Como seleccionar el coeficiente de rugosidad de Manning en cauces naturales

By 22 febrero, 2016 Hidráulica 10 Comments
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¿Te las ves y deseas cada vez que tienes que seleccionar el coeficiente de rugosidad de Manning en cauces naturales? Pues en este post te cuento un método sencillo y práctico que puede servirte de ayuda en esos momentos angustiosos.

La n de Manning, una simple letra que puede influir en el resultado de un modelo

Cuando nos enfrentamos a la definición de los condicionantes hidráulicos de un modelo hidráulico, ya sea uni o bidimensional, una de las variables que más influyen en el comportamiento del modelo es precisamente el coeficiente de rugosidad.

Ya sabes, ese parámetro que que Sr. Manning (y algunos otros, pero él es el que ha tenido más repercusión) consiguió definir e implementar en la hidráulica de canales para poder determinar la capacidad de transporte de una sección, y al que le puso como distintivo e identificativo la letra n.

No sé si por aquel entonces el Sr. Manning era consciente de la relevancia que esa simple letra del abecedario tomaría en los posteriores modelos computacionales hidráulicos que aparecieron unos setenta años más tarde de que nos dejara.

Y es que efectivamente, los que nos dedicamos a esto de la modelización hidráulica sabemos que una ligera variación en el valor de ese parámetro puede tener consecuencias inadvertidas en nuestros modelos.

No en vano, cuando nos ponemos a calibrar un modelo hidráulico para contrastar la bondad de su comportamiento comparándolo con datos de avenidas reales, el parámetro que modificamos hasta conseguirlo es precisamente el coeficiente de rugosidad de Manning.

És más, recuerdo que en las Jornadas de Ingeniería del Agua celebradas en Barcelona en 2011 una de las exposiciones versaba sobre una propuesta de método simplificado para el análisis de puentes en estudios de inundación bidimensionales y ¿a qué no sabes en qué se basaba el método?… Efectivamente, en emplear variaciones locales en el valor del coeficiente de rugosidad.

Tablas para seleccionar el coeficiente de rugosidad

Afortunadamente, desde hace muchos años, mucha gente ha estado estudiando y analizando diferentes situaciones de flujo obteniendo de este modo una cierta relación entre unas caracterísiticas físicas de cuaces y márgenes y unos valores de coeficiente de Manning representativos.

Estas relaciones se suelen encontrar fácilmente en Internet en forma de tablas… quizá una de la más reconocidas es la que integra el conocido libro de “Hidráulica de Canales Abiertos” de Ven Te Chow. En esa tabla se recogen valores recomendados de coeficiente de rugosidad de Manning para diferentes casos como conductos cerrados y canales revestidos o dragados.

Pero tal y cómo apunta el título de este post, y de cara también a la modelización, me voy a centrar en los valores recomendados para cauces naturales, que además son los que el propio HEC-RAS recomienda también en sus tablas de ayuda, y cuyos valores se recogen en la siguiente tabla:

seleccionar el coeficiente de rugosidad de Manning en cauces naturales_tabla

Y ya que hablo de HEC-RAS, permíteme abrir un pequeño paréntesis para recomendarte mis cursos de HEC-RAS descargables, con los que podrás aprender a distintos niveles el funcionamiento este prestigioso software de modelización hidráulica del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos.

Ese software se empezó a desarrollar para estudiar el comportamiento hidráulico de los cauces de Estados Unidos, y precisamente en ese país existe un organismo, la U.S. Geological Survey, dedicado a recopilar información medioambiental del mismo.

En toda esta información hay un apartado específico sobre el agua, y en él se puede encontrar documentos e informes relacionados con la selección del coeficiente de rugosidad de Manning en los que se recogen valores de n de Manning verificados y comprobados para diferentes características de cauces. De todos estos te recomiendo los siguientes:

  • Una relación de 23 características verificadas de rugosidad de cauces naturales estudiados en tramos de cauces reales. En cada propuesta de valor, un enlace lleva a una página con información de detalle (descricpión, esquemas, propiedades e imagenes) de es tramo. Haz clic en la siguiente imagen para acceder:

seleccionar el coeficiente de rugosidad de Manning en cauces naturales_USGS

  • Un libro en pdf (editado en 1967) que vendría a ser el origen del anterior enlace, ya que en él se recoge la misma información técnica y gráfica, pero esta vez de hasta un total de 50 cauces del territorio norteamericano. Haz clic aquí para acceder a él.

