Introducción

Esta sección presenta el sistema de ecuaciones, la formulación de las condiciones de contorno y el esquema de volúmenes finitos utilizado en HydroBID Flood. Las referencias proporcionan información técnica adicional.

HydroBID Flood es un modelo hidrológico e hidráulico combinado de volúmenes finitos para ríos, estuarios y llanuras de inundación, basado en el motor RiverFlow2D de Hydronia¹.

Forma parte del conjunto de modelos de Hydronia, que incluye RiverFlow2D y OilFlow2D. HydroBID Flood puede propagar inundaciones en ríos y simular la inundación de llanuras de inundación y terrenos complejos con alta resolución y una velocidad, estabilidad y precisión notables. El uso de mallas adaptativas de celdas triangulares permite resolver el campo de flujo alrededor de características clave en entornos fluviales, estuarinos y costeros.

HydroBID Flood incluye una interfaz gráfica de usuario (GUI) basada en un complemento desarrollado por Hydronia para el Sistema de Información Geográfica de código abierto QGIS (www.qgis.org). El complemento recibió financiación parcial del Banco Interamericano de Desarrollo. La integración de HydroBID Flood y QGIS proporciona funciones interactivas para generar y refinar la malla flexible, capas y herramientas GIS conocidas para construir una representación de alto nivel del modelo, y capas de datos para las condiciones de contorno, los valores de Manning n y otros componentes del modelo, lo que permite al usuario gestionar eficientemente todo el proceso de modelado.

HydroBID Flood ofrece un conjunto completo de herramientas de visualización, que incluye representación cartográfica, animaciones y exportación de gráficos en formato shapefile y para Google Earth.

El motor de cálculo de HydroBID Flood implementa un método preciso, rápido y estable de solución por volúmenes finitos que elimina las dificultades relacionadas con las condiciones de contorno y el inicio en caliente de algunos modelos bidimensionales antiguos de malla flexible. HydroBID Flood puede integrar estructuras hidráulicas como alcantarillas, vertederos, puentes, compuertas, tablas de gasto internas y roturas internas de presas y diques. Las capacidades hidrológicas incluyen precipitación, evaporación e infiltración distribuidas espacialmente. El modelo también considera el esfuerzo del viento distribuido sobre la superficie del agua.

Este manual de referencia proporciona instrucciones para instalar HydroBID Flood, explica los fundamentos del modelo y sus componentes, y describe los métodos numéricos utilizados para resolver las ecuaciones gobernantes. También presenta una descripción detallada de los archivos de datos de entrada y de salida. Un documento tutorial independiente proporciona directrices detalladas para ayudarle a comenzar a utilizar el modelo y aprender a aplicar componentes del modelo como puentes, alcantarillas, precipitación e infiltración, y vertederos.

Resumen de características y capacidades de HydroBID Flood

Generador de mallas

• Generación automática de una malla flexible de celdas triangulares.
• Refinamiento de la malla a lo largo de polilíneas de densidad o dentro de polígonos.
• Uso de líneas de rotura para ajustar la malla a lo largo de las características del terreno.
• Uso de varios modelos digitales de elevación en la misma malla según las áreas seleccionadas por el usuario.
• Interpolación espacial de las elevaciones del DEM a las celdas.
• Optimización de la numeración de celdas y nodos de la malla.

Motor numérico

• Discretización espacial mediante celdas triangulares.
• Motor de volúmenes finitos de alto rendimiento.
• Selección automática y dinámica del paso de tiempo computacional.
• Integración de celdas secas.
• Conservación exacta del volumen.
• Cálculos en doble precisión para mayor exactitud.
• Paralelización completa con OpenMP para una ejecución más rápida en computadoras con varios núcleos.
• Versión para GPU que permite simulaciones hasta \(>\) 700X más rápidas mediante tarjetas gráficas GPU de NVIDIA.

Componentes hidráulicos

• Roturas internas de presas y diques.
• Alcantarillas mediante la formulación de la Administración Federal de Carreteras de Estados Unidos (FHWA).
• Hidráulica de puentes en 2D, incluido el flujo a presión y el sobrevertido.
• Fuerzas de arrastre de las pilas de puentes.
• Vertederos con elevaciones variables de la cresta.
• Compuertas.
• Rotura de presa (fallo prescrito, erosión por tubificación y por sobrevertido).
• Estructuras hidráulicas internas.
• Fuentes y sumideros.
• Precipitación y evaporación distribuidas espacialmente.
• Infiltración distribuida espacialmente.
• Esfuerzo del viento distribuido espacialmente.
• Manning n dependiente de la profundidad.
• Socavación de pilas y estribos de puentes.
• Ejecuciones por lotes automatizadas y secuenciales para cada fuente o derrame de entrada.

Formatos de datos de entrada

• Unidades métricas o del sistema inglés.
• ASCII X, Y, Z.
• Archivos de cuadrícula ASCII de ESRI.
• DEM del USGS.
• Shapefiles de ESRI.
• Autodesk DXF.
• Rásteres TIFF, GIF, JPG, etc.
• Cualquier formato de datos ráster o vectorial aceptado por QGIS.

