Desarrollos recientes en la modelización numérica en ríos ... · 3.Desarrollos de interfaz...

Desarrollos recientes en la modelización numérica en ríos mediante Iber

1.Introducción a Iber

2.Nuevos módulos hidráulicos

3.Desarrollos de interfaz

4.Integración con hidrología

- desarrollos implementados

- en proceso de validación

5.Calidad de aguas

6.Líneas actuales

Introducción

Iber es una herramienta de simulación bidimensional del flujo en ríos y estuarios

(GiD)

(CARPA)

(Turbillón)

TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

Carga en suspensión

Carga de fondo

HIDRODINÁMICA

Velocidad

Tirante

TURBULENCIA

Viscosidad turbulenta

Energía turbulenta y disipación

Módulos de cálculo básicos

Introducción

Ecuaciones (hidráulica): aguas someras 2D

Conservación de la masa

Conservación de la cantidad de movimiento

Resolución numérica: volúmenes finitos

Esquema descentrado (Roe)

Malla irregular

t

U F H

iV

,2in

,1in

,4in

,3in

y

x

Introducción

Resultados principales:

Evolución del tirante

Evolución del caudal

Otros resultados hidrodinámicos:

velocidad, tensión de fondo, Nº de

Froude, peligrosidad capacidad de

arrastre, valores máximos…

Introducción

Interfaz: GiD (www.gidhome.com)

Preproceso

Postproceso

Introducción

Visualización de resultados

Introducción

Módulos adicionales:

Puentes, compuertas, vertederos, obras de drenaje

Efecto del viento

Transporte de sedimentos (fondo y suspensión)

Hidrología: Lluvia, pérdidas

Otros resultados :

velocidad, tensión de fondo, Nº de Froude, peligrosidad, capacidad de

arrastre, valores máximos, caudal sólido. Concentración, erosión,

sedimentación, viscosidad turbulenta, energía cinética turbulenta,…

Introducción

Introducción

Capacidad de arrastre (diámetro crítico)

Número de Froude







5.Calidad de aguas

6.Líneas actuales

Tramos a presión: Ranura de Preissman

Nuevas capacidades hidrodinámicas

• Ecuaciones del flujo en lámina libre

• Velocidad y pérdidas cómo en flujo a presión

• Celeridad de la onda en función del ancho de ranura

• Si existe flujo por superficie, igual velocidad abajo que

arriba (!)

Tramos a presión: Ranura de Preissman

Nuevas capacidades hidrodinámicas







5.Calidad de aguas

6.Líneas actuales

zu

zdz0u

z0d

I

L

B

H

D

Sección rectangular

Sección circular

Q=1

n∙ A ∙ Rh

2/3 ∙ I1/2

Q

Culverts o alcantarillas

Desarrollos de interfaz - preproceso

Culverts o alcantarillas


Puentes: menú específico


Roturas de presas

El inicio de la brecha puede darse por:• Tiempo: instante de tiempo de la simulación• Cota: altura de agua referenciada sobre z = 0 metros


Roturas encadenadas


Estructuras en malla:• Diques• Puentes


Nuevo dique:




Valor cota superior puente

Facilitar el mallado para RTIN:

Tabla caudal líquido – caudal sólido para condición de contorno de transporte de sedimentos


Fuentes y sumideros:


Desarrollos de interfaz - postproceso

Nuevas opciones de análisis de resultados:

Acceso a salida en formato raster

Creación de secciones y perfiles

Obtención automática de secciones y perfiles de máximos

Gráfica de lámina en sección o perfil en un instante

Hidrogramas

Geometría actual

Geometría

propuesta

Cota de agua (actual)

Cota de agua (propuesta)

Comparación de hidrogramas


Superpósición y cálculo de gráficas







5.Calidad de aguas

6.Líneas actuales

Hidrología – v 2.0.2.

