Herramientas para la gestión de inundaciones. Modelización

Herramientas para la gestión de inundaciones II:

MODELIZACIÓN

José [email protected]

José [email protected]

Seminario Hispano-Marroquí sobre gestión del riesgo de inundaciones (Castellar de la Frontera-Cádiz)

Entre los trabajos definidos por la Directiva de Inundaciones se encuentra la Elaboración de mapas de riesgo de inundación que delimiten y clasifiquen esas zonas según su nivel de riesgo.

La estimación del riesgo se plantea a partir del análisis y combinación de datos teóricos y empíricos con respecto a la probabilidad del peligro identificado, es decir la fuerza e intensidad de ocurrencia; así como el análisis de vulnerabilidad o la capacidad de resistencia de los elementos expuestos al peligro (población, viviendas, infraestructura, etc.), dentro de una determinada área geográfica.

R= P x V

Donde: Peligrosidad de la inundación (P), vulnerabilidad (V) y, consecuentemente, Riesgo generado por la inundación (R), conceptos normalmente expresados en términos de probabilidad.

CARACTERIZACIÓN DE LA INUNDACIÓN

Frecuencia de la inundaciónPeriodo de retorno

Peligrosidad:� Calado� Velocidad� Calado x velocidad

Estudios hidrológicos: caudales de avenida para distintos periodos de retorno

Herramientas de modelización

Estudios hidráulicos: delimitación de zonas inundables, niveles de inundación, velocidad de la corriente

Modelos hidrológicos


Revisión del estado del arte en la modelización hidrológica

CLASIFICACICLASIFICACIÓÓN DE LOS MODELOSN DE LOS MODELOSSegSegúún n su dominio espacialsu dominio espacial

Modelos agregados: Concepción conjunta de la cuencaModelos pseudoagregados: Por subcuencasModelos distribuidos: Por celdas

SegSegúún su fundamento de cn su fundamento de cáálculolculoModelos empíricos: algoritmos de cálculos basados en experienciasModelos físicamente basados: algoritmos de cálculo basados en ecuaciones que representan el fenómeno

físicoModelos mixtos y simplificados parciales

SegSegúún su dominio temporaln su dominio temporalModelos orientados a eventos: una tormenta determinadaModelos de simulación continua: actualizan condiciones iniciales de humedad del terreno

Modelos especialesModelos especialesCon gestión de sedimentosCon módulo de calidad de aguasDe gestión integral de cuenca



Modelos agregados

�No contemplan la variabilidad espacial de los parámetros físicos e hidrológicos�Muy extendidos en el pasado: dificultad de gestionar parámetros distribuidos�Con el desarrollo de los SIG y el incremento de la capacidad de cálculo computacional se tiende a modelos distribuidos

Modelos distribuidos

�Contemplan la variabilidad espacial de los parámetros físicos e hidrológicos�Muy accesibles: herramientas GIS y capacidad de cálculo en desarrollo�Importancia de la disponibilidad y bondad de los datos de partida (pluviometría, rugosidad, NC, etc)



Modelos conceptuales�Basan sus algoritmos de cálculo en expresiones simplificadas que son físicamente admisibles pero no tienen por objeto ser descripciones completas del fenómeno físico�Su adecuación depende de la experiencia y acierto en la adopción de los parámetros descriptivos

Modelos físicamente basados�Incorporan en sus algoritmos de cálculo expresiones que pretenden describir físicamente los fenómenos �Suelen tener un elevado número de parámetros

Un modelo conceptual con parámetros bien conocidos y calibrado puede dar mejores ajustes que uno

físicamente basado del que se desconoce la bondad de sus parámetros (caja negra)

Un modelo conceptual con parámetros bien conocidos y calibrado puede dar mejores ajustes que uno

físicamente basado del que se desconoce la bondad de sus parámetros (caja negra)



Modelos orientados a eventos�Simulan una tormenta determinada�No actualizan las condiciones antecedentes, sino que hay que establecer unas condiciones dadas�Empleados de forma profusa para el diseño de obras: simulación de tormentas sintéticas según teoríaextremal estadística

