Enrutamiento (hidrología)
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En hidrología , el enrutamiento es una técnica que se utiliza para predecir los cambios en la forma de un hidrograma a medida que el agua se mueve a través de un canal de río o un embalse . En el pronóstico de inundaciones , los hidrólogos pueden querer saber cómo cambiará una breve ráfaga de lluvia intensa en un área río arriba de una ciudad cuando llegue a la ciudad. El enrutamiento se puede utilizar para determinar si el pulso de lluvia llega a la ciudad como un diluvio o un goteo.

El enrutamiento también se puede usar para predecir la forma del hidrograma (y por lo tanto el potencial de inundación de las tierras bajas) después de múltiples eventos de lluvia en diferentes subcuencas de la cuenca. El momento y la duración de los eventos de lluvia, así como factores como las condiciones de humedad antecedentes, la forma general de la cuenca, junto con las formas de las áreas de subcuencas, pendientes de la tierra (topografía / fisiografía), geología / hidrogeología (es decir, los bosques y los acuíferos pueden servir como esponjas gigantes). que absorben la lluvia y la liberan lentamente durante las siguientes semanas y meses), y las longitudes de los arroyos juegan un papel aquí. El resultado puede ser un efecto aditivo (es decir, una gran inundación si el pico del hidrograma respectivo de cada subcuenca llega a la desembocadura de la cuenca en el mismo punto en el tiempo, causando así efectivamente un "apilamiento" de los picos del hidrograma),o un efecto más distribuido en el tiempo (es decir, una inundación prolongada pero relativamente modesta, efectivamente atenuada en el tiempo, a medida que los picos de las subcuencas individuales llegan a la desembocadura del canal principal de la cuenca en una sucesión ordenada).[1] [2] [3]

Otros usos del enrutamiento incluyen el diseño de embalses y canales, estudios de llanuras aluviales y simulaciones de cuencas hidrográficas. [4]

Si el flujo de agua en un punto particular, A, en una corriente se mide a lo largo del tiempo con un medidor de flujo, esta información se puede usar para crear un hidrograma . Un período corto de lluvia intensa, normalmente llamado evento de inundación , puede causar un abultamiento en el gráfico, ya que el aumento de agua viaja río abajo, alcanza el medidor de flujo en A y pasa a lo largo de él. Si se configura otro medidor de flujo en B, aguas abajo de A, se esperaría que la protuberancia del gráfico (u onda de inundación) tenga la misma forma. Sin embargo, la forma del río y la resistencia al flujo dentro de un río (desde el lecho del río , por ejemplo) pueden afectar la forma de la ola. A menudo, la onda de inundación se atenuará (tendrá un flujo máximo reducido).

Las técnicas de enrutamiento se pueden clasificar ampliamente en enrutamiento hidráulico (o distribuido) , enrutamiento hidrológico (o agrupado) o enrutamiento semidistribuido . En general, según los datos de campo disponibles y los objetivos del proyecto, se selecciona uno de los procedimientos de enrutamiento.

Enrutamiento hidráulico (o distribuido)

El enrutamiento hidráulico se basa en la solución de ecuaciones diferenciales parciales de flujo inestable en canal abierto . Las ecuaciones utilizadas son las ecuaciones de Saint-Venant o las ecuaciones de onda dinámicas asociadas. [5] [6]

Los modelos hidráulicos (por ejemplo, modelos dinámicos y de onda de difusión ) requieren la recopilación de una gran cantidad de datos relacionados con la geometría y morfología de los ríos y consumen muchos recursos informáticos para resolver las ecuaciones numéricamente. [7] [8] [9]

Enrutamiento hidrológico (o agrupado)

El enrutamiento hidrológico utiliza la ecuación de continuidad para hidrología. En su forma más simple, el flujo de entrada al tramo del río es igual al flujo de salida del tramo del río más el cambio de almacenamiento:

, dónde
  • I es el flujo de entrada promedio al alcance durante
  • O es el flujo de salida promedio del alcance durante ; y
  • S es el agua actualmente al alcance (conocido como almacenamiento)