Condiciones iniciales

• Lecho seco.
• Elevaciones constantes del agua definidas por el usuario sobre polígonos.
• Elevaciones variables del agua definidas por el usuario mediante datos ráster.

Condiciones de contorno

• Hidrograma de caudal de agua.
• Caudal de agua y elevación del agua en función del tiempo.
• Elevación del agua en función del tiempo.
• Flujo uniforme.
• Tablas de gasto.
• Salida libre.
• Concentraciones de sedimentos suspendidos de entrada (ST Module).
• Caudal sólido de entrada para la opción de carga de fondo (ST Module).
• Concentraciones de contaminantes en la entrada (PL Module).

Opciones de salida

• Resultados en secciones transversales y perfiles.
• Puntos de observación: series temporales en ubicaciones seleccionadas por el usuario.
• Gráficos dinámicos mientras se ejecuta el modelo.
• Campo de velocidades, profundidad y elevaciones de la superficie del agua.
• Esfuerzo cortante del lecho.
• Número de Froude.
• Precipitación acumulada.
• Infiltración acumulada.
• Profundidades de erosión y deposición.
• Cambios en la elevación del lecho.
• Flujos de sedimentos.
• Tiempo hasta 0.3 m (1 ft), tiempo hasta 0.5 m (2 ft), tiempo hasta 1 m (3 ft), tiempo hasta la profundidad máxima y tiempo de llegada de la onda frontal.
• Tiempo de inundación durante el cual la profundidad es mayor que 0.1 m o 4 in.
• Tiempo de llegada de la onda frontal.
• Shapefiles de ESRI.
• Gráficos de posprocesamiento GIS, incluidos shapefiles e imágenes ráster.
• Paraview VTK.

Salida de resultados para valores máximos

• Magnitud máxima de la velocidad.
• Profundidades máximas.
• Elevaciones máximas de la superficie del agua.
• Producto máximo de profundidad por velocidad.
• Esfuerzo cortante máximo.
• Fuerza de impacto máxima por unidad de ancho.

Salida para evaluaciones de peligro

• Peligro para viviendas según el United States Bureau of Reclamation (USBR).
• Peligro para vehículos según el United States Bureau of Reclamation (USBR).
• Peligro para adultos según el United States Bureau of Reclamation (USBR).
• Peligro para niños según el United States Bureau of Reclamation (USBR).
• Método suizo para inundaciones.
• Método suizo para flujos de detritos.
• Método austriaco para inundaciones fluviales.
• Método austriaco para torrentes Tr = 10 yrs.
• Método austriaco para torrentes Tr = 100 yrs.
• Método del Reino Unido.
• Peligro de inundación en Australia.

Módulo de drenaje urbano (UD)

• Inundación superficial integrada con la red de drenaje pluvial.
• Integración dinámica con EPA-SWMM.
• Polígonos de cuenca definidos por el usuario que definen las áreas de intercambio entre la superficie y el drenaje pluvial.

Módulo de transporte de sedimentos (ST)

• Cálculo separado del transporte de sedimentos suspendidos y de carga de fondo.
• Múltiples fracciones de tamaño.
• Cambios del lecho (erosión-deposición).
• Dinámica espacial y temporal de las clases del lecho.
• 10 fórmulas de transporte de sedimentos.
• Transporte de sedimentos sobre lecho rígido.
• Gradiente máximo limitado de la elevación del lecho.
• Áreas de profundidad máxima de erosión.
• Cálculo acoplado o desacoplado.

Módulo de flujo de lodos y relaves (MT)

Note

El módulo MT se conocía anteriormente como Módulo de flujo de lodos y detritos (MD).

• Fluidos no newtonianos.
• Ocho formulaciones reológicas.
• Flujo granular.
• Densidad, viscosidad y esfuerzo de fluencia variables.
• Múltiples fracciones de tamaño en el material de entrada y del lecho.
• Erosión y deposición.
• Múltiples entradas y depósitos iniciales con propiedades variables.
• Rotura de presa de relaves prescrita.
• Cálculo dinámico de la movilización del volumen del depósito de relaves.

Módulo de transporte de contaminantes (PL)

• Advección-dispersión-reacción.
• Tasas de reacción entre contaminantes/solutos.
• Cálculo simultáneo de múltiples solutos.

Módulo de calidad del agua (WQ)

• Advección-dispersión-reacción basada en la formulación del modelo EPA-WASP de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos.

• Considera los siguientes constituyentes:

  • Nitrógeno amoniacal (\(\rm{NH_4^+-N}\)).
  • Nitrógeno nitrato (\(\rm{NO_3^--N}\)).
  • Fósforo inorgánico (\(\rm{IP}\)).
  • Carbono del fitoplancton (\(\rm{PHYT}\)).
  • Demanda bioquímica de oxígeno carbonosa (\(\rm{CBOD}\)).
  • Oxígeno disuelto (\(\rm{DO}\)).
  • Nitrógeno orgánico (\(\rm{ON}\)).
  • Fósforo orgánico (\(\rm{OP}\)).
  • Temperatura (\(\rm{T}\)).
  • Bacterias coliformes totales (\(\rm{TC}\)).

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1. RiverFlow2D^TM y OilFlow2D^TM son marcas registradas de Hydronia, LLC ↩