Modelos simulación continua�Simulación de un periodo de tiempo dado, con intervalos de tiempo seco - lluvia�Deben actualizar las condiciones iniciales entre un evento y otro: estimación de la evapotranspiración�Empleados para modelos de cálculo de aportaciones��Apartado especial:Apartado especial: modelos de gestión de cuenca. Evaluación de recursos



Modelos especiales

�Modelos con gestión de sedimentos: distribuidos y con gran número de parámetros. Normalmente simulación continua

�Modelos con librerías de calidad de aguas: Suelen tener gestión de sedimentos

�Modelos de gestión compleja de cuenca: Incorporar el funcionamiento de las estructuras de regulación dentro de un modelo hidrológico. Suelen ser de simulación continua. Simplificación de las ecuaciones de tránsito de la onda en el cauce.

�Modelos con aguas subterráneas: Incorporan el cálculo de la fase no saturada y saturada. Tienen sentido en simulación continua para caracterizar el ciclo hidrológico completo



Fundamentos de cFundamentos de cáálculolculo

� Módulo meteorológico:Lluvia puntual mediante hietograma sintéticoLluvia distribuida mediante simulación estocástica

� Módulo estimación precipitación efectiva:Métodos empíricos: SCSMétodos conceptuales: Holton (infiltración) y Dunne (saturación)

� Módulo de paso precipitación - escorrentía:Hidrograma unitario: SCS, Clark, SnyderHidrograma geomorfológico

� Módulo de tránsito de onda:Onda dinámicaOnda cinéticaOnda difusiva



Modelos comercialesModelos comerciales



HEC-HMS:

Libre difusión (USACE) Amplísimo universo de usuarios Orientado a eventosSemidistribuidoBasado principalmente en algoritmos de cálculo semiempíricos

Herramientas auxiliaresSIG

HEC-Geo-HMS HYDRO TOOLS


Herramientas auxiliaresSIG


Consideraciones

La precisiLa precisióón de los modelos depende de la bondad de los datos: n de los modelos depende de la bondad de los datos:

� Pluviometría:Red de estaciones pluviométricas que cubran la cuencaSeries históricas suficientemente largas y representativasCurvas intensidad – duración – frecuencia

� Estimación precipitación efectiva:Mapas de usos del sueloMapas litológicos y de permeabilidadMapas de pendientesMapas de umbral de escorrentía


Estaciones AEMETEstaciones AEMETRed histórica: aprox 10.500 estacionesRed actual: aprox 3.400 estaciones

Curvas IDFCurvas IDFInstrucción de drenaje 5.2-IC


MAPA DE UMBRAL MAPA DE UMBRAL DE ESCORRENTDE ESCORRENTÍÍAA

CEDEXCEDEX


Consideraciones

Resulta fundamental calibrar los modelos.Resulta fundamental calibrar los modelos.

Información necesaria para calibrar un modelo hidrológico:

� Registro de la lluvia durante los eventos significativos:Datos de lluvia diaria y horaria. Alguna estaciones automáticas cuentan con registro de lluvia cada 5 minutos.En ausencia de registro horario de lluvia se puede recurrir a la interpretación de imágenes radar

� Registro de caudales circulantes por un punto de control:Estaciones de aforo, marcos de control, secciones singulares, huella del nivel máximos alcanzado por la crecida.


Calibración del modelo HEC-HMSComparación entre hidrogramas

Eveto días 5 y 6 de febrero de 2009

0

5

10

15

20

25

30

35

0 6 12 18 24 30 36 42 48

Tiempo (h)

Cau

dal (

m3/

s)

Calibrado (R. Frío) Registro SAIH (R. Frío) Calibrado (R. Quiebrajano) Registro SAIH (R. Quiebrajano)


REFLECTIVIDAD DBz

12

18

24

30

36

42

48

54

60

66

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Estudio hidráulico del río Iro. Chiclana de la FronteraImagen radar 11.00 h 06/03/2010


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Estudio hidráulico del río Iro. Chiclana de la Frontera

Modelos hidráulicos

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Fuente:C.H. Guadalquivir


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Dominio espacial:

