Revista EIA, ISSN 1794-1237 Número 6, p. 129-140. Diciembre 2006 Escuela de Ingeniería de Antioquia, Medellín (Colombia)

PROPUESTA DE CALIBRACIÓN DE UN MODELO PARA EL TRANSITO DE CRECIENTES EN UN
TRAMO DEL RÍO MEDELLÍN



RESUMEN

En este artículo se presenta la metodología seguida en la calibración del modelo NWS-FLDWAV para el transito de crecientes en un tramo del río Medellín. Para la construcción del modelo se recopiló la información topografica del tramo seleccionado del río y de las hidrógrafas de nivel registradas por las estaciones limnigraficas. A partir del analisis del comportamiento de las crecientes escogidas, se identificó la importancia de considerar los aportes de caudal a lo largo del tramo, los cuales surgen de la escorrentía directa causada principalmente por la precipitación. Se determinó una forma para calibrar el modelo a partir del coeficiente de rugosidad de Manning y del caudal de aporte en el tramo. Este caudal se obtuvo del analisis de la diferencia entre caudales base para las dos estaciones limnigraficas que limitan el tramo y se simuló con una distribución espacial y temporal.

PALABRAS CLAVE: transito de crecientes; calibración; caudal base; llanura de inundación; río Medellín; NWS-FLDWAV

ABSTRACT

This paper presents the methodology used to calibrate an NWS-FLDWAV model for flood routing through a stretch of the Medellín river. To build the model, thetopographic information of the selected river section was compiled as soon as the stage hydrographs registered in the gauge stations. The importance of considering the discharge contributions along the stretch, which arise from the direct run-off caused essentially by the precipita tion, was identified through the analysis of the behavior of the chosen floods. A way to calibrate the model was discovered that included the Manning coefficient of frictional resistance and

* Ingeniera Civil, EIA. Grupos de Investigación Gabis y Espiral, EIA. linalsan(5)yahoo.com

** Ingeniero Civil, EIA. Magíster en Aprovechamiento de Recursos Hidraulicos, Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. Profesor-investigador, EIA. Grupos de Investigación Gabis y Espiral, EIA. pfjubar(5)eia.edu.co

Artículo recibido 21-IX-2006. Aprobado 30-XI-2006 Discusión abierta hasta junio de 2007

Propuesta de calibración de un modelo para el transito de crecientes en un tramo del río medellín

the contribution discharge. This discharge was obtained from the analysis of the difference between base discharges for the two measurement stations that limit the river segment and were simulated with a spatial and temporal distribution.

KEY WORDS: flood routing; calibration; base discharge; floodplain, Medellín river; NWS-FLDWAV

I. INTRODUCCIÓN

El transito de crecientes puede fundamentarse en el sistema de ecuaciones de Saint Venant1, cuya solución se apoya en el desarrollo de técnicas numéricas. Debido alas limitaciones de tipo operativo para resolver estas ecuaciones, surgieron simplificaciones que dieron lugar a varios métodos de transito de crecientes. Existen, pues, varias alternativas para transitar crecientes a partir del método hidraulico, unas mas exactas que otras, según los procedimientos de calculo numérico empleados en la solución de las ecuaciones de Saint Venant. Gracias al desarrollo de estos procedimientos y al perfeccionamiento alcanzado en los sistemas informaticos en las últimas décadas, hoy en día se cuenta con modelos computacionales para el transito hidraulico de caudales que permiten hacer analisis y diseños que responden a las necesidades del medio, cumpliendo con los requisitos de seguridad y economía. Uno de ellos es el NWS-FLDWAV, un modelo generalizado de onda dinamica para flujo no permanente y unidimensional, basado en el método implícito de diferencias finitas, el cual cuenta con varias aplicaciones especiales que permiten considerar características particulares del flujo, del canal y de la llanura de inundación, herramientas que hacen posible la simulación y ayudan a obtener resultados coherentes con los observados en campo.