Situación a julio de 2013:

Nuevos desarrollos::• Método de secado• Relleno de depresiones

Si Velemento<Dt·Sqsalida t· t·+Dt·

• Secado normal: calado negativo(inestabilidades si h pequeño)

• Secado estricto: reducción Dt

(aumento tiempo de cálculo)

• Secado hidrológico: reducción caudal de salida del elemento(Tiempo de cálculo aumenta menos)


Secado hidrológico:

ewd

ewd

h<0

0<h<ewd

h=0

ewd

𝑄′𝑜𝑢𝑡 =

𝑉𝑜𝑙

∆𝑡


Relleno de depresiones:

Las zonas deprimidas de la malla se rellenan para evitar acumulaciones de agua (‘Fill sinks’)


Relleno de depresiones. Sin relleno:


Relleno de depresiones. Con relleno


Peñitas, con secado hidrológico y relleno de depresiones

Hidrología – próxima versión

Lluvia móvil

Lectura de intensidad de lluvia a partir de serie temporal de archivos en formato raster


Lluvia móvil


Algunas veces se observan inestabilidades

Especialmente para caudales bajos


Esquema desacoplado. EcuacionesEcuaciones estándar:

Juntando término gravitatorio con pendiente de fondo:

yxS

2b,2 b

x x x y

2b,2 b

y x y y

hUhUhM

t x y

τzhU hU hU U gh

t x 2 y x

τzhU hU U hU gh

t x y 2 y

x

y

hg

hg

yxS

2x y b,sx x

2

y x y y b,s

hUhUhM

t x y

hU U τzhU hUgh

t x y x

hU hU U hU τzgh

t x y y

x

y


Esquema desacoplado. Esquema numérico

Discretización centrada para la pendiente de la lámina de aguaRedefinición flujo numérico y discretización descentrada:

yxS

2x y b,sx x

2

y x y y b,s

hUhUhM

t x y

hU U τzhU hUgh

t x y x

hU hU U hU τzgh

t x y y

x

y

1

22

2

3

ij x x y y

x yxij x y

x y y

ij x y

F q n q n

q qqF n n

h h

q q qF n n

h h

1 1

2 2

, ,

3 3

, ,

0 0

ij ij i ij ij j

ij ij x i ij ij ij x j ij

ij ij y i ij ij y j

F h F h

F q if F q if

F q F q

ij x x y y ijU n U n

i

jFij


Esquema desacoplado

• Esquema mucho mas simple, y eficiente en tiempo de cálculo

• Sin inestabilidades• Poco preciso para patrones hidráulicos complejos







5.Calidad de aguas

6.Líneas actuales

Calidad de aguas

Objetivos de un modelo de calidad

Herramienta para estudiar la evolución de la contaminación

provocada por vertidos urbanos o industriales en el medio receptor

Toma de decisiones ante vertidos

accidentales.

Definición de medidas de actuación en

caso de accidente y gestión de

accidentes en tiempo real

Diseño de saneamientos basados

en la protección del medio receptor

Comprobar y dimensionar redes de

saneamiento dando cumplimiento a la

legislación de calidad de aguas

TEMPERATURA

HIDRODINÁMICA

TURBULENCIA

CALIDAD DE AGUAS

SALINIDAD

Relación con otros módulos de cálculo

Oxígeno disuelto, Cíclo del nitrógeno, DBO, Coliformes

Calidad de aguas

y d,yd,xxC

h U C FF h U C h C S h

t x y x y

Ecuación de transporte por convección-difusión 2D (promediada en profundidad)

AdvecciónDifusión

Dispersión

Turbulencia

Oleaje

Corrientes secundarias

Reacción

Corrientes

Concentración

Hidrodinámica 2D

Modelo turbulencia

Modelo oleaje

6 ecuaciones adicionales: Tª, S, OD, DBO, N, CF

Calidad de aguas

Nitrógeno orgánico

Oxígeno disuelto

Nitratos

Amonio

Temperatura

DBOC

Temperatura

Patógenos

Biodegradación

Amonificación

Nitrificación

Desnitrificación

Reaireación

Demanda de

oxígeno por el

sedimento

Sedimentación

Sedimentación

Salinidad

RadiaciónMuerte

Turbidez

Salinidad

Temperatura

Relación entre distintos términos de reacción

Calidad de aguas

• Impuesta por el usuario (serie temporal)