��Modelos unidimensionales 1DModelos unidimensionales 1D: el flujo se propaga preferentemente en el sentido longitudinal del cauce, admitiéndose que la lámina de agua varía de una sección a otra pero se mantiene constante dentro de cada sección: HEC-RAS, MIKE 11, SOBEK 1D

��Modelos Modelos pseudobidimensionalespseudobidimensionales: modelos 1D que incorporan ecuaciones transversales de flujo que permiten la conexión con áreas laterales bajo unas condiciones de contorno dadas: GISPLANA, HEC-RAS, MIKE11

��Modelos Modelos bidimensionales bidimensionales puros 2Dpuros 2D: Son aquellos que resuelven las ecuaciones de la dinámica (continuidad y cantidad de movimiento) en 2 dimensiones. La cota de la lámina de agua en una sección transversal al cauce puede variar según las condiciones de contorno: SOBEK 2D, MIKE 21, Infoworks RS, GUAD FLOW, IBER.

TIPO DE MODELOSTIPO DE MODELOS


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Dominio temporal:

��Modelos Modelos en ren réégimen estacionario: gimen estacionario: Son aquellos en los que el cálculo se realiza sin considerar variaciones en el dominio temporal, esto es, el cálculo constituye una foto fija para la situación de avenida durante el tránsito de un caudal fijo, normalmente el máximo considerado de avenida para unas condiciones dadas de diseño.

��Modelos Modelos en ren réégimen variablegimen variable: Son aquellos en los que se considera la variación temporal en el cálculo, tanto en los parámetros de cálculo como en las condiciones de contorno. Son especialmente sensibles a las condiciones iniciales de cálculo y su estabilidad depende de la robustez de los algoritmos de cálculo empleados.

TIPO DE MODELOSTIPO DE MODELOS


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HECHEC--RASRAS

Modelo 1D con mayor universo de usuariosModelo 1D con mayor universo de usuarios


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Modelo desarrollado por el USACE, como desarrollo del clásico modelo HEC-2.

�Usado para cálculo en régimen permanente en conducciones en lámina libre con cualquier tipo de sección (siempre que sean abiertas).

�Se considera flujo unidimensional y de lecho fijo.

�El modelo presenta un GUI en entorno de Windows que hace que su manejo sea relativamente sencillo. Asimismo, la capacidad gráfica de la salida de datos es suficientemente adecuada.

�En su versión 3.0 incorpora el régimen variable.

�Es el modelo estándar para los estudio de hidráulica fluvial.

�Cuenta con un módulo (HEC-GeoRAS) que permite el proceso y postproceso desde entorno SIG (ArcGIS, ArcView o ArcInfo).

�La comunidad de usuarios es extensa

�Última versión 4.1

�www.hec.usace.army.mil

Modelo 1D con mayor universo de usuariosModelo 1D con mayor universo de usuarios


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Gran potencial enmodelización de puentes y

obras de drenaje


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HEC Geo Ras. Pre-proceso y Post-proceso


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Pre-proceso y Post-proceso, no hace mucho tiempo….


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Limitaciones

Rambla de Molvízar, Río Guadalfeo (Granada)


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Modelos utilizados por TYPSA

3 licencias

1 licencias

Libre


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� Diseñado para el estudio de flujos en ríos o canales e ideal para el análisis de planas de inundación.

� Combinación del modelo uni-dimensional SOBEK-Rural y el modelo bidimensionalDelft-FLS.

� El sistema de cálculo es muy estable y es capaz de simular ambos flujos subcríticos y supercríticos.

� Puede simular flujo sobre un lecho inicialmente seco. El modelo es estable ante la simulación de la alternancia de periodos secos y húmedos así como en el análisis hidrodinámico en aguas poco profundas.


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Posibilidad de realizar cálculos acoplados 1D-2D o cálculos 2D puros:�1D definido a partir de secciones transversales (de forma similar a como se realiza en el HEC-RAS)�2D mediante un MDT

Malla estructurada regular cuadradaPermite mallas anidadas con distinto tamaño


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Posibilidad de modelar múltiples elementos, tanto en 1D como en el 2D


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Ventajas:

�Cercano al funcionamiento real: primero se llena la zona de cauce y luego se produce el desbordamiento a las llanuras de inundación.