Los modelos hidrológicos (por ejemplo, modelos Muskingum lineales y no lineales ) necesitan estimar los parámetros hidrológicos utilizando datos registrados en las secciones río arriba y río abajo de los ríos y / o aplicando técnicas de optimización robustas para resolver la conservación unidimensional de la masa y la ecuación de continuidad del almacenamiento. [10]

Enrutamiento semidistribuido

También están disponibles modelos semidistribuidos como los procedimientos de la familia Muskingum-Cunge . Se utilizan conceptos físicos simples y características comunes de los ríos, como la geometría del canal, la longitud del alcance, el coeficiente de rugosidad y la pendiente para estimar los parámetros del modelo sin soluciones numéricas complejas y costosas. [11] [12] [13]

Enrutamiento de inundaciones

El enrutamiento de inundaciones es un procedimiento para determinar el tiempo y la magnitud del flujo (es decir, el hidrograma de flujo) en un punto de un curso de agua a partir de hidrogramas conocidos o supuestos en uno o más puntos aguas arriba. El procedimiento se conoce específicamente como enrutamiento de inundación , si el flujo es una inundación . [14] [15] Después del enrutamiento, el pico se atenúa y se introduce un retardo de tiempo. Para determinar el cambio en la forma de un hidrograma de una inundación a medida que viaja a través de un río natural o canal artificial, se pueden utilizar diferentes técnicas de simulación de inundaciones. Tradicionalmente, el hidráulico (por ejemplo, modelos de onda dinámica y de difusión ) e hidrológico (por ejemplo, Muskingum lineal y no lineal) modelos) se pueden utilizar procedimientos de enrutamiento que son bien conocidos como formas distribuidas y agrupadas para los profesionales de la hidráulica e hidrología, respectivamente. Los modelos hidrológicos necesitan estimar los parámetros hidrológicos utilizando datos registrados en las secciones río arriba y río abajo de los ríos y / o aplicando técnicas de optimización robustas para resolver la conservación unidimensional de la masa y la ecuación de continuidad del almacenamiento. [16] Por otro lado, los modelos hidráulicos requieren la recopilación de una gran cantidad de datos relacionados con la geometría y morfología de los ríos y consumen muchos recursos informáticos para resolver las ecuaciones numéricamente. [17] [18] [19] Sin embargo, los modelos semidistribuidos como la familia Muskingum-CungeLos procedimientos también están disponibles. Se utilizan conceptos físicos simples y características comunes del río que consisten en geometría del canal, longitud del alcance, coeficiente de rugosidad y pendiente para estimar los parámetros del modelo sin soluciones numéricas complejas y costosas. [20] [21] [22] En general, según los datos de campo disponibles y los objetivos de un proyecto, uno de estos enfoques se utiliza para la simulación de inundaciones en ríos y canales.

Enrutamiento de escorrentía

El enrutamiento de la escorrentía es un procedimiento para calcular un hidrograma de escorrentía superficial a partir de la lluvia. Las pérdidas se eliminan de la lluvia para determinar el exceso de lluvia que luego se convierte en un hidrograma y se enruta a través de almacenamientos conceptuales que representan el comportamiento de descarga de almacenamiento del flujo terrestre y del canal. [23] [24]

