Introducción

Esta sección presenta el sistema de ecuaciones, la formulación de las condiciones de contorno y el esquema de volúmenes finitos utilizado en RiverFlow2D; la información puede ampliarse en las referencias.

RiverFlow2D es un modelo de volúmenes finitos hidrológico e hidráulico combinado, de lecho móvil y de transporte de contaminantes para ríos, estuarios y llanuras de inundación, basado en el modelo RiverFlow2D. Forma parte del conjunto de modelos de Hydronia, que incluye OilFlow2D. RiverFlow2D puede encaminar 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.

Esta versión del modelo RiverFlow2D 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 fue financiado parcialmente por el Banco Interamericano de Desarrollo. La integración del modelo RiverFlow2D y el sistema de software QGIS proporciona funciones interactivas para generar y refinar la malla flexible utilizada por RiverFlow2D, capas y herramientas GIS conocidas para construir una representación de alto nivel del modelo, facilitar la asignación de condiciones de contorno y valores de Manning's n, así como todas las demás capas de datos requeridas por los componentes de RiverFlow2D, lo que permite al usuario gestionar eficazmente todo el proceso de modelación.

RiverFlow2D ofrece un conjunto completo de herramientas de visualización que incluye representación de mapas, animaciones y exportación de gráficos en formato shapefile y Google Earth.

El motor de cálculo de RiverFlow2D implementa un método preciso, rápido y estable de solución mediante volúmenes finitos que elimina las dificultades de contorno y de arranque en caliente de algunos modelos bidimensionales de malla flexible de generaciones anteriores. RiverFlow2D puede integrar estructuras hidráulicas como alcantarillas, vertederos, puentes, compuertas, tablas de curvas de gasto internas y roturas internas de presas y diques. El modelo también considera el esfuerzo del viento distribuido sobre la superficie del agua. 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 RiverFlow2D y explica los fundamentos del modelo y sus componentes, así como 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 utilizar muchas de las capacidades de RiverFlow2D, que le ayudarán a comenzar a utilizar el modelo y a aprender a aplicar componentes del modelo como puentes, alcantarillas, precipitación e infiltración, vertederos, transporte de sedimentos, etc.

Resumen de las características y capacidades de RiverFlow2D

Generador de mallas

• Generación automática de mallas flexibles 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 múltiples modelos digitales de elevación en la misma malla según las áreas seleccionadas por el usuario.
• Interpolación espacial de las elevaciones del DEM en 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 de doble precisión para una mayor exactitud.
• Totalmente paralelizado con OpenMP para una ejecución más rápida en computadoras de varios núcleos.
• Versión GPU para simulaciones hasta \(>\) 700X más rápidas utilizando tarjetas gráficas NVIDIA GPU.

Componentes hidráulicos

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

Formatos de datos de entrada

• Unidades métricas o inglesas.
• 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 frente al tiempo.
• Elevación del agua frente al tiempo.
• Flujo uniforme.
• Tablas de curvas de gasto.
• Salida libre.
• Concentraciones de sedimentos suspendidos de entrada (módulo ST).
• Caudal sólido de entrada para la opción de carga de fondo (módulo ST).
• Concentraciones de contaminantes de entrada (módulo PL).

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 superior a 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.
• Profundidad máxima por velocidad.
• Esfuerzo cortante máximo.
• Fuerza de impacto máxima por unidad de anchura.

Salida para evaluaciones de peligrosidad

• Peligrosidad para viviendas del United States Bureau of Reclamation (USBR).
• Peligrosidad para vehículos del United States Bureau of Reclamation (USBR).
• Peligrosidad para adultos del United States Bureau of Reclamation (USBR).
• Peligrosidad para niños del United States Bureau of Reclamation (USBR).
• Método suizo para inundaciones.
• Método suizo para flujo de detritos.
• Método austriaco para inundaciones fluviales.
• Método austriaco para torrentes Tr = 10 años.
• Método austriaco para torrentes Tr = 100 años.
• Método del Reino Unido
• Peligrosidad por 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 elevación del lecho.
• Áreas de profundidad máxima de erosión.
• Cálculo acoplado o desacoplado.

Módulo de flujo de lodo y residuos mineros (MT)

Note

El módulo MT se conocía anteriormente como módulo de flujo de lodo 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 residuos mineros prescrita.
• Cálculo dinámico de la movilización del volumen del depósito de residuos mineros.

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 los 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 (\(\rm{TC}\)).