Introducción a HEC-RAS

Bienvenido al Sistema de Análisis de Ríos del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos (HEC-RAS) desarrollado por el Centro de Ingeniería Hidrológica. Este software le permite realizar cálculos unidimensionales de flujo constante, uno y dos dimensiones de flujo inestable, cálculos de transporte de sedimentos/lecho móvil y modelado de temperatura y calidad del agua.

El sistema de modelado HEC-RAS se desarrolló como parte del software de ingeniería Hidrológica “Next Generation” (NexGen) del Centro de Ingeniería Hidrológica. El proyecto NexGen abarca varios aspectos de la ingeniería hidrológica, que incluyen: análisis de escorrentía de lluvias( HEC-HMS); hidráulica fluvial (HEC-RAS); simulación de sistemas de embalses (HEC-ResSim); análisis de daños por inundaciones (HEC-FDA y HEC-FIA); y pronóstico de ríos en tiempo real para operaciones de embalses (CWMS).

Este capítulo analiza la filosofía general de HEC-RAS y ofrece una breve descripción de las capacidades del sistema de modelado. Se discute la documentación para HEC-RAS, así como una descripción general de este manual.

Filosofía general del Sistema de Modelado

HEC-RAS es un sistema integrado de software, diseñado para uso interactivo en un entorno multitarea. El sistema se compone de una interfaz gráfica de usuario (GUI), componentes de análisis separados, capacidades de almacenamiento y gestión de datos, gráficos, mapas e instalaciones de generación de informes.

El sistema HEC-RAS contiene los siguientes componentes de análisis de ríos para: (1) cálculos de perfiles de superficie de agua de flujo constante unidimensional; (2) simulación de flujo inestable unidimensional y/o bidimensional; 3) Cálculos de transporte de sedimentos móviles de límites de flujo casi inestable o totalmente inestable (1D y 2D); y 4) análisis unidimensional de la calidad del agua. Un elemento clave es que los cuatro componentes utilizan una representación de datos geométricos comunes y rutinas de cálculo geométricas e hidráulicas comunes. Además de los cuatro componentes de análisis de ríos, el sistema contiene varias características de diseño hidráulico que se pueden invocar una vez que se calculan los perfiles de la superficie del agua. HEC-RAS también tiene un extenso sistema de integración y mapeo de datos espaciales (HEC-RAS Mapper).

Descripción general de las capacidades del programa

HEC-RAS está diseñado para realizar cálculos hidráulicos unidimensionales y bidimensionales para una red completa de canales naturales y construidos, áreas de planicie aluvial/aluvial, áreas protegidas de diques, etc. La siguiente es una descripción de las principales capacidades de HEC-RAS.

Interfaz de usuario

El usuario interactúa con HEC-RAS a través de una interfaz gráfica de usuario (GUI). El objetivo principal en el diseño de la interfaz era facilitar el uso del software, manteniendo al mismo tiempo un alto nivel de eficiencia para el usuario. La interfaz proporciona las siguientes funciones:

• Gestión de archivos
• Entrada/edición de datos e interfaces de datos geoespaciales
• Análisis de ríos
• Tabulación y visualización gráfica de datos de entrada y salida
• Mapeo de inundaciones y animaciones de propagación de agua
• Instalaciones de informes
• Ayuda en línea

