dimensiones de este eje no son significativas de cara al clculo. Es decir que el eje aparezca curvado o no o ms largo o menos no afecta en absoluto al clculo.


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3.2 Secciones del ro. Una vez introducido el eje vamos a introducir las secciones, en esta parte resulta

fundamental el hecho de si se modela un caso real o se modela un prototipo. En el primer caso si se trata de un cauce natural debera trabajarse sobre un entorno GIS (Arcview, Arcmap) o un programa especfico (River CAD, SMS), ya que el procedimiento de extraer manualmente la topografa de las secciones e introducirlas en el programa resulta demasiado lento.

En el caso de que se trabaje con secciones naturales extradas mediante una herramienta GIS el propio HEC-RAS dispone de una serie de filtros geomtricos para simplificar la geometra de manera que los clculos sean ms rpidos.

Por lo tanto partiremos de la hiptesis de que se trata de una seccin artificial, ya sea existente o de proyecto. Par introducir una seccin ya existente la nica alternativa es hacerlo mediante la introduccin directa sin embargo si se trata de una seccin de prototipo podemos hacerlo mediante dos herramientas ms ya existentes dentro del HEC-RAS.

3.2.1 Seccin ya existente o ya diseada Para introducirla seleccionamos la herramienta Edit and/or create crossections de la barra

de herramientas, se nos abrir el editor de secciones donde en primer lugar debemos crear una nueva seccin, para ello usamos el men: OptionsAdd A new Crossection

En ese momento nos preguntar el river station, esto significa cual es el punto kilomtrico

de la nueva seccin dentro del ro. El orden de los puntos kilomtricos empieza con en 0 en el final del tramo creciendo hacia aguas arriba, el modelo admite valores negativos.


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Un introducido el punto kilomtrico de la primera seccin debemos llenar varios campos

dentro de la seccin. El ms importante de todos es el correspondiente al par Station/Elevation, donde se deben introducir los valores de abscisa/cota de nuestra seccin. Estos valores de deben introducir en cota absoluta (m.s.n.m), el orden de las abscisas debe ser mirando la seccin desde aguas arriba hacia aguas abajo de izquierda a derecha. Para los puntos situados a la izquierda se admiten valores de Station negativos.

El segundo valor que se debe introducir es el de Downstream Reach Lengths, que es el correspondiente a las longitudes hasta la seccin siguiente, en este caso si estamos introduciendo la seccin ltima la longitud hasta la siguiente debe ser 0.

Sabemos que la seccin se divide en tres partes, left overbank, channel, right overbank. Cada una de estas partes puede tener una distancia diferente hasta la seccin de aguas abajo, por lo tanto existe una casilla para cada una de estas distancias. Por ejemplo en una curva del flujo hacia la derecha, en el lado interior de la seccin las distancias hasta la siguiente seccin seran menores, por lo que ROB < Channel < LOB.

Estos tres valores resultan fundamentales por varias razones, la primera es que si estamos en un tramo curvo la nica modificacin que se produce en el clculo es debido a la diferente longitud de estas tres distancias, causando prdidas de energa diferentes para cada uno de ellos, por otra parte si estamos trabajando en un sistema no georeferenciado, el programa calcular la longitud total del ro a partir de la suma de todas las distancia channel.

Posteriormente introduciremos el valor de los coeficientes de perdidas para cada una de las partes de las secciones y la abscisa en la que empieza cada una de las partes de la seccin.

Como comentarios debe decirse que es posible asignar un coeficiente de Manning diferente para cada abscisa, para ello basta usar el men: OptionsHorizontal Variation in n Values

Esto har aparecer una tercera columna donde introduciremos el valor de la rugosidad para cada abscisa y ser valido desde esa hasta siguiente. Por otra parte sobre las rugosidades debe tenerse en cuenta que esta se introduce a travs de la conveyance:


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1/ 2

2/3

fQ KS

ARKn

==

Donde , , , ,Q K A n R son el caudal, la conveyance, el aera, el coeficiente de Mannig y el

radio hidrulico respectivamente. De cara a la evaluacin de la rugosidad de una seccin compuesta se sigue el siguiente criterio, los overbanks siempre se dividen por tramos de diferente rugosidad, cada uno con una conveyance propia que finalmente se suma para tener la equivalente de toda la llanura. En el channel se pretende utilizar una nica conveyance equivalente, en el caso de que ste posea un nico Mannig no hay problema, pero cuando tiene ms de uno se sigue un criterio que depende de la pendiente del perfil de la seccin, as si tenemos tramos de seccin con diferente Manning y con pendiente geometrica menor de 5H:1V se combinan los tramos de diferente rugosidad segn la frmula:

Donde cada rugosidad interviene segn el permetro que le corresponde. Por otra parte para

pendientes mayores se calcula cada tramo de Manning por separado con su propia conveyance. De cara al clculo, todo ello conduce a una divisin de las propiedades del flujo segn el esquema:

Para este caso trabajaremos con una seccin trapezoidal simple. Una vez introducidos

todos los parmetros de la seccin caracterstica el resultado final es el siguiente:


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Ahora creamos la seccin aguas arriba, para ello vamos al editor de geometra desde la

barra de herramientas y clicamos en la herramienta Edit and/or create cross sections. Desde este editor escogemos el men: Options-->Copy Current Cross Section

Introducimos el punto kilomtrico de la seccin de aguas arriba, para este caso el P.K. es 1000. Ahora nos falta ajustar los valores de las distancias hasta la seccin de aguas abajo que en este caso ser 1000, 1000, 1000, ya que los tres tramos de esta seccin (overbanks y channel) estn a 1000 metros de la seccin de aguas abajo. Por ltimo deberemos ajustar las cotas de esta seccin ya que esta a mayor altura que la inferior, para ello iremos al men: Options-->Adjust Elevations ...

