“ANALISIS DEL MODELAJE HIDRAULICO DEL SISTEMA HIDRICO DEL RIO CHAGUANA, MEDIANTE EL MODELO HIDRAULICO HEC-RAS” (HIDROLOGIC ENGINEERING CENTER-RIVER ANALYSIS SYSTEM) Christian Javier Vivas González Facultad de Ingeniería en Ciencias de la Tierra

RESUMEN Modelo : HEC-RAS (River Analysis System). Objetivo: Determinar el comportamiento hidráulico de un sistema de ríos bajo diversas condiciones de caudales. Caso de Estudio: Sistema Hídrico del Río Chaguana (Ríos: Zapote y Chaguana) – Provincia de El Oro. Apoyo Logístico del Programa ESPOL-VLIR (Proyecto 4) Resultados: Perfiles Hidráulicos de los ríos. Gráficas y tablas de parámetros básicos de diseño.

UBICACIÓN GEOGRÁFICA DE LA CUENCA Coordenadas: 617.965 a 625.205 ESTE 9’632.773 a 9´660.403 NORTE Cantones: El Guabo y Pasaje

MODELO HEC - RAS Hidrologic Engineering Center - River Analysis System. Modelo diseñado por el U. S. Army Corps of Engineering (Versión 3.1 – Noviembre 2002). HEC-RAS es un sistema integrado de programas, capaz de realizar análisis hidráulicos unidimensionales aplicados a: (1) cálculos de perfiles hidráulicos en flujo permanente; (2) simulaciones de flujo no permanente (3) cálculos de transporte de sedimento en fondos y paredes erosionables.

METODOLOGIA UTILIZADA Recopilación de Información: -Información Topográfica Cartas Topográficas de la Zona Instituto Geográfico Militar (IGM) -Información Hidrometeorológica Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología Temperatura Promedio Mensual (1982-1999) Valores Mensuales de Precipitación (1973-1999) Agencia de Aguas de Machala Control de Aforos en las Cuencas Hidrográficas de El Oro (Caudal m3/s) -Uso y Tipo de Suelo Bonini-Guzmán (2003) – Tesis de Grado

METODOLOGIA UTILIZADA Generación de Información: -Área de la Cuenca Digitalización de Curvas de Nivel DEM (Digital Elevation Model) - ArcView Extensión Hidrológica – Delimitación de la Cuenca -Secciones Transversales Mediciones Topográficas Georreferenciación con GPS Ingreso de Datos X-Y (Abscisa-Cota) en el Modelo Hec-Ras -Caudales Medidos en Campo Caudales Instantáneos (Noviembre 2001 – Julio 2002) Velocidades de Flujo en cada sección transversal Área de Flujo Ingreso de Datos de Flujo en el Modelo Hec-Ras

METODOLOGIA UTILIZADA Generación de Información: -Rugosidades de los Canales (n de Manning) Recolección de Muestras de márgenes y fondo Ensayos de Granulometría en Laboratorio Método: Departamento de Exploración Geológica de los Estados Unidos (USGS) n = (nb + n1 + n2 + n3 + n4) m Ingreso de Datos de Rugosidad en el Modelo Hec-Ras -Coeficientes de Contracción y Expansión Calificación Cualitativa de la transición de flujo debido a cambios en las secciones transversales: Insignificante, Gradual, Puente, Abrupta. Ingreso de Datos de Contracción y Expansión en el Modelo Hec-Ras.

Topografía de la Cuenca DATOS DE LA CUENCA Topografía de la Cuenca Cota Máxima: 3120 msnm en Zona Montañosa de Los Andes Cota Mínima: Nivel del Mar en desembocadura en el Pagua

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO Secciones Transversales

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO Caudales Instantáneos (Q1,-Q2)

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO Rugosidades (n de Manning) Método: Departamento de Exploración Geológica de los Estados Unidos n = (nb + n1 + n2 + n3 + n4) m

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO Rugosidades (n de Manning) Método: Departamento de Exploración Geológica de los Estados Unidos n = (nb + n1 + n2 + n3 + n4) m