Componentes de Análisis de Ríos

• Perfiles de Superficie de Agua de Flujo Constante. Este componente del sistema de modelado está diseñado para calcular perfiles de superficie de agua para un flujo constante y variado gradualmente. El sistema puede manejar una red completa de canales, un sistema dendrítico o un solo alcance fluvial. El componente de flujo constante es capaz de modelar perfiles de superficie de agua subcríticos, supercríticos y de régimen de flujo mixto.
  El procedimiento computacional básico se basa en la solución de la ecuación de energía unidimensional. Las pérdidas de energía se evalúan por fricción (ecuación de Manning) y contracción/expansión (coeficiente multiplicado por el cambio en la cabeza de velocidad). La ecuación de momento se utiliza en situaciones en las que el perfil de la superficie del agua varía rápidamente. Estas situaciones incluyen cálculos de régimen de flujo mixto (es decir, saltos hidráulicos), hidráulica de puentes y evaluación de perfiles en confluencias de ríos (uniones de arroyos).
  Los efectos de varias obstrucciones como puentes, alcantarillas, presas, vertederos y otras estructuras en la llanura de inundación pueden considerarse en los cálculos. El sistema de flujo constante está diseñado para su aplicación en el manejo de planicies de inundación y estudios de seguros de inundación para evaluar las invasiones de avenidas. Además, hay capacidades disponibles para evaluar el cambio en los perfiles de la superficie del agua debido a modificaciones de canales y diques.
  Las características especiales del componente de flujo constante incluyen: análisis de planos múltiples, cálculos de perfiles múltiples, análisis de apertura de puentes y/o alcantarillas múltiples, análisis de barrido de puentes, optimización de flujo dividido y diseño y análisis de canales estables.
• Simulación de Flujo Inestable. Este componente del sistema de modelado HEC-RAS es capaz de simular flujos inestables unidimensionales, bidimensionales y combinados uno/dos dimensiones a través de una red completa de canales abiertos, llanuras aluviales y ventiladores aluviales. El componente de flujo inestable se puede utilizar para realizar cálculos subcríticos, supercríticos y de régimen de flujo mixto (subcríticos, supercríticos, saltos hidráulicos y reducciones) en el módulo de cálculos de flujo inestable.
  Los cálculos hidráulicos para secciones transversales, puentes, alcantarillas y otras estructuras hidráulicas que se desarrollaron para el componente de flujo constante se incorporaron al módulo de flujo inestable.
  Las características especiales del componente de flujo inestable incluyen: amplias capacidades de estructura hidráulica Análisis de rotura de presas; rotura y rebose de diques; Estaciones de bombeo; operaciones de presa de navegación; sistemas de tuberías presurizadas; funciones de calibración automatizadas; reglas definidas por el usuario; y modelado de flujo inestable de una y dos dimensiones combinadas.
• Cálculos de Transporte de Sedimentos/Límites Móviles. Este componente del sistema de modelado está destinado a la simulación de cálculos de límites móviles y de transporte de sedimentos unidimensionales y bidimensionales resultantes del barrido y la deposición durante períodos de tiempo moderados a largos.
  El potencial de transporte de sedimentos se calcula por fracción de tamaño de grano, lo que permite simular la clasificación hidráulica y el blindaje. Las características principales incluyen la capacidad de modelar una red completa de arroyos, dragado de canales, diversas alternativas de dique e invasión, y el uso de varias ecuaciones diferentes para el cálculo del transporte de sedimentos.
  El modelo está diseñado para simular tendencias a largo plazo de socavación y deposición en un canal de corriente que podrían resultar de la modificación de la frecuencia y duración de la descarga y etapa de agua, o de la modificación de la geometría del canal. Este sistema se puede utilizar para evaluar la deposición en depósitos, diseñar las contracciones de canales necesarias para mantener las profundidades de navegación, predecir la influencia del dragado en la velocidad de deposición, estimar el máximo posible de barrido durante grandes inundaciones y evaluar la sedimentación en canales fijos.
• Análisis de la Calidad del Agua. Este componente del sistema de modelado está destinado a permitir al usuario realizar análisis de la calidad del agua fluvial. La versión actual de HEC-RAS puede realizar análisis detallados de temperatura y transporte de un número limitado de componentes de calidad del agua (Algas, Oxígeno Disuelto, Demanda Biológica de Oxígeno Carbonaceuos, Ortofosfato Disuelto, Fósforo Orgánico Disuelto, Nitrato de Amonio Disuelto, Nitrito de Nitrógeno Disuelto, Nitrato de Nitrógeno Disuelto y Nitrógeno Orgánico Disuelto). Las versiones futuras del software incluirán la capacidad de transportar varios componentes adicionales de calidad del agua.