Y aparecer una pantalla en la que introduciremos un 3 haciendo que todas las cotas de la seccin se incrementen en 3 unidades. Por lo tanto la pendiente final del tramo ser de un 3 por mil.

3.2.2 Diseo de seccin por capacidad La siguiente manera de introducir la seccin de diseo es a travs del asistente para la

creacin de secciones. En este asistente se introducen los parmetros fijos de diseo y el programa nos calcula los variables. Los parmetros que se pueden considerar fijos son la pendiente del tramo, el caudal que circula, los ngulos de los taludes y las profundidades totales de los diferentes tramos de la seccin. Los parmetros variables corresponden con los anchos de cada elemento, channel, overbank.

En este caso la herramienta que utilizaremos es el asistente de diseo hidrulico, para acceder a ella haremos: Run-->Hydraulic Design Functions ...

Esta herramienta consta de cinco componentes: a) Calculo de regimenes normales b) Diseo de secciones por capacidad c) Diseo de secciones naturales estables d) Calculo de erosin en pilas e) Capacidad de transporte de sedimentos

En este caso para este clculo utilizaremos el diseo de secciones por capacidad. Esta herramienta es especfica para cauces artificiales, la herramienta para cauces naturales (c) esta derivada del modelo:

SAM - Hydraulic Design Package for Channels


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Desarrollado por Coastal and Hydraulics Laboratory (CHL). Se fundamenta en teoras como la fuerza tractiva o teora del rgimen. Los elementos asociados al transporte de sedimentos no forman parte de este curso. Para acceder a la herramienta que nos interesa dentro de Hydraulic Design ejecutamos: Type-->Uniform Flow ...

Dentro de esta herramienta escogemos la pestaa correspondiente a: Width

Como hemos comentado anteriormente los datos necesarios son los que aparecen en las siguientes figuras.

Esta herramienta funciona correctamente para el clculo del ancho que debe tener el

channel para transportar un cierto cauda, la altura de ste se debe imponer. Para nuestro caso introducimos una pendiente de 3 por mil, unos taludes 2:1 (H:V) y una altura de canal de 2 metros y de overbanks de 0.5 metros. Introducimos una longitud WL y WR de tanteo de 5 metros, al darle al botn Apply Geometry obtenemos la seccin resultado de nuestro dimensionamiento geomtrico, pero podemos imponer un cierto calado para imponer un resguardo y dando el caudal y la pendiente al darle al botn Compute, el programa calcula cual es el ancho necesario para obtener el rgimen normal deseado.


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Cuando la seccin resulta satisfactoria ejecutamos Copy XS to Geometric Data e

introducimos el P.K. de la seccin de diseo, en este caso 0. Ahora creamos la seccin aguas arriba, para ello vamos al editor de geometra desde la barra de herramientas y clicamos en la herramienta Edit and/or create cross sections. Desde este editor escogemos el men: Options-->Copy Current Cross Section

Introducimos el punto kilomtrico de la seccin de aguas arriba, para este caso el P.K. es 1000. Ahora nos falta ajustar los valores de las distancias hasta la seccin de aguas abajo que en este caso ser 1000, 1000, 1000, ya que los tres tramos de esta seccin (overbanks y channel) estn a 1000 metros de la seccin de aguas abajo. Por ltimo deberemos ajustar las cotas de esta seccin ya que esta a mayor altura que la inferior, para ello iremos al men: Options-->Adjust Elevations ...

Y aparecer una pantalla en la que introduciremos un 3 haciendo que todas las cotas de la seccin se incrementen en 3 unidades. Por lo tanto la pendiente final del tramo ser de un 3 por mil.

3.2.3 Asistente de diseo de secciones La siguiente manera de introducir las secciones de diseo consiste en ir al editor de

geometra desde la barra de herramientas y una vez dentro de este ejecutar: Tools-->Design Crossections

Se nos abrir una tabla en la que tenemos que introducir caractersticas muy sencillas de las secciones que queremos crear, punto kilomtrico, altura, pendiente de los taludes, ancho inferior, cota absoluta del punto inferior, distancia hasta la seccin aguas abajo y rugosidad y a partir de estos parmetros nos construye las secciones, para nuestro caso lo parmetros sern los siguientes:


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En esta tabla ya introducimos los datos correspondientes a las dos secciones que queremos

crear en el modelo, y con el botn Make Designed Cross Sections aparece un aviso de que se van a crear nuevas secciones, aceptamos y ya aparece la nueva geometra con las dos secciones creadas. Es importante saber que para estas secciones aparezcan debe existir el ro y el tramo a que se hace referencia en el asistente.