�Facilita la incorporación de estructuras transversales: azudes, compuertas, aforos, etc. que pueden resolverse en el dominio 1D.

�Interface intuitiva y fácil de usar. Permite importar 1D de HEC-RAS

�Facilita la integración de otros módulos de cálculo: calidad, drenaje urbano, etc.

�Salida de resultados muy completa


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Inconvenientes:

�El motor de cálculo utiliza un solo procesador. Tiempo de cálculo poco eficiente

�Solo admite mallas estructuradas tipo cuadrangular, limitante para representar el cauce en cálculos 2D puros.

�Cierta complejidad para montar mallas anidadas.

�No representa zona inundable 1D

�Funciona bajo licencia.

SOBEK

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� Infoworks RS es un modelo bi-dimensional puro orientado al cálculo en lámina libre en medios fluviales y canales.

� Lanzado al mercado en 2002. Adaptado a las nuevas necesidades del mercado (cálculo bidimensional, conectividad con GIS y LiDAR, etc).

� Permite acoplamiento con redes 1D, así como la integración de elementos en 1D independientes, como diques, puentes, culverts, etc. lo que le hace ser una potente herramienta de análisis para estudios en medios fluviales.

� Capacidad de procesar en paralelo, lo que le hace especialmente atractivo para la realización de estudios que incluyan amplias zonas de cálculo (más de medio millón de celdas).

� La posibilidad de aprovechar al máximo la capacidad de cálculo de procesadores de gran capacidad permite disminuir el tiempo de cálculo de forma sustancial, lo que supone un gran valor añadido para modelos hidrodinámicos de gran extensión o de muy detallado paso de celda.

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Rotura de presa Compuertas radiales Compuertas verticales

Puente arcoPuente US BPR Vertedero de sifón

Bombas, obras de drenaje, orificios, pérdidas de carga general, vertedero con compuertas, vertedero de pared delgada, vertedero de pared gruesa, vertedero teórico, vertedero crump, conductos circulares, conductos en arco, conductos rectangulares,…..

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Puntos fuertes:

�El modelo digital del terreno y el mallado del mismo es magnífico.

�Total facilidad para modelar superficies complejas, basta con dibujar en CAD 3D. En combinación conAutoCAD MDT o GIS se pueden modelar rápidamente carreteras, canales, cauces 3D, aliviaderos.

�Mallado flexible, permite mallar zonas con triángulos de diferentes tamaños con facilidad.

�Robustez del modelo en 2D PUROS .

�Facilidad para incluir gran cantidad de elementos como muros, edificios, compuertas, orificios, puentes, etc.

�Interfaz intuitiva y fácil de manejar. El programa muestra lo que está haciendo en cada momento, por lo que es fácil detectar y corregir errores.

�Destacable el visor 3D del terreno, es increíble lo bien que se ve el MDT y, por tanto, es muy fácil detectar futuros fallos del programa.

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Puntos débiles:

�Acoplamiento 1D/2D. No están superpuestos como en SOBEK. Cada uno ocupa su espacio propio y se conectan mediante elementos tipo vertedero lateral, lo cual hace que la interfaz entre uno y otro sea sumamente delicada y sensible.

�En casos complejos el acoplamiento 1D/2D se vuelve excesivamente complejo, lo que obliga a optar por hacer modelos 2D puros con un mallado del cauce pequeño.

�Modelar una gran longitud de cauce en 2D puro se hace computacionalmente casi inviable por el elevado número de celdas necesarias para modelar el cauce.

�Funciona bajo licencia

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El modelo IBER es un modelo matemático bidimensional para la simulación de flujos en ríos y estuarios promovido por el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX en el marco de un Convenio de Colaboración suscrito entre el CEDEX y la Dirección General del Agua.

En la Web www.iberaula.es se pueden consultar todas las características y especificaciones técnicas de esta herramienta, de las cuales se podrían resaltar los siguientes:

La herramienta se ha desarrollado sobre la base de tres pilares fundamentales :

�Desarrollada desde la administración pública españo la para cubrir las necesidades técnicas de los Organismos de Cuenca españoles, especialmente en la aplicación de la legislación sectorial vigente en materia de aguas.