Almacenamiento y Gestión de datos

El almacenamiento de datos se realiza utilizando archivos “planos” (ASCII y binarios), el HEC-DSS (Sistema de Almacenamiento de Datos) y HDF5 (Formato de datos jerárquico, versión 5). Los datos de entrada de los usuarios se almacenan en archivos planos en categorías separadas de proyecto, plano, geometría, flujo constante, flujo inestable, flujo cuasi constante, datos de sedimentos e información sobre la calidad del agua. Los datos de salida se almacenan predominantemente en archivos binarios separados (HEC y HDF5). Los datos se pueden transferir entre HEC-RAS y otros programas utilizando el HEC-DSS.
La gestión de datos se realiza a través de la interfaz de usuario. Se solicita al modelador que introduzca un único nombre de archivo para el proyecto que se está desarrollando. Una vez que se introduce el nombre de archivo del proyecto, todos los demás archivos se crean automáticamente y la interfaz los nombra según sea necesario. La interfaz permite renombrar, mover y eliminar archivos proyecto por proyecto.

Gráficos, Mapeo de inundaciones e Informes

Los gráficos incluyen gráficos X-Y del esquema del sistema fluvial, secciones transversales, perfiles, curvas de clasificación, hidrogramas y mapeo de inundaciones. Una gráfica tridimensional del terreno y muchos de los resultados de la simulación ya están disponibles. El mapeo de inundaciones se realiza en la parte del mapeador HEC-RAS del software. Los mapas de inundación también pueden ser animados, y contienen múltiples capas de fondo (terreno, fotografía aérea, etc.). La salida tabular está disponible. Los usuarios pueden seleccionar de tablas predefinidas o desarrollar sus propias tablas personalizadas. Toda la salida gráfica y tabular se puede mostrar en la pantalla, enviar directamente a una impresora (o plotter), o pasar a través del Portapapeles de Windows a otro software, como un procesador de textos o una hoja de cálculo.
Las instalaciones de generación de informes permiten la salida impresa de datos de entrada, así como de datos de salida. Los informes se pueden personalizar en cuanto a la cantidad y el tipo de información deseada.

Documentación de HEC-RAS

El paquete de HEC-RAS incluye varios documentos. Cada documento está diseñado para ayudar al modelador a aprender a usar un aspecto particular del sistema de modelado. Hay tres documentos principales:

Descripción general de este Manual

Este manual de usuario es la documentación principal sobre cómo usar el sistema HEC-RAS. El manual está organizado de la siguiente manera:

• Los capítulos 1 y 2 proporcionan una introducción y una descripción general de HEC-RAS, así como instrucciones sobre cómo instalar el software.
• Los capítulos 3 y 4 describen cómo usar el software HEC-RAS desde una perspectiva general. También se explica cómo funciona este sistema con los proyectos, incluida la definición de todos los tipos de archivos que se utilizan.
• El capítulo 5 explica cómo introducir y editar datos geométricos para representar el río, la llanura inundable y las estructuras hidráulicas.
• Los capítulos 6 y 7 explican en detalle cómo realizar los diferentes tipos de análisis hidráulicos disponibles, como el modelado de flujo constante 1D y el Modelado de flujo inestable 1D
• El capítulo 8 proporciona discusiones detalladas sobre cómo ver la salida gráfica y tabular, así como cómo desarrollar tablas definidas por el usuario.
• El capítulo 9 describe cómo realizar un análisis de intrusión de avenidas.
• El Capítulo 10 proporciona discusiones sobre la “Solución de problemas” y la comprensión de los Errores, Advertencias y Notas más comunes.
• El capítulo 11 describe cómo realizar cálculos de barrido de puentes desde HEC-RAS.
• El capítulo 12 describe cómo realizar modificaciones de canal dentro de HEC-RAS.
• En el capítulo 13 se describe cómo utilizar las Funciones de Diseño Hidráulico en HEC-RAS para realizar el diseño y análisis de canales estables, así como cálculos de potencial de transporte de sedimentos y dimensionamiento rip rap.
• El Capítulo 14 contiene temas sobre los usos avanzados de las capacidades de simulación de flujo inestable, que incluyen: régimen de flujo mixto para flujo inestable; análisis de rotura de presas; rebose y ruptura de diques; modelado de estaciones de bombeo; presas de navegación y reglas definidas por el usuario para controlar las operaciones de compuerta.
• El apéndice A contiene una lista de referencias.
• El apéndice B contiene una descripción detallada de los formatos de archivo utilizados para importar y exportar datos SIG hacia y desde HEC-RAS.
• El apéndice C contiene una descripción de todas las variables de salida disponibles en el programa HEC-RAS.
• El apéndice D explica cómo importar datos HEC – 2 a HEC-RAS