3.3 Interpolacin de secciones Con estos parmetros ya creamos una seccin aguas abajo y otra aguas arriba, estos son los

elementos mnimos para un tramo. Ahora con las secciones definidas podramos realizar un clculo, pero como estn muy separadas (1000 m) el error sera importante, ya que a pesar de que se trata de un esquema numrico de orden 2 (Average Conveyance) es un delta de X demasiado grande. Por lo tanto necesitamos crear nuevas secciones para el clculo, estas secciones se crean mediante un interpolador. La imagen actual en el editor de geometra es la siguiente:


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La herramienta para la interpolacin se encuentra en el editor de geometra en el menu:

Tools-->XS Interpolation-->Within a Reach ...

Existe otra alternativa llamada Between 2 XS's ... La primera de ellas nos permite crear secciones interpoladas a lo largo de un ro. Se puede especificar el ro, el tramo y dentro de este tramo escoger una zona concreta, esto permite utilizar densidades de interpolacin diferentes en funcin de las necesidades de la zona.

La segunda herramienta de interpolacin es especfica para la interpolacin entre dos

secciones y permite un control mayor sobre la interpolacin. El programa HEC-RAS siempre realiza interpolaciones lineales de geometra, pero este editor nos permite delimitar los tramos a interpolar, es decir podemos establecer correspondencias entre tramos de la seccin aguas arriba con tramos en la seccin aguas abajo, y entre estos tramos establecer una correspondencia lineal y sobre esta interpolar.


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Es importante destacar que las distancias de interpolacin especificadas siempre son una cota superior, es decir la interpolacin realizada por programa siempre crea secciones a una distancia igual o menor a la especificada.

Llegados a este punto se debe guardar la geometra, para ello especificaremos nosotros el nombre, ya que el gravado automtico genera nombres que no aportan informacin sobre el fichero, as que dentro del editor de geometra escogeremos el men: File-->Save Geometry Data As ...

Aparecer una pantalla en la que nos listar las geometras actualmente asociadas a nuestro proyecto, si seleccionamos una ya existente la sobrescribir, perdindose la antigua, si nicamente introducimos la descripcin de la nueva geometra la guardar con un nombre numricamente consecutivo con la ltima del proyecto, es cualquier caso nicamente podemos introducir la descripcin ya que el programa se reserva la capacidad de decidir el nombre real del fichero de geometra.

Estos nombres siempre estn constituidos por el nombre del proyecto ms una extensin que para las geometras es "g" y un nmero consecutivo con la ltima geometra introducida, en nuestro caso como se trata de la primera del proyecto ser ".g01".

4 CONSTRUCCIN DE CONDICIONES DE CONTORNO

El siguiente paso lgico para la construccin del modelo consiste en introducir las condiciones de contorno. Las condiciones de contorno necesarias pueden variar en funcin del problema, siempre ser necesario introducir el caudal en nuestro tramo, el caudal circulante puede variarse en una seccin cualquiera del tramo, es decir el programa no exige continuidad en el caudal dentro del tramo, ni en las uniones.

Por otra parte el programa calcula la lnea de energa, por lo que no se realiza un balance global del flujo de energa que circula, sino se calcula un balance de la energa especfica. Esto conduce a situaciones en las que podemos duplicar el caudal en una determinada seccin y en lugar de conservarse la energa total del flujo se conserva la energa especfica, lo que quiere decir que todo el caudal introducido pasa a a tener la misma energa que el que ya circulaba por el cauce.

La siguiente condicin de contorno necesaria es un calado, para el correcto uso de esta condicin de contorno es necesario conocer algo de la teora hidrulica. Dentro de la


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conservacin de la energa (Bernoulli) en la resolucin de problema conocido como Step Method aparecen en general dos soluciones, una por encima del calado crtico y otra por debajo, las definimos como rgimen lento y rgimen rpido.

Para que la solucin sea correcta no es posible que uno de los Steps se produzca un salto de rgimen, por lo tanto en general se introducen dos condiciones de contorno una para la solucin en rpido y otro para la solucin en lento. Si como hemos dicho la solucin en rpido y la solucin en lento son nicas debe bastar con introducir un solo calado de cada una de ellas y se construye la solucin. Sin embargo en general solo se permite introducir el calado para la solucin en lento aguas abajo y el calado para la solucin en rpido aguas arriba. Esto se debe a la naturaleza de las ecuaciones de Saint-Venant que establecen el problema dinmico y en ellas se comprueba que nicamente tiene sentido un problema fsico en el que la condicin de calado en rgimen rpido se imponga aguas arriba y el calado del rgimen lento se imponga aguas abajo. Sin embargo para el caso permanente no debera ser as ya que basta conocer el calado en un punto (en general) para poder construir la solucin.

Una vez calculadas ambas soluciones para buscar la definitiva se evala la fuerza especfica de cada una de las soluciones en cada nodo y nos quedamos la mayor. La justificacin de esta metodologa viene dada por el hecho de que la ecuacin de la energa no permite salto de rgimen, ya que en estos saltos no se cumple la ecuacin, por lo tanto necesitamos una nueva ecuacin que si que se cumpla en estas situaciones, y esta ecuacin es la de la fuerza especfica. El quedarse siempre con la solucin de mayor fuerza es sencillamente por que la fuerza especfica define el peso que tiene la condicin de contorno en esa seccin concreta, y siempre gana la condicin de contorno que ha dado una mayor fuerza especfica en la seccin. Visto todo lo anterior ahora nos vamos al men de condiciones de contorno.