Pero… ¿cómo seleccionar el coeficiente de rugosidad de Manning en cauces naturales… si tu cauce no está en las tablas?

Disponer de toda esta información previa de valores ya establecidos, verificados, contrastados y tabulados es realmente de mucha ayuda… pero claro, esos valores responden a unas características muy concretas que seguramente presentará similitudes con las que tiene el cauce que debes modelizar… pero al final cada caso es único. Por ello es importante entender los factores que afectan el valor n para adquirir un conocimiento básico del problema y disminuir la incertidumbre…

Y si nos centramos en los cauces naturales los factores que más influencia tienen en la determinación del valor de la n de Manning son: el tipo y tamaño de los materiales que lo componen y las características morfológicas del mismo. Teniendo en cuenta estos condicionantes, disponemos de un método de obtención del valor del coeficiente de rugosidad de Manning. El método de Cowan o multiparamétrico.

Cowan, en 1956, desarrolló una expresión que permite determinar el valor del coeficiente de Manning a través de la interacción de diferentes parámetros que permiten describir o valorar características concretas de un cauce. La expresión es la siguiente:Cowan_

En esta expresión, el valor del coeficiente de rugosidad de Manning n depende de:

nb = un valor base de n para un cauce recto, uniforme y liso en función del material del fondo

n1 = factor de corrección para implementar el efecto de las irregularidades superficiales

n2 = un valor que añade las variaciones de forma y tamaño de la sección del cauce

n3 = un valor que implementa el efecto de obstrucciones

n4 = un valor que incorpora el efecto de presencia de vegetación

m = un factor corrector que implementa la sinuosidad del cauce

Así, con este método, partiendo de un canal teórico recto, uniforme y liso de un material dado al cual le corresponde un valor de coeficiente de rugosidad de Manning determinado, a éste se le van añadiendo valores que representan la presencia de elementos y características que condicionan el paso del flujo.

Evidentemente, existen unas tablas orientativas de rangos de valores de cada uno de esos factores de n que he enumerado anteriormente, y que nos ayudan a poder determinar el valor de coeficiente de rugosidad que tendrá nuestro cauce particular.

Al igual que en el apartado anterior, la USGS dispone de documentación al respecto. En concreto existe la “Guide for Selecting Manning’s Roughness Coefficients for Natural Channels and Flood Plains” en pdf, y en el que se recoge el método de Cowan que te he comentado además de otro método para seleccionar el coeficiente de rugosidad de Manning también para los máergenes de inundación (con imágenes de ejemplos de densidades de vegetación en ellas y los valores de n adoptados en esos casos).

Pero… he encontrado en Internet una página que tiene ese mismo documento, en un formato pdf electrónico, editado para una mejor visualización y con enlaces internos para una navegación y consulta más ágil, además de ser una versión adaptada totalmente a las unidades del Sistema Internacional. Puedes acceder a esta Guía del Federal Highway Administration haciendo clic en la siguiente imagen: (actualización: desde hace unas semanas que el enlace ha sido modificado por la FHA, y lleva a un pdf con el documento original del año 1984)

seleccionar el coeficiente de rugosidad de Manning en cauces naturales_fhwa

Espero que con toda esta información, la próxima vez que tengas que seleccionar el coeficiente de rugosidad de Manning en un cauce natural, esboces una sonrisa y te pongas manos a la obra sin ningún temor!

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10 Comments

  • Miguel dice:

    Pero vamos con eso y con todas sacar el coeficiente de manning es todo un arte que depende mucho de la experiencia porque aunque con cowan tienes control sobre más parámetros después cada uno de estos parámetros es de su padre y de su madre. Cuando hago simulaciones de este tipo me divierte mucho jugar con el manning y ver como variando incluso la cuarta cifra decimal los resultados varían bastante

    Yo soy estudiante del ultimo curso de ingeniería civil, aunque nos enseñan a usar HEC-RAS tambien, pero yo soy fan de GERRIS un software de simulación numérica 2D o 3D de código libre que te permite hacer también estudios de inundabilidad

    http://gfs.sourceforge.net/wiki/index.php/Karamea_flood_tutorial

    Te recomiendo que lo pruebes (si eres linuxero como yo) porque es tan potente como IBER (o más en el caso de Basilisk, su sucesor) pero mucho más versatil si le sabes sacar el jugo, por ejemplo hacer de corrido n simulaciones variando todos los parámetros que tu quieras sin tener que introducirlos esperando a que acabe la simulación; usa un sistema de mallado dinámico adaptativo bastante bueno, lo cual te quita el engorro de tener que hacer las secciones como pasa con el HEC-RAS; y si no quieres usar manning “no problem” porque eres tu el que tiene que programar (es más fácil de lo que parece) el modelo de fricción que prefieras. Por otro lado si no eres mucho de lenguajes de programación tipo Matlab, C , Python, etc quizás te eche para atrás. Sin embargo te recomiendo que le eches un vistazo al tutorial del enlace sobretodo la parte de resultados.

