Modelización hidráulica de desembocadura de rías en Asturias

Nalon_geoHECRAS

A lo largo de las próximas semanas quiero compartir contigo algunos servicios que he tenido la suerte de realizar en los últimos meses… el primero: una modelización hidráulica de la desembocadura de dos rías en Asturias.

Y es que parece que poco a poco, después de año y medio trabajando el proyecto personal HidrojING, no sólo puedo decir que se ha ido creando una comunidad de locos por el agua que ya cuenta con más de mil HidrojINGers, sino que el blog, su difusión y la construcción de la marca personal que ello conlleva ha empezado a dar sus frutos en forma de contactos, encargos y colaboraciones… unos más pequeños, otros más grandes, y otros que están en proceso de gestación… Total, que desde abril que he tenido la suerte de no parar!!!

Y como este blog es un lugar de compartición de conocimientos, he querido escribir unos posts dedicados a esos trabajitos que los últimos cuatro meses me han tenido ocupado, y que alguna consecuencia han tenido en la frecuencia de publicación del blog… el cual por cierto está abierto a todos aquellos que queráis aprovecharlo para compartir vuestros conocimientos… así que si te interesa publicar, sólo tienes que ponerte en contacto conmigo y hablamos!!!

El primer servicio que voy a contarte es uno curioso… el encargo vino de parte de un seguidor del blog, estudiante de un Máster cuyo trabajo final era la evaluación energética del tramo final de desembocadura de dos rías de Asturias: la de Avilés y la de Nalón…

Aviles_ambito Nalon_ambito

Para ello necesitaba realizar la modelización hidráulica de esos tramos de rías, y por eso contactó conmigo…

Planteando la modelización hidráulica: creación de la geometría de los modelos

El objetivo de la modelización era averiguar qué partes de esos tramos de rías presentaban unas velocidades de paso de flujo más òptimas que permitieran su aprovechamiento energético con turbinas. Para la realización de la modelización hidráulica de ambas rías utilicé HEC-RAS… Sí, quizá hubiera sido más acurado un modelo 2D, pero concretamos que para el cometido final con un modelo 1D era suficiente… Así que, con este  punto de partida empecé a trabajar en el modelo, para lo cual hay que empezar por definir la geometría.

La definición de la geometría se planteó mediante Hec-GeoRAS a partir de los MDE Lidar 5×5 disponibles en el Instituto Geográfico Nacional… pero esta fuente de información tiene un “problema”… para el objetivo concreto del estudio queda incompleto, ya que la información del fondo de las rías y de la zona marítima de las desembocaduras es poco precisa y fiable, pero sirve para ubicar las secciones y generarlas de manera que permitan definir las especiales características de la geometría como por ejemplo las transiciones de cauce natural a portuaria en Avilés y sus ensenadas, o la sinuosidad, islotes, humedales y puerto de la ría de Nalón.

Aviles_GeoRAS Nalon_GeoRAS

Con estas secciones ya se puede pasar a trabajar con HEC-RAS, actualizando esas zonas llanas de los cauces que se aprecian en los TIN… ¿a partir de qué información? La solución a este problema me lo proporciono el propio contacto: unas cartas náuticas con la cartografía del fondo medida por sondeos. Así que, tocó efectuar una actualización artesanal de las secciones de río según la información de las cartas náuticas para obtener perfiles y fondos de secciones “reales” así como espigones que en el MDE no aparecen.

Ahora bien, para actualizar el fondo de las rías hay que tener en cuenta cuál es el cero de referencia de los valores de profundidad de las sondas… y es que éstas se basan en el Cero Hidrográfico, el cual no es el mismo qu el cero de la cartografía del IGN, el cual es el Nivel Medio del Mar en Alicante… Así pues, cada valor de profundidad de sonda en la carta naútica deberá profundizarse 2’11m para que “encaje” con el MDE de referencia con el que se ha creado la geometría de “superfície”… ¿Por qué 2’11m? La respuesta está en la ficha de mareógrafo, lo cual se explica más adelante.

Pero el trabajo de definición de la geometría no acaba ahí… Hay que decirle al programa cómo debe tomar en consideración la geometría de las secciones. Para ello, nada mejor que la ubicación de levees y áreas inefectivas de flujo… Los primeros permiten decirle al programa cómo de debe considerar la inundación de las secciones, de manera que no inunde zonas bajas de la sección fuera del cauce a no ser que el nivel supere cierta cota… Los segundos indican qué partes de las secciones no deben computarse en el cálculo hidráulico, al quedar en zonas donde no hay continuidad de flujo o ésta queda estancada con velocidades próximas a cero.

De este modo se identifican como zonas de secciones del primer tipo humedales y otras zonas deprimidas en terreno urbano. Como zonas de secciones del segundo tipo, esos mismos humedales que se inundan pero en las que queda agua estancada o las zonas de “playas”, ensenadas o puertos… Finalmente, para terminar de definir unas geometrías lo más acuradas posible, efectué una interpolación densa de secciones… y como resultado de la cual otra tanda de actualización “artesanal” de secciones interpoladas para arreglar los desajustes que genera la interpolación automática, que toma para interpolar líneas de referencia uniendo dos puntos de secciones que en realidad no tienen continuidad. Al final, tuve terminada la generación de las geometrías, que quedaron tal que así:

Aviles_geoHECRAS
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Completando la modelización hidráulica: definición de la hidráulica de los modelos