La pantalla principal que aparece ahora es la que nos permite imponer los caudales, de

manera automtica el programa detecta cuantos tramos hay en la geometra y permite introducir un caudal para cada uno de ellos, por defecto el caudal se introduce aguas arriba del tramo y es posible introducir nuevos caudales en diferentes puntos del tramo.

Adems de los tramos en los que varia el caudal tambin se debe el numero de caudales de calculo, es decir para una misma configuracin podemos probar caudales diferentes. Para empezar asignaremos un caudal de 100 m3/s y pasaremos a imponer las condiciones de contorno sobre el calado, para ello ejecutamos Reach Boundary Conditions


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Vemos que existen diferentes alternativas para dar los calados en los extremos del tramo,

se puede hacer como una cota absoluta de agua (Known W.S.), el calado crtico, un calado normal o una curva de aforo. Todos estos mtodos acaban conduciendo a la imposicin de un calado. Imponer el calado normal supone que introducimos la pendiente y el programa calcula a que calado normal corresponde esta pendiente.

Una vez introducidos los valores de clculo ejecutamos desde la pantalla de Steady Flow Data File-->Save Flow Data As

Y nos permiten guardar los datos introducidos con un descripcin, es importante realizar este paso ya que podemos introducir varios escenarios diferentes correspondientes a caudales diferentes y a condiciones de contorno diferentes como por ejemplo nuestro tramo vaya en avenida y la desembocadura no o a la inversa unas cotas de agua altas en la desembocadura y bajas aguas arriba. Como puede versa la versatilidad en las condiciones de calculo es importante y debe aprovecharse.

5 CASO (PLAN)

Una vez establecidas las condiciones de contorno ya solo falta definir el caso (Plan), el caso resulta fundamental ya que como se ha mencionado anteriormente para cada uno de los casos definidos se guardan unos resultados, y esto permite comparar situaciones y soluciones diferentes. As los ingredientes fundamentales de una caso son una geometra y unas condiciones de contorno, as podemos realizar un calculo con la geometra del estado actual y otro con la geometra de proyecto. Escogemos la herramienta de Plan.


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Y aparece una pantalla en la que escogemos la geometra de clculo y las condiciones de

contorno con las que queremos realizar el clculo. Debe haber una correspondencia entre ambas ya que las condiciones de contorno hacen referencia a ubicaciones de la geometra por lo que estas ubicaciones deben existir en la geometra de clculo o tendremos un error.

Otro elemento muy importante de esta pantalla es el tipo de rgimen, es decir tenemos que

definir qu solucin queremos, si se escoge el mixto la solucin final ser la de mxima fuerza especifica. Si nicamente queremos una de las soluciones (supercritical, subcritical) bastara con dar una de las condiciones de contorno. Al igual que en el caso anterior es necesario guardar el fichero con una descripcin concreta: File-->Save Plan As

Veremos que adems del nombre del plan nos pedir una descripcin breve. En este formulario adems hay varios mens importantes correspondientes a parmetros de clculo. De momento nicamente vamos a mencionar el men: Options-->Critical Depth Output Option ...

Que nos permitir presentar siempre en los resultados el calado crtico. Con todos estos elementos ya podemos realizar el primer clculo, para ello basta apretar el botn Compute.

6 RESULTADOS

El programa HEC-RAS dispone de una gran variedad de opciones para la presentacin de resultados, entre los ms destacables estn los perfiles longitudinales, las secciones, las tablas de resultados, la presentacin 3D.


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6.1 Resultados de perfil longitudinal

Esta es la salida bsica de resultados, en ella se ve el perfil longitudinal del canal as como

los valores de lmina de agua, lnea de energa, etc. Haciendo: Options-->Variables ...

Podemos ver una ventana en la que escogemos las variables que queremos representar, todas las variables representables en este modo tienen como unidades (m.s.n.m), es decir cotas absolutas, por lo tanto ni la velocidad ni el Froude ni ningn otro elemento se puede consultar desde esta pantalla.


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Como es comn a otras salidas de datos de HEC-RAS es fcilmente editable, podemos escoger desde los colores de los grficos las etiquetas y las leyendas, exportarlos los resultados como tabla, como dibujo e incluso es formato DXF.

6.2 Resultados generales La nica diferencia respecto a los perfiles anteriores es que ahora se puede crear el perfil

de cualquiera de las variables de clculo del programa, pasando desde las velocidades hasta las tensiones de fondo, en total ms de 160 variables diferentes. Una de las variables mas importantes es el calado, este aparece en el men como Max Chl Depth.

El nico problema de esta ventana es que si se dibujan (plotean) variables de unidades y

ordenes de magnitud muy diferentes resulta difcil ver claramente los resultados ya que no permite utilizar el eje secundario Y. Al igual que en el caso anterior las leyendas, colores y etiquetas son completamente configurables.