    • Jordi Oliveras dice:

      Gracias por tu más que interesante aportación, Miguel!
      Efectivamente, es curioso como una pequeñísima variación en el valor de n puede desembocar en resultados muy diferentes.
      Agradecerte la información acerca de GERRIS… tengo que confesarte que cuando veo líneas de programación me colapso directamente… creo que ya no tengo edad para estas modernidades!
      Seguramente a otros lectores del post tu información les irá de perlas!
      Un saludo

  • Pedro Castillo Zavaleta dice:

    Un interesante tema, he tenido experiencia en dos casos de estudios en ríos en el norte del Perú, primero como revisor de proyectos donde los caudales eran toalmente irreales, recomende la rescincion de contratos de los consultores y empecé al reto de calcular mediante Cowan, el valor de manning, identificando primero el parametro de mayor incidencia, en un caso era el material del lecho y en el segundo era la vegetacion del cauce y llanuras de inundación. luego determiné mediante modelo hidraulico el valor del caudal de diseño y mediante simulación con Hec Ras deteminé los parámetros hidráulicos, lo que me permitió calibrar el tirante vs caudal con el valor determinado con Cowan, cercano a la realidad, con el Hec Ras 5.0 beta se hizo la modelación en 2D y el video se lo mostramos a la población que nos alcanzó videos de las avenidas y los comparamos con el modelo, ana simulitud muy buena. Estoy escribiendo un ensayo con estos dos casos, para compartirlos por este medio . Felicitaciones Jordi un buen tema.

  • José Hugo Molina Contreras dice:

    Excelente artículo. luego de revisado me he dado cuenta que es muy util y que nos puede ayudara ahorrar mucho tiempo y a ajustar el valor final del calcula, una vez definamos bien el valor de “n”. para el cauce y/o canal que estemos estudiando. Espero de todo corazón todos los que trabajamos en canales y en general con la Hidraúlica, le consigan un gran beneficio a este artículo.

    Muchas gracias, amigo Jordi.

  • Fernando Villalba dice:

    Por mi experiencia cuando me dedicaba a modelizar ríos, el obtener el coeficiente es una tarea vana y sin mucho sentido mas alla de la pura elucubración mágica si se carece de datos reales de calados en dos puntos reales del río. Esta la única forma de obtenerlo y no es muy complicado si tenemos aforos cercanos o fotografías de cotas en avenidas como por ejemplo la altura maxima a la que llegó en un puente o muro a una determinada hora… cada vez hay más informacion de este tipo y es más facil calibrar, pero apenas se hace caso a este tema.

    El resto es pura magia y desde luego para ríos españoles del sur las tablas no tienen mucha validez.

    Me decanto partidario de usar modelos 2D, que intrinsecamente valoran la geomorfología del río en un grado exponencialmente mayor dando resultados mucho mejores y siendo mucho mas sencillos de hacer y calibrar.

    Recuerdo con sorpresa mis primeras comprobaciones en las que para ajustar los datos salían siempre valores muy altos de Manning (siempre he trabajado en zona sur y levante), por lo que el rozamiento parecía siempre mucho más alto que el expresado en las tablas de los libros.

    Mucho más importante que este coeficiente es modelizar el río bien, y para eso es imprescindible contar con las planicies de inundacion que laminan determinados caudales si y otros no, saber las cotas de desbordamiento, o contar el cambio de n cuando el agua sobrepasa un nivel como por ejemplo la altura de las cañas o matorrales de ribera.

    Gracias por la informacion del Gerris Miguel, le echaremos un vistazo, de todas formas las viejas herramientas tambien permitían correr muchas simulaciones variando parámetros, lo hacíamos con programas propios que llamaban cientos de veces a HEC y obteníamos los ficheros de resultados para comparar.. ¡Cuanto tiempo hemos pasado programando estas cosas¡, jeje, un saludo

    • Jordi Oliveras dice:

      Muchísimas gracias por tu aportación Fernando! Poder contar con las experiencias de profesionales que las compartan es de gran valor! El conocimiento debe compartirse!!!
      Un saludo

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