Queda por definir la hidráulica de los modelos, es decir, qué caudales y condiciones de contorno implementar… y es precisamente éste último aspecto el que determina cómo establecer la hidráulica. Y es que la zona donde se ubican los tramos a estudiar, y más concretamente dónde desembocan, presenta una característica importante: se ve sometida a la acción de las mareas. Esto de entrada implica que la modelización hidráulica deberá hacerse en régimen no permanente, y en consecuencia tener que establecer la hidráulica de la siguiente manera:

Por el extremo aguas arriba de los modelos, definir una entrada de caudal en forma de hidrograma (Flow Hydrograph)… pero a falta de datos temporales se plantea un hidrograma plano, es decir, con caudal constante a lo largo del tiempo de duración de la simulación. ¿Y qué caudales? Pues la fuente de información se ha obtenido del Plan Hidrológico de Cuenca de la Confederación Hidrográfica del Cantábrico, concretamente del anejo correspondiente al ESTUDIO DE CAUDALES MÍNIMOS POR MÉTODOS HIDROLÓGICOS.

Por un lado, la ría de Avilés tiene como característica especial que su cuenca es muy pequeña y que además está regulada por el embalse de Trasona. Esta situación es lógica, teniendo en cuenta que la desembocadura de la ría es usada principalmente como puerto, con lo que se precisa que los niveles de agua vengan marcados básicamente por las frecuencias de mareas. Por el otro, la ría de Nalón es el cauce más importante de Asturias, con lo que los caudales de avenida que fluyen por la ría pueden llegar a ser considerables. Debido a sus dimensiones, la ría está dividida en el Estudio de caudales en hasta 5 tramos, del cual se ha escogido para el  modelo hidráulico los datos correspondientes al tramo Nalón V.

Para que se pueda estudiar las posibilidades energéticas de la rías se definen para cada una de ellas tres caudales de avenida: el correspondiente al percentil 5 de la Media de Caudales, el correspondiente al percentil 15 de la Media de Caudales y el correspondiente al Q natural de la Media de Caudales. En cada caso, el flujo inicial toma los mismo valores.

Y por el extremo aguas abajo, es donde se debe definir la interacción con las mareas… Para implementarlas en la modelización hidráulica se define en la sección aguas abajo una Stage Hydrograph, que permite determinar en cada instante de tiempo la cota de la lámina de agua. ¿Pero qué cotas alcanza la lámina de agua? De nuevo la información se puede obtener en Internet, de la página web de Puertos del Estado, en la que se pueden consultar distintos parámetros. Se escogió para el caso concreto del estudio los datos del mareógrafo de Gijón II, de cota de lámina de agua horaria durante el periodo de una semana, a partir de los cuales se obtiene una serie de datos sinusoidal.

Evolucion marea

Para implementar esos datos hay que tener en cuenta que los valores de elevación de lámina de agua están referenciados al cero del mareógrafo, y hay que modificarlos respecto del cero de referencia del IGN, el Nivel Medio del Mar en Alicante. Para ello, la ficha técnica del mareógrafo tiene la clave, y en este caso hay que sustraer 236cm al valor de la tabla de datos. También en la ficha se puede obtener la relación entre Cero Hidrológico y Cero IGN (ya está resuelto el misterio de unos párrafos más arriba!!!)

esquema mareografo

Finalmente ya está el modelo creado… sólo queda computarlo y ver cómo resulta.

Resultado la modelización hidráulica: perfiles, secciones y animaciones.

Después de todo el proceso, y aunque el análisis de los mismos no era mi cometido principal, sí que me picó la curiosidad de cual era el resultado… para ello en primer lugar consulté los perfiles de velocidades de cada simulación para ubicar en qué secciones se situaban los máximos.

Perfil velocidades Aviles Perfil velocidades Nalon2 Perfil velocidades Nalon

El primer perfil es de la simulación de la ría de Avilés con caudal de avenida máximo, mientras que los otros dos son los de la ría de Nalón con caudal de avenida mínimo y máximo, respectivamente. Para la ría de Avilés, al tener unos caudales de avenida bajos, el componente principal que fomenta el flujo y ofrece velocidades es la marea en su doble dirección, y por eso la gráfica de velocidades es muy simétrica y con valores pequeños que ofrecen la entrada de marea hacia tierra y su regreso posterior al mar. De manera que las máximas velocidades se dan en una zona muy concreta.

En cambio en Nalón esa simetría no es tan clara para caudales bajos de simulación, y es inexistente en la simulación de caudales altos, variando incluso la ubicación de las zonas de máxima velocidades así como sus valores. Si se ubican en planta esos resultados se identifican las siguientes posiciones de secciones con máxima velocidades alcanzadas. La imagen superior izquierda corresponde a la de la ría de Avilés, y las otras tres a la ría de Nalón:

Ubicacion maximo Aviles Ubicacion maximo Nalon1
Ubicacion maximo Nalon2 Ubicacion maximo Nalon3

Y ya para acabar… algo que, personalmente, encuentro hipnótico… los vídeos de las simulaciones en HEC-RAS… donde se aprecia perfectamente la acción de las mareas… Comentar que se trata de los vídeos correspondientes a simulaciones de comprobación de que los modelo funcionan con las mareas, en las que el caudal de avenida por el extremo aguas arriba és muy, muy pequeño… Espero que os hipnoticen tanto como a mí.

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En fin… Acabando de editar el post, he visto que se trata de una publicación bastante extensa, pero creo que era necesario que así fuera, para poder explicar (y sólo de manera resumida) el proceso de desarrollo de un encargo interesante, tanto por el ámbito, características y cometido… Espero no haberte aburrido, y que te haya resultado de interés… 

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