6.3 Resultados por seccin

Cuando existe alguna seccin problemtica esta es la opcin que nos permite ver

informaciones detalladas de la seccin, es muy adecuado en el clculo de puentes por que nos da los detalles de cada uno de los clculos.


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6.4 Tabla de resultados

Esta tabla reproduce los mismos resultados que hemos visto en los perfiles pero lo hace en forma de tabla de manera que resulta ms sencilla la consulta de valores concretos. Se suele poner como anejo de resultados, el nico inconveniente es que no es posible traducir las cabeceras de las columnas por lo que quedarn necesariamente en Ingls.


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7 WARNINGS

Este elemento normalmente se ignora pero resulta fundamental ya que nicamente aqu veremos todos los errores encontrados durante el clculo. Uno de los xitos del programa HEC-RAS y motivos por los que parece fcil de utilizar es que independientemente de los errores que aparezcan durante el clculo siempre obtenemos un resultado.

Por todo ello es necesario revisar los warnings arrojados por el programa para garantizar

que no existe ninguno de ellos crtico. Siempre es tolerable un nmero de avisos mientras ninguno de ellos sea crtico.

8 MAS EJEMPLOS

Como continuacin al captulo veremos varios ejemplos para tratar de entender la mecnica de clculo del programa HEC-RAS. En el primero de ellos veremos el clculo de regmenes mixtos. Estos son los que contienen una parte del flujo en rgimen lento y otra parte en rgimen rpido. Para este caso el HEC-RAS aplica el mtodo de la energa especfica. En el


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segundo ejemplo veremos la influencia del posicionamiento de los banks de la seccin. En el tercer ejemplo veremos como altera las curvas de remanso la presencia de prdidas por contraccin expansin. El cuarto ejemplo ser un anlisis de sensibilidad respecto a las distancias de interpolacin.

9 PROLEGMENOS, COEFICIENTES Y UNIDADES

Como prolegmeno a la creacin de los ejemplos, primero configuraremos algunos aspectos del programa, para ello basta con abrirlo y dentro de la ventana principal del programa vamos al men: OptionsUnit System (US Customary/SI)

Y dentro de la ventana que aparece seleccionamos sistema internacional, adems de definirlo como sistema por defecto:

Por otra parte en el men:

OptionsDefault ParametersExpansion and Contractions Coef Definimos como parmetros por defecto para la expansin y contraccin los valores 0, 0.

10 EJEMPLO 1, RGIMEN MIXTO:

Como se ha comentado en la introduccin aqu veremos el clculo de regmenes mixtos, y como los aborda el programa HEC-RAS. En primer lugar y como siempre definiremos un nuevo proyecto dentro de alguna carpeta conocida que llamaremos Ejemplo1.prj, como descripcin del proyecto daremos Calculo de rgimen mixto. El siguiente paso es la definicin de la geometra, para ello vamos al editor de geometra y definiremos un nuevo eje con nombre de ro Ro y nombre de tramo Tramo1. Para el trazado del eje nos bastara una lnea recta.

El siguiente paso consiste en introducir las secciones correspondientes al tramo, para ello nos vamos al editor de secciones y seleccionamos el men: Options Add a new Cross Section ...


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Como punto kilomtrico de la primera seccin introducimos el 0, ahora ya podemos introducir los valores correspondientes a esta seccin. La geometra consiste en una seccin de tipo trapezoidal de coordenadas y parmetros:

El siguiente paso consiste en copiar la seccin a la posicin 2000, para ello ejecutamos el

men: Options-->Copy Current Cross Section ...

Y escribimos la nueva posicin 2000 ahora debemos cambiar las distancias hasta la prxima seccin aguas abajo, las nuevas distancias son 2000, 2000 y 2000.

De la misma manera debemos rectificar las cotas de la seccin para introducir la pendiente, para ello desde el men: Options-->Adjust Elevations ...

Subimos 8 metros las cotas, por lo que si la distancia a la seccin siguiente es de 2000 metros la pendiente del tramo es del 4 por mil. Con esta seccin concluida estamos en disposicin de interpolar las restantes secciones del sistema. Para ello cerramos el editor de secciones y volvemos al editor principal de geometra, ahora desde el men:


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Tools-->XS Interpolation-->Within a Reach ...

Llamamos al interpolador de secciones, para la geometra sencilla de este problema basta con este interpolador simple. Interpolamos una seccin cada 20 metros. Podemos ver el perfil del tramo que hemos diseado, para ello desde el editor principal de geometra clicamos sobre el eje del tramo y aparece un men contextual con las siguientes opciones.

De todas ellas seleccionamos Profile Plot y vemos que aparece una nueva ventana con el perfil longitudinal de nuestro tramo.

En esta pantalla si presionamos la tecla control podemos trazar una lnea recta y al soltar la tecla aparece una pantalla con informacin de la lnea trazada, como la pendiente, ahora podemos guardar la geometra con el nombre de Interp 20. El siguiente paso consiste en la


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creacin de las condiciones de contorno, para ello vamos a la ventana principal de HEC-RAS y dentro de ella escogemos la herramienta de editar condiciones de contorno.