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO Rugosidades (n de Manning) Método: Departamento de Exploración Geológica de los Estados Unidos n = (nb + n1 + n2 + n3 + n4) m

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO Rugosidades (n de Manning) n = (nb + n1 + n2 + n3 + n4) m

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO Rugosidades (n de Manning) n = (nb + n1 + n2 + n3 + n4) m

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO Rugosidades (n de Manning) Método: Departamento de Exploración Geológica de los Estados Unidos n = (nb + n1 + n2 + n3 + n4) m

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO Rugosidades (n de Manning)

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO Rugosidades (n de Manning)

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO Rugosidades (n de Manning) Método: Departamento de Exploración Geológica de los Estados Unidos n = (nb + n1 + n2 + n3 + n4) m

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO Coeficientes de Contracción y Expansión

DATOS DEL SISTEMA HIDRICO Coeficientes de Contracción y Expansión

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Metodología de Cálculo del Modelo Se basa en la Ecuación de la Energía para determinar los perfiles de agua: Donde: Y1, Y2 = Profundidad del agua en la Sección Transversal. Z1, Z2 = Elevación del lecho del tramo. V1, V2 = Velocidades promedio (Q total / A total) 1, 2 = Coeficientes de velocidad g = Aceleración de la gravedad he = Pérdida principal de Energía.

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Metodología de Cálculo del Modelo Pérdida Principal de Energía: Donde: L = Longitud del tramo = Pendiente de fricción entre dos secciones. C = Coeficiente de pérdida por expansión o contracción. Procedimiento Computacional Se asume una elevación de agua aguas arriba de la Sección Transversal Se determina la Capacidad de Transporte y la Velocidad Principal Se calcula Pendiente de Fricción-se resuelve la Perdida Principal de Energía Se resuelve la Ecuación de la Energía para Y2 Se compara Y2 con el valor asumido en (1). Se repite proceso hasta que el Error (Y calculado – Yasumido) sea menor a 0.003 m. A partir de la segunda iteración, el modelo utiliza diversos métodos de calibración. El Programa tolera un número máximo de 20 iteraciones

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Limitaciones del Modelo para Flujos Permanentes El Flujo es Permanente Debido a que los términos dependientes del tiempo no son incluidos en la Ecuación de la Energía. El Flujo varía en forma gradual Debido a que la Ecuación de la Energía está basada en la premisa de que existe una distribución de la presión hidrostática en cada sección transversal. El flujo es unidireccional (Los componentes de la velocidad en direcciones distintas a la dirección de flujo no son tomados en consideración) Debido a que la ecuación que define la línea de energía total H, está basada en la premisa deque se mantiene constante en todos los puntos de la sección transversal La pendiente de los canales de los ríos son pequeñas (menores a 1:10) Debido a que la presión superior, la cual es un componente de Y, está representada por la altura de agua medida verticalmente.

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Menú Principal Datos Geométricos Datos de Flujo Permanente Procesos Computacionales del Flujo Permanente Visualización de Resultados

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Menú de Datos Geométricos

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Menú de Datos de Secciones Transversales

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Menú de Datos de Flujo Permanente

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Menú de Análisis de Flujo Permanente

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Perfiles Hidráulicos en las Secciones Transversales

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Secciones Transversales – Río Zapote

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Secciones Transversales – Río Chaguana

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Perfiles Hidráulicos del Río Zapote

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Perfiles Hidráulicos del Río Chaguana

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Curva de Gasto

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Curvas de Gastos del Río Zapote

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Curvas de Gastos del Río Chaguana

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Menú de Curvas Generales

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Curvas Generales del Río Zapote