�Es una herramienta viva y en continuo crecimiento . Existe un mantenimiento activo y una política de comunicación con los usuarios que permite solventar las incidencias de funcionamiento e incrementar y mejorar su funcionalidad.

�Es una herramienta de libre difusión .

El modelo IBER consta de diferentes módulos de cálculo acoplados entre si:

�Módulo hidrodinámico .

�Módulo de turbulencia.

�Módulo de transporte de sedimentos por carga de fondo y por carga en suspensión.

�Módulo para la formación de brechas en presas .

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Una de las grandes ventajas de IBER es su capacidad para trabajar con cualquier tipo de malla, sean regulares, irregulares, triángulos, cuadrados, rectángulos, etc, así como la facilidad para generar dichas mallas.

Dispones de los siguientes métodos de generación de mallas:

�Mallas estructuradas.

�Malla de triángulos irregulares generada con error cordal.

�Malla de triángulos rectángulos equiláteros o RTIN (Rectangular Triangulated Irregular Network), generada con error cordal.

�Malla regular con todos los puntos del MDT (Modelo Digital del Terreno).

�Importación de mallas generadas con SMS (formato .2dm).

Para los estudios de inundabilidad desarrollados a partir de cartografía LiDAR resulta especialmente práctico el mallado de triángulos irregulares, ya que permite una adecuada caracterización del cauce de aguas bajas y planas de inundación, optimizando en cada caso el tamaño de las celdas.

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Muy intuitiva y de fácil manejo , las condiciones de contorno e iniciales, así como la mayor parte de parámetros de entrada se pueden asignar tanto sobre la geometría, como sobre la malla. Las condiciones asignadas sobre la geometría se traspasan a la malla al crearla.

Posibilidad de trabajar con procesadores multinúcleo , lo que representa una indudable ventaja a la hora de optimizar los tiempos de cálculo.

El módulo de postproceso del programa IBER dispone de múltiples posibilidades para visualizar resultados y generar informes a partir de los mismos, entre los que podemos destacar, por su aplicación al presente Estudio, la generación de mapas de calados y velocidad de la corriente en formato SIG, los cuales se adjuntan a continuación:

�Visualización de campos 2D escalares y vectoriales.

�Extracción de secciones y perfiles longitudinales.

�Visualización de resultados temporales mientras se ejecuta la simulación.

�Visualización de zonas de riesgo según Reglamento del Dominio Público Hidráulico.

�Visualización de zonas inundables y frentes seco-mojado no estacionarios.

�Herramientas para la visualización de los resultados en formato SIG.

�Exportación de resultados en formato ráster para ser visualizados directamente en entornos SIG.

�Visualización de resultados sobre imágenes georreferenciadas.

�Creación de videos con animación de resultados no estacionarios

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Puntos fuertes:

�Gran potencia de mallado

�Estabilidad de cálculo

�Herramienta adaptada a las necesidades de la administración hidráulica

�Gran salida de resultados

�Mejora continua

�Herramienta de libre difusión

Puntos débiles:

�Tramos fluviales relativamente grandes requieren de mucho tiempo de cálculo

�Requiere de máquinas con gran potencia de cálculo

�Dificultad para modelar puentes, obras de drenaje y otros elementos.

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� Los modelos hidráulicos unidimensionales serán de aplicación en las situaciones en las que la componente transversal de la velocidad sea nula o d espreciable .

� Los modelos hidráulicos unidimensionales presentan la ventaja, con respecto a los modelos hidráulicos bidimensionales, de una mayor rapidez de computación . Esto facilita enormemente el procedimiento de calibración de los parámetros del modelo.

� El uso de modelos bidimensionales se hace indispensable en zonas en las que ambas componentes de la velocidad , en el sentido de flujo y en el sentido transversal, tienen un peso importante. Estas circunstancias suelen darse en grandes llanuras aluviales o zonas en las que se producen desbordamientos laterales de importancia.

� Los modelos hidráulicos bidimensionales deben ser capaces de resolver situaciones de cambio de régimen hidráulico, deben permitir la definición de condiciones de contorno internas en aquellas zonas en las que sean necesarias, como, por ejemplo, en zonas de desbordamientos laterales por terraplenes de vías de comunicación, puentes y azudes, así como la importación y exportación de datos a un formato compatible con los sistemas de información geográfica (SIG).