Las condiciones que debemos imponer en este caso son rgimen crtico arriba y abajo y un caudal de 100 metros cbicos por segundo. Guardamos el fichero con la descripcin Caudal 100 m3/s. Una vez creadas las condiciones de contorno el siguiente paso es crear el caso o plan. Para ello desde la ventana principal abrimos el editor de plan, dentro de este podemos ver que por defecto se ha seleccionado como fichero de geometra el que hemos creado Interp 20 y como fichero de condiciones de contorno Caudal 100 m3/s, con estos elementos seleccionamos como tipo de rgimen del clculo Mixed. Ahora guardamos el caso con el nombre de Interp 20, Q 100, mixed, el nombre corto I20Q100MIX, ahora podemos presionar el botn Compute de la pantalla.

Para ver los resultados, desde la pantalla principal seleccionamos la herramienta Profile Plot esta herramienta nos muestra un perfil del terreno y la lmina de agua, podemos ver que estamos en un rgimen lento.

0 500 1000 1500 2000 25000

2

4

6

8

10

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Ejemplo 1, Rgimen mixto Plan: Interp 20, Q 100, mixed 14/06/2006

Main Channel Distance (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

WS PF 1

Crit PF 1

Ground

Rio Tramo1

Ahora vamos a analizar la influencia del rgimen, para ello volvemos al editor de plan y

ahora en lugar de rgimen mixed seleccionamos supercritical. Guardamos el plan como Interp 20, Q 100, super, como nombre corto I20Q100SUP. Ahora recalculamos con el botn Compute. Cuando acabe el clculo volvemos a la pantalla plan y ahora seleccionamos subcritical como tipo de rgimen y guardamos como Inter. 20, Q 100, sub, como nombre corto I20Q100SUB y al igual que en el caso anterior lo calculamos. Ahora tenemos calculado el mismo caso en rgimen lento y rgimen rpido, podemos comparar ambos resultados.

Para ello desde la ventana principal de HEC-RAS abrimos la ventana de salida de resultados en perfil Profile Plot. En ella vemos los resultados del ltimo clculo realizado, en este caso en rgimen lento, vemos que el resultado es idntico al obtenido al seleccionar


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mixed, ya que en este caso se trataba de un canal con rgimen normal en lento, podemos superponer a la solucin lenta la obtenida con rgimen rpido. Para ello sobre la pantalla del perfil presionando el botn derecho del ratn aparece un men contextual del que podemos seleccionar la opcin Plans

Entonces nos aparce una lista con todos los plans incluidos en el proyecto, podemos

visualizar simultneamente varios de ellos para comparar los resultados.

Despus de activar el resultado de rgimen rpido y de rgimen lento obtenemos la siguiente imagen:


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400 600 800 1000 1200 1400 1600

2

4

6

8

10

Ejemplo 1, Rgimen mixto Plan: 1) I20Q100SUP 14/06/2006 2) I20Q100SUB 14/06/2006


Ele

vatio

n (m

)

Legend

WS PF 1 - I20Q100SUB

Crit PF 1 - I20Q100SUB

Crit PF 1 - I20Q100SUP

WS PF 1 - I20Q100SUP

Ground

Rio Tramo1

Por lo tanto de cara al clculo en mixed el procedimiento implica el clculo en rgimen lento, rgimen rpido y de ambas soluciones, en cada seccin nos quedamos la de mayor fuerza especfica. En la imagen anterior vemos las dos soluciones, para decidir cual es la vlida podemos ver las fuerzas especficas asociadas a cada una de ellas, para ello desde la ventana principal del HEC-RAS nos vamos a la herramienta View General Profile Plot. Esta ventana nos da los valores de todas las variables calculadas por el programa en nuestro tramo de caudal, son ms de 100, la que nos interesa es la fuerza especfica, para poder visualizarla, situndonos sobre la pantalla presionamos el botn derecho del ratn y en el men que aparece seleccionamos la opcin Plot Variables


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Lo primero que tenemos que hacer es deseleccionar las variables que vienen por defecto, que son las velocidades, para ello en el panel de la derecha basta con que hagamos doble clic sobre los elementos que aparecen, por otra parte en la lista de la izquierda seleccionamos Specific Force.

Ahora al aceptar volveremos a la pantalla y ahora veremos los valores de la fuerza especfica obtenida en HEC-RAS, ahora para poder comparar los valores en rgimen lento y rpido basta con visualizar ambos planes simultneamente, para ello al igual en la pantalla de perfiles, al presionar el botn de la derecha del ratn, en el men contextual seleccionamos plans, y del listado seleccionamos el que corresponde al rgimen rpido y el que corresponde al rgimen lento.


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0 500 1000 1500 2000 250073.50

73.55

73.60

73.65

73.70

73.75

73.80

Ejemplo 1, Rgimen mixto Plan: 1) I20Q100SUP 14/06/2006 2) I20Q100SUB 14/06/2006


Spe

cif F

orce

(m3)

Legend

Specif Force PF 1 - I20Q100SUP

Specif Force PF 1 - I20Q100SUB

Tramo1

Como aparece en la imagen la solucin en rgimen lento (I20Q100SUB) posee mayor fuerza especfica, por lo tanto es la que se queda el modelo como resultado vlido mixed.

