1.2 Modelo numérico de pronóstico de tiempo
La modelización numérica de la hidrodinámica de ríos precisa del uso de la teoría hidráulica del flujo en lámina libre y de los métodos numéricos, para resolver las ecuaciones de conservación de masa, entre otras. El conjunto se ha definido recientemente como hidroinformática.
Los modelos numéricos de predicción del tiempo son abstracciones de representaciones del mundo real aplicadas al tratamiento predictivo, quediscretizanáreas ocuerposendos o tres dimensiones respectivamente, aplicando funciones aproximadas del comportamiento de las propiedades que se quieren estudiar y juegan un papel clave en el proceso de la predicción del tiempo.
Un sistema moderno diario de pronóstico del tiempo consiste en cinco componentes:
1) Recopilación de datos (estaciones meteorológicas de superficie, boyas marítimas, datos de satélites, etc).
2) Asimilación de datos (se realiza en cada institución meteorológica del mundo).
3) Predicción numérica del tiempo (a través de los modelos matemáticos de pronóstico).
4) Post-procesamiento de modelos de salida (intervención humana).
5) Presentación del pronóstico al usuario final (páginas web, difusión en los medios, etc.).
De acuerdo con las escalas espaciales a las que se aplican, los modelos meteorológicos se pueden clasificar en tres grandes bloques: los modelos globales, los modelos regionales (o de mesoescala) y los modelos de micro escala. Los primeros se encargan fundamentalmente de la predicción numérica del tiempo a escala planetaria o de los estudios de cambio climático, los modelos regionales son los que sirven para reproducir fenómenos de mesoescala y predecir el “tiempo local” y los modelos de microescala se diseñan para simular fenómenos turbulentos y superficiales de especial interés en la simulación de dispersión de contaminantes.
1.3 Métodos existentes
1.3.1 Método unidimensional
En los métodos de una dimensión lo habitual es considerar el río como una línea, con una serie de puntos de cálculo que son las secciones transversales, de manera que la geometría del cauce es una propiedad de cada punto de cálculo o sección. Para utilizar estos métodos, se deben cumplir algunas hipótesis básicas que influencian los resultados del modelo, podemos mencionar que el flujo de agua se produce en el sentido del eje del río y es perpendicular a cada sección transversal; la cota y la velocidad del agua es constante en cada sección. El modelo más utilizado para métodos unidimensionales es el Hec-RAS.
El modelo hidrodinámico unidimensional resuelve las ecuaciones promediadas de Saint Venant para flujo permanente y no permanente (Hec-RAS, 1999). La herramienta numérica resuelve las ecuaciones en dirección del flujo dentro del dominio que representa a la región de estudio.
1.3.2 Método bidimensional
En dos dimensiones el río ya no se discretiza como una línea con una serie de secciones transversales, sino como una malla formada por una serie de celdas poligonales que representan la topografía del cauce y llanuras de inundación. Dicha malla puede ser regular o irregular, estructurada o no estructurada. La mayor flexibilidad para una buena representación de la geometría y contornos se suele conseguir con una malla irregular.
Figura 1. Ejemplo de imagen obtenida con el método unidimensional.
Existen modelos comerciales que permiten, para su mejor estudio, una combinación de esquemas 1D y 2D, un ejemplo de esto es el IBER. Este consta de un módulo hidrodinámico que permite la simulación bidimensional de cauces (y en consecuencia posibilita la definición de zonas inundables, la delimitación de vías de intenso desagüe o en general la zonificación del Dominio Público Hidráulico), un módulo de turbulencia y un módulo de transporte sólido por arrastre de fondo y en suspensión para la cuantificación de procesos de erosión y sedimentación.
Otro ejemplo de este tipo de modelos es ISIS, que es un software conformado por un conjunto de módulos que ofrece soluciones numéricas para simular flujo de agua, hidrología, cambios en la calidad de agua y transporte de sedimentos en ríos, llanuras de inundación, canales, estuarios, cuencas y áreas urbanas.
ISIS es adecuado en un amplio espectro de aplicaciones ingenieriles y medioambientales, desde el cálculo de curvas de remanso en canales a superficie libre, hasta el modelado de cuencas enteras.
La lista de requisitos que un modelo bidimensional deberá cubrir para ser utilizado en la descripción de flujos de inundación en llanuras incluye los siguientes:
El campo de flujo debe ser representado en al menos dos dimensiones, representándose procesos dinámicos conocidos.
Se debe utilizar un algoritmo numérico eficiente que haga tratable el problema desde el punto de vista computacional.
El modelo deberá representar la topografía del terreno y la forma arbitraria de los ríos en la planicie (ej. meandros).
El esquema numérico deberá ser capaz de manejar fronteras movibles en la planicie de inundación, asociadas con el mojado y secado de elementos. Ver figura 3.
Figura 2. Ejemplo de imágenes obtenidas con el método bidimensional.
El Principio de Saint-Venant como modelo bidimensional establece que los sistemas estáticamente equivalentes producen los mismos efectos que los otros modelos descritos anteriormente.
Figura 3. Esquema numérico de Pressmann.
1.3.3 Método tridimensional
La utilización de modelos tridimensionales para el cálculo de zonas inundables es mucho menos común que la de los modelos 1D y 2D, debido a que la extensión espacial del modelo requeriría la utilización de mallas de cálculo de varios millones de elementos, con un coste computacional muy elevado. Los modelos 3D aplicados a hidráulica fluvial se suelen restringir al estudio del flujo local en meandros o en torno a estructuras hidráulicas como pilas de puentes, vertederos o compuertas.
Los modelos 3D utilizan distintos tipos de discretización espacial, la cual suele estar relacionada con el método utilizado para el tratamiento de la lámina libre. Una posibilidad muy extendida es la utilización de capas sigma (Phillips, 1957) para generar la discretización vertical, que consiste en una malla 2D horizontal a partir de la cual se generan un número determinado de capas en la dirección vertical, que tienen un espesor variable y se distribuyen entre el fondo y la lámina libre. Además, se pueden conseguir algunos programas para modelado 3D de manera gratuita, tales como Flow3D, el cual ha sido utilizado en un gran número de aplicaciones de ingeniería hidráulica, fluvial y medioambiental, incluido el cálculo de zonas inundables
Figura 4. Ejemplo de imagen con el método tridimensional