A pesar del progreso alcanzado en el ambito internacional en el desarrollo de modelos como el NWS-FLDWAV para el transito de crecientes, en el departamento de Antioquia (Colombia) ha sido
escaso el uso de estas aplicaciones, razón por la cual, hasta finales del año 2005, no se contaba con un modelo calibrado de estas características para el ríoMedellín. Por esta razón se propuso calibrar un modelo dinamico de transito para el tramo del río Medellín comprendido entre el puente de entrada al municipio de Girardota y el puente El Hatillo. Este tramo tiene una longitud aproximada de 12 kilómetros y se encuentra ubicado en el norte del Valle de Aburra, en el departamento de Antioquia. Para ello se contó con información histórica sobre los niveles en el río producidos por varias crecientes ocurridas en los años 1995, 1999, 2001 y 2003, registrados en las estaciones limnigraficas Girardota (RMS-22), El Hatillo (RMS-13), Yarumito (RMS-14) y Gabino (RMS-15), ubicadas en los extremos del tramo y aguas abajo de éste, en el orden en que se mencionan. También se contó con información sobre la geometría de varias secciones cuya topografía fue levantada en los años en que ocurrieron las crecientes, y se utilizaron los registros de las precipitaciones asociadas a las crecientes estudiadas, tomados de cuatro estaciones pluviograficas ubicadas en inmediaciones del tramo de estudio. Esta información, suministrada por las Empresas Públicas de Medellín E. S. P (EPM)2, sirvió como referencia para confrontar los resultados obtenidos al transitar las crecientes utilizando el modelo computacional NWS-FLDWAV para calibrarlo de manera que pueda emplearse en posteriores aplicaciones y se convirtió en una herramienta de predicción, diseño y revisión de proyectos en el río Medellín a su paso por la zona norte del Valle de Aburra.
1 Sistema de ecuaciones diferencialesparciales que resume los principios de conservación de masa y cantidad de
movimiento. Fue formulado por Saint Venant en 1871.
2 Entidad dedicada a la prestación de los servicios públicos de acueducto, alcantarillado, energía, gas y telecomuni
caciones en el Valle de Aburra.

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A partir de la revisión bibliografica y del reconocimiento del sitio en una visita, se obtuvo información sobre el estado de la llanura aluvial en la zona de interés, en el cual influye de forma significativa la alteración de la dinamica del río debida a la fuerte intervención antrópica a la que ha sido sometido.

2. ANALISIS DE LA INFORMACIÓN RECOPILADA

2.1 Variables que se incluyen en el archivo de datos de entrada del modelo NWS-FLDWAV

El archivo de datos de entrada esta constituido por datos (Data Group) que reúnen variables que se agrupan de acuerdo con el tipo de información que proporcionan al modelo, como es la relacionada con el método numérico de iteración, con la topografía, con las hidrógrafas de entrada y observadas, etc. Para la calibración del modelo en el caso estudiado se utilizaron 29 grupos de datos y 79 variables. Dentro de estas variables se distinguen aquellas que describen las características particulares de la corriente en la que se realiza el transito y del evento de creciente que se desea modelar. Las primeras variables mencionadas permiten precisar la topografía de las secciones (como son las cotas y anchuras), las distancias entre éstas, los coeficientesde expansión-contracción del canal y los coeficientes de rugosidad de Manning. Las variables relacionadas con la creciente modelada permiten expresar las condiciones de frontera, tanto aguas arriba como aguas abajo, proporcionando información sobre los hidrogramas, ya sean de nivel o de caudal, en los extremos del tramo.
El programa cuenta con variables que permiten una modelación mas detallada y coherente con la condición real de flujo. Dichas variables permiten simular la existencia de controles hidraulicos como vertederos, compuertas y presas, la ocurrencia de fenómenos como el flujo de lodos o el flujo a través de la llanura de inundación y la presencia de flujos

laterales. Esta última variable fue muy útil en la calibración del modelo, pues permitió representar los aportes de caudal a lo largo del tramo y obtener así resultados coherentes con los registros.

2.2 Hidrógrafas de crecientes

El proceso de selección de las crecientes para la calibración del modelo se inició una vez conocidos los años para los cuales existía información topografica del cauce del río a su paso por la zona norte del Valle de Aburra. En primer lugar, se revisaron los registros de los caudales maximos de las estaciones limnigraficas Girardota (RMS-22), El Hatillo (RMS-13), Yarumito (RMS-14) y Gabino (RMS-15), operadas por EPM. Estos registros corresponden a los caudales instantaneos medidos en cada estación durante las crecientes ocurridas entre 1995 y 2003. De la información suministrada se seleccionaron 76crecientes, de las cuales 62 se hallaban con registro en Girardota y El Hatillo. Revisando los valores de caudal pico de las crecientes se escogieron 14 teniendo en cuenta su comportamiento entre las estaciones.

23 Características topograficas del tramo de estudio

Se contó con información topografica de la totalidad del tramo comprendido entre las estaciones Girardota (RMS-22) y El Hatillo (RMS-13) sólo para el año 2001, mientras que para el subtramo Tasajera-puente El Hatillo se encontró información de levantamientos realizados en los años 2001 y 2003. En la tabla 1 se presenta un resumen de las principales características topograficas de estos tramos en los años 2001 y 2003, información que se utilizó en la calibración del modelo.

Al comparar la topografía del cauce para diferentes años, se observa que éste ha sufrido, de forma acelerada, cambios localizados en su configuración, a causa de la erosión y socavación de orillas. Este fenómeno se asocia a los movimientos de masa debidos a la falta de cobertura vegetal y

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