11 EJEMPLO 2, INFLUENCIA DE LA POSICION DE LOS BANKS:

En este ejemplo estudiaremos como influye la posicin de los banks en el resultado HEC-RAS. Para grandes caudales de avenida en general los niveles de inundacin son grandes, por lo que el caudal circula ocupando las llanuras de inundacin, sobretodo en cauces de caudales medios bajos, como los que existen en nuestro mbito habitual de trabajo. En este caso la ubicacin exacta de los banks que delimitan las zonas de clculo se hace innecesaria, por otra parte para encauzamientos de geometra ms reducida y acotada si que esta determinacin exacta puede tener influencia ya que en estas estructuras, por ejemplo canales de seccin trapezoidal, el resultado de la lmina de agua debe ser muy similar a la curva de remanso descrita tericamente.

Veremos como un posicionamiento incorrecto de los banks originar un alejamiento del calado normal que debera estar presente en la solucin. Este diferencia de resultados se debe al diferente tratamiento que se aplica sobre las perdidas de energa en funcin de la zona en la que se calcula (channel, overbanks). Los detalles sobre el clculo de rugosidades y prdidas de energa se pueden encontrar en el manual Reference Hydraulic.

Empezaremos como siempre definiendo un nuevo proyecto que llamaremos Ejemplo2.prj, dentro de este proyecto definiremos una nueva geometra que llamaremos Interp 20, en esta geometra definiremos un eje, con un nombre para el ro y para el tramo, asi como dos secciones, la 0 y la 2000 con un 0.4% de pendiente y seccin trapezoidal de taludes 1:4 (H:V), altura 4 metros y ancho de la base inferior de 8 metros, en definitiva una


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geometra idntica a la del problema anterior. Estas secciones al igual que en el ejemplo anterior las interpolamos cada 20 metros. Los banks estn situados en las abscisas 0 y 10 de nuestras secciones. Ahora guardamos esta geometra: FileSave Geometric Data

Para crear la geometra de comparacin primero desinterpolamos, para ello primero abrimos la herramienta de interpolacin a lo largo del tramo, para ello desde la pantalla de edicin de geometra hacemos: ToolsXS InterpoaltionWithin a Reach

De la ventana que aparece, primero seleccionamos Delete Interpolated XSs

Despus de eso cerramos la ventana y nos vamos al editor de secciones y en las dos

secciones originales que hemos introducido modificamos la posicin de los banks (puntos rojos) de las coordenadas 0, 10, a las coordenadas 1, 9. Ahora la nueva imagen de la seccin debe ser:


30

0 2 4 6 8 104

5

6

7

8

9

Ejemplo 1, Rgimen mixto Plan: Interp 20, Q 100, overbanks abajo 15/06/2006

Station (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

Crit PF 1

WS PF 1

Ground

Bank Sta

.02 .02 .02

Donde se aprecia la nueva posicin de los banks en la parte baja de la seccin (puntos

rojos). El siguiente caso ser interpolar secciones cada 20 metros, como en el caso anterior, la nueva geometra la guardamos como Interp 20, Overbanks abajo. Disponemos de las dos geometras para comparar, ahora basta con generar unas condiciones de contorno para ambas, que se tratara de un caudal de 100 m3/s, calado critico abajo y arriba, las condiciones de contorno las podemos guardar con el nombre Q 100 m3/s.

El siguiente caso consistir en crear un plan para cada una de las geometras calculndolas con las condiciones de contorno descritas anteriormente, ambos planes los llamaremos Interp 20, Q 100 y Interp 20, Q 100, Overbanks abajo. Los nombres cortos sern, I20Q100MIX y I20Q100OA, una vez calculados ambos planes dentro del visor de resultados Profile Plot, podemos compara los resultados de ambos plans. Para visualizar ms de un plan al mismo tiempo basta con seleccionar la opcin correspondiente del men contextual que aparece al presionar el botn derecho del ratn sobre la pantalla de resultados (como hemos visto anteriormente) . Para la modificacin de la leyenda basta con escoger del mismo men la opcin Lines and Symbols y dentro de este modificar las visualizaciones de los diferentes elementos, as como su leyenda.


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Una vez modificadas adecuadamente las leyendas como nos interese podemos obtener un resultado visual del tipo:

Vemos en la imagen como la diferencia en los calados obtenidos para las dos posiciones de

los banks llega a algo ms de 30 centmetros, resultando que uno de ellos est en rgimen rpido y el otro en lento, por lo tanto el cambio de posicin a afectado notablemente al


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resultado. Esto se debe fundamentalmente a que el hecho de haber posicionado los banks en la parte inferior de la seccin ha definido las tres zonas de clculo de la seccin, channel y overbanks, por lo tanto las prdidas de energa se han calculado de manera independiente en cada una de las zonas. En las zonas de overbanks o llanuras de inundacin hemos encontrado un radio hidrulico pequeo, lo que origina muchas perdidas de energa en esta zona, sin embargo el caudal es pequeo, en el centro de la seccin el radio hidrulico ha sido mayor, por lo que las prdidas han sido menores y el caudal que circula por ellas mayor. En conjunto las perdidas globales de energa son menores (a igual calado) con los overbanks situados en la parte baja de seccin, definiendo las tres zonas de flujo, esto hace que en rgimen normal los calados sean menores, pero no debemos olvidar que la primera geometra (con los banks arriba) estaba ms acorde con las hiptesis sobre las que se desarrollo la ecuacin de Manning, por lo tanto es ms correcta la primera.