Ver también

  • Hidrografo
  • Ecuaciones unidimensionales de Saint-Venant

Referencias

  1. ^ Tague, CL y LE Band. Evaluación de rutas explícitas e implícitas para modelos hidroecológicos de hidrología forestal de cuencas hidrográficas a pequeña escala de cuencas hidrográficas. Hydrological Processes 15, páginas 1415–1439 (2001). Disponible en línea en http://andrewsforest.oregonstate.edu/pubs/pdf/pub3128.pdf
  2. ^ Ejemplos de configuraciones de cuencas hidrográficas. Universidad Texas A & M. Disponible en línea en http://swat.tamu.edu/media/69422/Appendix-B.pdf
  3. ^ Delineación de cuencas hidrográficas, Conferencia 3. Universidad del Estado de Utah, Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos y Consultores de AquaTerra. Disponible en línea en https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-07/documents/lecture-3-watershed-delineation.pdf
  4. ↑ EM 1110-2-1417 (1994). "Capítulo 9 - Enrutamiento de caudal y embalse" (PDF) . Análisis de escorrentía de inundaciones . Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. pag. 9-1.[ enlace muerto permanente ]
  5. ^ Chow V. T, Doncella D. R, Mays LW (1988). Hidrología aplicada. Ediciones internacionales de McGraw1Hill: Singapur.
  6. ^ Akan A. O (2006). Hidráulica de canal abierto. Elsevier, Nueva York, NY, EE. UU.
  7. ^ Chaudhry MH (1993) Flujo de canal abierto. Prentice Hall, Englewood Cliffs, Nueva Jersey, EE. UU.
  8. ^ Samani HM V, Shamsipour G. A (2004). Enrutamiento de inundaciones hidrológicas en sistemas fluviales ramificados mediante optimización no lineal. Revista de investigación hidráulica, 42 (1): 55-59.
  9. ↑ Akbari G. H, Barati R (2012). Análisis integral de inundaciones en cuencas hidrográficas no gestionadas. Actas de la Institución de Ingenieros Civiles-Gestión del Agua, 165 (4): 229-238.
  10. ^ Barati R (2011). Estimación de parámetros de modelos Muskingum no lineales utilizando el algoritmo Nelder-Mead Simplex. Revista de ingeniería hidrológica, 16 (11): 946-954.
  11. ^ Cunge J. A (1969). Sobre el tema de un método computacional de propagación de inundaciones (método Muskingum). Revista de investigación hidráulica, 7 (2): 2051230.
  12. ^ Perumal M (1994). Derivación hidrodinámica de un parámetro variable Método de Muskingum: 1. Teoría y procedimiento de solución. Revista de ciencias hidrológicas, 39 (5): 431–442.
  13. ^ Barati R, Akbari GH y Rahimi S (2013) Enrutamiento de inundación de una cuenca fluvial no administrada utilizando el modelo Muskingum-Cunge; aplicación de campo y experimentos numéricos. Revista Caspian de Investigación en Ciencias Aplicadas, 2 (6): 08-20.
  14. ^ Chow V. T, Doncella D. R, Mays LW (1988). Hidrología aplicada. Ediciones internacionales de McGraw1Hill: Singapur.
  15. ^ Akan A. O (2006). Hidráulica de canal abierto. Elsevier, Nueva York, NY, EE. UU.
  16. ^ Barati R (2011). Estimación de parámetros de modelos Muskingum no lineales utilizando el algoritmo Nelder-Mead Simplex. Revista de ingeniería hidrológica, 16 (11): 946-954.
  17. ^ Chaudhry MH (1993) Flujo de canal abierto. Prentice Hall, Englewood Cliffs, Nueva Jersey, EE. UU.
  18. ^ Samani HM V, Shamsipour G. A (2004). Enrutamiento de inundaciones hidrológicas en sistemas fluviales ramificados mediante optimización no lineal. Revista de investigación hidráulica, 42 (1): 55-59.
  19. ↑ Akbari G. H, Barati R (2012). Análisis integral de inundaciones en cuencas hidrográficas no gestionadas. Actas de la Institución de Ingenieros Civiles-Gestión del Agua, 165 (4): 229-238.
  20. ^ Cunge J. A (1969). Sobre el tema de un método computacional de propagación de inundaciones (método Muskingum). Revista de investigación hidráulica, 7 (2): 2051230.
  21. ^ Perumal M (1994). Derivación hidrodinámica de un parámetro variable Método de Muskingum: 1. Teoría y procedimiento de solución. Revista de ciencias hidrológicas, 39 (5): 431–442.
  22. ^ Barati R, Akbari GH y Rahimi S (2013) Enrutamiento de inundación de una cuenca fluvial no administrada utilizando el modelo Muskingum-Cunge; aplicación de campo y experimentos numéricos. Revista Caspian de Investigación en Ciencias Aplicadas.
  23. ^ Laurenson, EM (1964). Un modelo de almacenamiento de captación para el enrutamiento de la escorrentía. Revista de hidrología, 2 (2): 141-163.
  24. ^ Mein, RG, EM Laurenson y TA McMahon (1974). Modelo no lineal simple para la estimación de inundaciones. Revista de la División de Hidráulica, Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles 100 (HY11): 1507-1518.
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