• Calculada mediante ecuación de conservación

Temperatura

yxe T

j j

hU T hU T hT ThΓ S

t x y x x

T rad,in rad,out cond evap

w pw

1S Q Q Q Q

C

Qrad,in Radiación solar neta de onda corta

Radiación atmosférica neta de onda larga

Qrad,out Radiación de onda larga emitida por el agua

Qcond Flujo de calor por conducción

Qevap Flujo de calor por evaporación/condensación

radiación total (W/m2)

Tagua

Tagua + Taire + viento

Tagua + Taire + viento + humedad

Calidad de aguas

Temperatura

solar inc t cq =q a a (1 - albedo) (1 - sombra)

48

atm aire aireq 11,7 10 T 0,6 + 0,031 e 0,97

8 4

br aguaq 0.97 11.7 10 T

2

cond viento7m agua aireq 0.47 (19 0.95 v ) T -T

2

evap viento,7m agua aireq = (19 + 0.95 v ) (e - e )

agua

agua

17.27(T -273)

237.3+(T -273)

agua e = 4.596 e

0.15

viento,z viento,zw

w

zv = v

z

17.27( 273)

237.3 ( 273)

sat,airee 4,596

aire

aire

T

Te

aire sat,airee =e humedad

B

dAlbedo = A α2

c La = 1 - 0.65 C

fac-n (0.128-0.054 log m) m

ta e

1.253

1m

sin 0.15( 3.885)d

incq =2823 sinα

sin (sin sin cos cos cos )

hora πτ 180

4 180

Calidad de aguas

Temperatura

lectura de serie temporal detemperatura

opciones numéricas

difusión molecular y número Schmidt (difusión turbulenta)

variables atmosféricas

desactivar / calcular / leer

Calidad de aguas

Salinidad

desactivar / calcular / leer

difusión molecular ynúmero Schmidt (difusión turbulenta)

opciones numéricas

lectura de serie temporalde salinidad

Calidad de aguas

Coliformes

3 modelos de degradación

• T90 impuesto por el usuario (serie temporal)

• Mancini (radiación, temperatura, salinidad, extinción luz)

• Canteras (radiación, temperatura, salinidad, extinción luz)

yxe C

j j

hU C hU C hC ChΓ S

t x y x x

C degS = k C

e ck h(T - 293) 0deg

e c

Ik (0.8 0.02 S) 1.07 (1 e )

k h

(Mancin)

Calidad de aguas

Coliformes

activar / desactivar

difusión molecular ynúmero Schmidt (difusión turbulenta)

modelo de degradación bacteriana

opciones numéricas

Calidad de aguas

Nitrógeno

Nitrógeno orgánico

Amonio

Nitratos

(Tagua - 293)

Norg amonificacion org orgS = - k 1,047 N N sNv

h

+4

(Tagua - 293) (Tagua - 293) +

amonificacion org nitrificacion n 4NHS = k 1,047 N - k 1,083 F NH

-3

(Tagua - 293) + (Tagua - 293) -

nitrificacion n 4 desnitrificacion dn 3NOS = k 1,083 F NH - k 1,045 F NO

Calidad de aguas

Nitrógeno

Oxígeno disuelto, DBO……

Calidad de aguas

Salinidad río / estuario

Lombos del Ulla

S=35 g/l

Q=120 m3/s

Salinidad = 0 g/l

Calidad de aguas

Vertido de coliformes en Ferrol

Calidad de aguas

Corrientes de oleaje en Ribeira

Calidad de aguas







5.Calidad de aguas

6.Líneas actuales

Troncos.pptx

Líneas de trabajo

Líneas de trabajo actuales:

• Transporte de sedimentos con mezclas (granulometría no uniforme)

• Modelización hidrológica continua (recarga de acuífero, aportación al caudal base)

• Optimización del cálculo:

• Paralelización para cálculo en GPUs y

multiprocesadores

• Formato ráster

Gracias por su atención !!

www.iberaula.es

www.flumen.upc.edu

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