12 EJEMPLO 3, INFLUENCIA DE LOS COEFICIENTES EXPANSIN-CONTRACCIN:

Este ejemplo ser muy similar al anterior pero en lugar de comparar dos geometras con los banks en diferentes posiciones compararemos una geometra con prdidas por contraccin expansin y otra sin ellos. Esencialmente reproduciremos las geometras utilizadas anteriormente, con seccin trapezoidal, pendiente del 0.4%, longitud de tramo de 2000 metros, las diferencias sern que ahora el coeficiente de Manning ser de 0.014, esto nos garantizar que el rgimen ser rpido, adems la interpolacin se realizar cada 10 metros en lugar de 20.


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Cuando hayamos creado esta geometra la guardamos con el nombre Interp 10 y ahora modificamos los coeficientes de expansin-contraccin. Para ello dentro del editor de geometra vamos al men:

TablesContraction and Expansion Coefficients Se nos abre una ventana en la que aparecen las secciones y los coeficientes utilizados en

cada una de ellas, ahora basta con seleccionar cada una de las columnas e introducir el valor que deseemos, en este caso usaremos los que recomienda HEC-RAS por defecto, 0.1/0.3.

Una vez introducidos los nuevos valores para los coeficientes de expansin y contraccin

guardamos esta geometra como Interp 10 Exp-Cont. El siguiente paso consiste en definir las condiciones de contorno, utilizaremos las mismas

de los casos anteriores, es decir calados crticos en los extremos y caudal de 100 m3/s. Ahora por lo tanto bastar con crear dos planes para poder calcular cada una de las geometras con las condiciones de contorno definidas.

Para ello creamos un plan con la geometra Interp 10 y las condiciones de contorno, y otro con la geometra Interp 10, Exp-Cont y las condiciones de contorno, al primero le damos el nombre Interp 10, Q 100, nombre corto I10Q100 y al segundo el nombre Interp 10 Exp-Cont, Q 100 y nombre corto I10Q100C-E, estos nombres siempre deben ser descriptivos porque son los que aparecen en las leyendas de los resultados cuando comparamos.

Una vez calculados ambos plans presentamos los resultados de ambos de la manera descrita anteriormente. Podemos apreciar en el resultado de perfiles, como los correspondientes a la geometra con coeficientes de expansin-contraccin estn distorsionados y son incapaces de reproducir la curva de remanso correspondiente al flujo en la seccin prismtica. Este ejemplo resulta ilustrativo de los errores que pueden aparecer cuando se usan estos coeficientes de perdidas en las geometras inapropiadas. Por lo tanto la conclusin es que cuando las geometras no presentes grandes cambios a lo largo de su desarrollo se hace innecesario utilizar estas prdidas ya que la propia curva de remanso ya incluye las prdidas correspondientes al flujo y no deben introducirse otras.


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0 500 1000 1500 20000

2

4

6

8

10

12

Ejemplo 1, Contraccin-Expansin Plan: 1) I10Q100 14/06/2006 2) I10Q100C-E 14/06/2006


Ele

vatio

n (m

)

Legend

Crit PF 1 - I10Q100

Crit PF 1 - I10Q100C-E

WS PF 1 - I10Q100C-E

WS PF 1 - I10Q100

Ground

Rio Tramo1

13 EJEMPLO 4, ANLISIS DE SENSIBILIDAD

En este ejemplo vamos a ver como tres interpolaciones diferentes dan un resultado similar, para ello partiremos de geometra anteriormente utilizada y guardada como Interp 10. Abrimos esta geometra desde el editor de geometras con el men: FileOpen Geometry Data

Y seleccionamos Interp 10, ahora tenemos cargada la geometra correspondiente a la seccin trapezoidal con interpolacin cada 10 metros y pendiente de 0.4%. Lo que nos queda es deshacer la interpolacin de 10 metros e interpolar a 20 metros, guardar la geometra como Interp 20, deshacer de nuevo la interpolacin y reinterpolar a 40 metros, esta ltima geometra la llamamos Interp 40.

Ahora creamos los plans correspondiente utilizando estas geometras y calculamos los resultados correspondientes a usar las diferentes interpolaciones con las condiciones de contorno anteriores Q 100 m3/s. Al comparar los resultados se aprecia como excepto en las zonas prximas al calado crtico, los valores de los calados y las velocidades resultan muy parecidos, esto se debe a que en estas zonas los errores numricos dependen en gran medida de la distancia de interpolacin.

Podemos ver un detalle de la zona de aguas abajo prxima al calado crtico:


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0 50 100 150

0

1

2

3

4

Ejemplo 1, Anlisis de sensibilidad Plan: 1) I20Q100 15/06/2006 2) I40Q100 15/06/2006 3) I10Q100 15/06/2006


Ele

vatio

n (m

)

Legend

WS PF 1 - I20Q100

WS PF 1 - I40Q100

WS PF 1 - I10Q100

Ground

Rio Tramo1

2. Ejemplos Sencillos de HEC-RAS

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