Recomendaciones

Algo sobre nuestra experiencia

Ámbito de estudio en fase previa

Trabajos realizados por TYPSA en AndalucTrabajos realizados por TYPSA en Andalucííaa

� Estudio hidráulico para la prevención de inundaciones y la

ordenación de las cuencas de La Janda

� Estudio hidráulico para la ordenación de las cuencas del litoral

de Granada

� Estudio hidráulico para la ordenación de las cuencas del

Levante almeriense

� Estudio hidráulico para la ordenación integral de la cuenca baja

del río Palmones

Trabajos realizados por TYPSA en AndalucTrabajos realizados por TYPSA en Andalucííaa

TYPSA en ValenciaTYPSA en Valencia

PROYECTO DE ADECUACIÓN MEDIOAMBIENTAL Y DRENAJE DE LA CUENCA DEL POYO VERTIENTE A LA ALBUFERA

�Ámbito: sur de Valencia�11 términos municipales afectados directamente.�32 municipios involucrados�Presupuesto: 2.205.444,95 €�2008-2011

TYPSA en El SalvadorTYPSA en El Salvador

Plan Nacional de Gestión Integrada del Recurso Hídrico.

�Diagnóstico de riesgo por inundación. �Estimación de zonas inundables�111 modelos

Bueno

Regular

Mala

Muy malo

SOBEK INFOWORKS IBER

Tiempo de cálculoLas s olucione s 1D2D me joran e l

re ndimie nto re s cpe cto a las 2D puras . S olo utiliza 1 proce s ador

Cálculos e n parale loEle cción de l núme ro de proce s adore s .

Ele cción de l e s que ma numé rico

MalladoS olo ma lla e s tructurada cuadrada .

Dificultad pa ra monta r ma lla s anidadas P oco viable mode la r cauces de aguas ba ja s

Facilidad para mallar utilizando he rramie ntas de dis e ño. Mallados de

dis tintos tamaños

Dis tintos tipo de mallado. Gran facilidad y rápide z para cons truir las

mallas

Conexión módulo s 1D-2DMuy bue na. Re come ndable

s olucione s 1D 2DComple ja No dis ponible

Es truc turas s ingulare s Muy ponte nte Muy pote nteMe diante proce dimie ntos

s implificados . La ve rs ión 2,01 incorpora alcantarillas (s in probobar)

Salida de re s ultadosMapas de calados y velocidad aceptables, dependiendo del tamaño de la malla.

No define zona inundada en cauceMuy bue na Muy bue na

Inte rface . Fac ilidad para c ons truir e l mode lo

Bie n e s tructurada y fácil de s e guir, aunque algo obs ole ta

Muy bue na. Facilita la de te cción de e rrore s

Muy bue na.

Cos te Bajo lice ncia Bajo lice ncia Libre difus ión

Conclusiones:Conclusiones:

�Existe una gran diversidad de modelos hidrológicos e hidráulicos en el mercado�El universo de usuarios de modelos, por razones obvias, tiende hacia los modelos de libre difusión�Los modelos comerciales aportan soluciones específicas a problemáticas concretas. El coste de estos modelos no es un problema infranqueable para las ingenierías de referencia.�Los resultados de los modelos dependen fundamentalmente de la bondad de los datos de partida. Sin datos no hay modelo.�Hay que calibrar los modelos. Para calibrar los modelos hay que contar con registro de eventos y hay que hacer seguimiento de los mismos.�Se está generalizando el uso de modelos bidimensionales, pero los modelos unidimensionales seguirán estando vigentes, ya que son más eficaces en los casos en que la componente principal del flujo es unidimensional.

José Delgado Cáceres

Dpto. Ingeniería del Agua

Dirección Territorial de TYPSA en Andalucí[email protected]

«Nadie cree en los resultados de un modelo, excepto el que hizo el modelo; todos creen en los datos medidos, excepto el que realizó la medición»P.J. Roache

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Muchas gracias por su atención

Herramientas para la gestión de inundaciones. Modelización

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