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Interpretación de los Resultados – Río Zapote VELOCIDADES CAUDALES AREA DE FLUJO ALTURA HIDRAULICA Sección A-3 -Velocidad decrece 0.38 m/s -Aumento gradual del caudal a 0.6 m3/s -Altura Hidráulica mayor 0.27 m -Área aumenta a 1.5 m2 Sección A-1 -Velocidad Menor (0.14 m/s). Gran aumento hasta A2 (0.5 m/s). -Caudal aumenta gradualmente de 0.45 a 0.55 m3/s -Área de Flujo Disminuye de 3.20 a 1m2 -Velocidad disminuye consid. 0.14 m/s. Sección A-5 --Aumento gradual del caudal (0.78 m3/s) -Gran aumento del Área de Flujo 5.5 m2 -Aumento de la Altura Hidráulica – 0.25 m Sección A-4 -Velocidad mayor (0.7 m/s). Aumento de pendiente -Aumento gradual del caudal (0.75 m3/s) -Área de Flujo decrece a 1 m2 -Altura Hidráulica menor – 0.14 m Sección A-7 -Aumenta la Velocidad a 0.5 m/s -Caudal mayor en el tramo 1.40 m3/s -Gran disminución del Área 2.65 m2 -Disminución de la Altura Hidráulica 0.15 Sección A-6 -Leve aumento en la Velocidad a 0.2 m/s -Gran aumento del Caudal- 1.15m3/s -Área de Flujo mayor 0.75 m2 -Decrece la Altura Hidráulica a 0.22

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Curvas Generales del Río Chaguana

MODELO HIDRAULICO HEC-RAS Interpretación de los Resultados – Río Chaguana VELOCIDADES CAUDALES AREA DE FLUJO ALTURA HIDRAULICA Sección A-11 Los Parámetros Hidráulicos calculados por el Modelo para la esta sección, no serán considerados como válidos debido a inconsistencias y dificultades durante el proceso de cálculo del modelo Sección A-13 -Velocidad aumenta a 0.3 m/s -Leve aumento del caudal (0.62 m3/s) -Área de flujo disminuye a 2 m2 -Leve aumento en Altura Hidráulica 0.26 m -Velocidad disminuye a 0.30 m/s-Dique Sección A-16 --Aumento del caudal a 1.24 m3/s -Aumento del Área de Flujo a 4.10 m2 -Aumento de la Altura Hidráulica a 0.42 m Sección A-12 -Velocidad inicial de 0.13 m/s -Caudal menor - 0.60 m3/s -Área de Flujo– 3.90 m2 -Altura Hidráulica menor – 0.20 m -Aumento en la Velocidad a 0.39 m/s Sección A-17 -Caudal aumenta a 1.38 m3/s -Disminuye el Área de flujo a 3.50 m2 a 8.70 m2 -Decrece la Altura Hidráulica a 0.31 m Sección A-14 -Velocidad aumenta a 0.40 m/s (V. mayor) -Aumento del caudal a 1.05 m3/s -Leve aumento del Área de flujo a 2.70 m2 -Leve aumento en Altura Hidráulica 0.31 m Sección A-18 -Disminuye la Velocidad a 0.19 m/s -Caudal mayor a 1.77 m3/s -Gran aumento del Área de Flujo a 8.70 m2 (área mayor) -Altura Hidráulica mayor 0.55 m

CONCLUSIONES Modelaje de un río : Aprovechamiento de las propiedades hidráulicas de éste. La inversión económica elevada. Caudales Instantáneos - No utilizar en Prediseños de Estructuras Hidráulicas. Modelo demanda Caudales en cada Secc. Trans.– No se pudo utilizar datos históricos –Cálculo Hidrológico -Modelaje bajo diversos Períodos de Retorno. Generando mayor información de campo – Modelo puede ser aplicado para prediseños de estructuras de aprovechamiento. El Chaguana es más caudaloso que el Zapote (1.77 – 1.44 m3/s) y más profundo (0.55 – 0.26 m). Resultados mejores – Mayor número de Puntos de Muestreo – Sinuosidad del río.

RECOMENDACIONES Coordinar de mejor manera el aprendizaje del modelo y las campañas de muestreo. Disminuir espaciamiento entre cada Sección Transversal generando mayor número de puntos de muestreo. Realizar campañas de muestro para obtener estos datos. Asegurarse de poseer datos estadísticos aplicables. Modelaje bajo diversos Períodos de Retorno. Obtener financiamiento para el desarrollo de un trabajo investigativo de esta índole. Tener presente que implementar el uso de herramientas nuevas demanda tiempo y dedicación.