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Modelo E7 - Hidráulica de Ríos y Canales

El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.

ID:4663

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El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.



Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.



La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.







La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.



Grupo 1: Grupo 1: Flujo en lámina libre

¿Qué define físicamente el flujo en ríos y canales?



Grupo 2: Grupo 2: Saint-Venant: continuidad y momento

¿Qué balances gobiernan la evolución del flujo a lo largo del cauce?



Grupo 3: Grupo 3: Número de Froude y régimen hidráulico

¿Cómo se determina el régimen y qué frontera controla el flujo?



Grupo 4: Grupo 4: Manning: velocidad, geometría, pendiente y rugosidad

¿De qué depende la velocidad media del flujo?



Grupo 5: Grupo 5: Geometría hidráulica y reparto del caudal

¿Cómo se reparte el aumento de caudal entre ancho, profundidad y velocidad?



Grupo 6: Grupo 6: Meandros y geometría del canal

¿Cómo escala la geometría de meandros con el ancho del canal?



Grupo 7: Grupo 7: Propagación de la onda de crecida

¿Cómo se propaga una crecida respecto del flujo medio?

ID:1706

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¿Qué define físicamente el flujo en ríos y canales?



Pregunta clave: ¿Qué define físicamente el flujo en ríos y canales?

La hidráulica de ríos y canales describe el flujo de agua en lámina libre, es decir, con una superficie libre en contacto directo con la atmósfera, bajo la acción de la gravedad. Las ecuaciones de Saint-Venant, ya mencionadas al hablar de las inundaciones y del modelado hidrológico, son las ecuaciones fundamentales de este flujo en canales: combinan una ecuación de continuidad, que expresa la conservación de la masa de agua, con una ecuación de momento, en una sola dimensión a lo largo del cauce; juntas, describen tanto la propagación de las ondas de crecida como el llenado y el vaciado de los valles que se inundan, y la propia morfología del flujo dentro del cauce. El número de Froude, definido como la razón entre la velocidad del flujo y la velocidad a la que se propaga una onda superficial de pequeña amplitud sobre ese mismo flujo, determina el régimen en el que se encuentra el agua: cuando esa razón es menor que uno, el flujo es subcrítico, y son las condiciones que hay aguas abajo las que controlan su comportamiento; cuando esa razón es igual a uno, el flujo es crítico; y cuando esa razón supera el valor de uno, el flujo es supercrítico, y son entonces las condiciones que hay aguas arriba las que lo controlan. Así, desde el flujo en lámina libre con el que arranca este documento hasta esa onda de crecida más rápida que el flujo con la que termina, pasando por el número de Froude, la fórmula de Manning y la geometría hidráulica, la hidráulica de ríos y canales hace que la forma misma de un río —su ancho, su profundidad, su velocidad y sus meandros— quede determinada por el caudal que ese río transporta.

ID:2790

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¿Qué balances gobiernan la evolución del flujo a lo largo del cauce?



Pregunta clave: ¿Qué balances gobiernan la evolución del flujo a lo largo del cauce?

Las ecuaciones de Saint-Venant, ya mencionadas al hablar de las inundaciones y del modelado hidrológico, son las ecuaciones fundamentales de este flujo en canales: combinan una ecuación de continuidad, que expresa la conservación de la masa de agua, con una ecuación de momento, en una sola dimensión a lo largo del cauce; juntas, describen tanto la propagación de las ondas de crecida como el llenado y el vaciado de los valles que se inundan, y la propia morfología del flujo dentro del cauce. La geometría hidráulica describe, a su vez, cómo el ancho, la profundidad y la velocidad de un río escalan con el caudal, tanto en un mismo punto del cauce a lo largo del tiempo como a lo largo de todo el cauce de un extremo a otro; las relaciones de Leopold y Maddock muestran que cada una de estas tres variables crece según su propia potencia del caudal, y que la suma de esas tres potencias es siempre igual a uno, lo que significa que todo el aumento del caudal termina repartiéndose, sin que sobre ni falte nada, entre el ensanchamiento, la profundización y la aceleración del río. El comportamiento esperado de todo este sistema incluye una onda de crecida que se propaga aguas abajo con una velocidad mayor que la velocidad media del propio flujo que la transporta. Así, desde el flujo en lámina libre con el que arranca este documento hasta esa onda de crecida más rápida que el flujo con la que termina, pasando por el número de Froude, la fórmula de Manning y la geometría hidráulica, la hidráulica de ríos y canales hace que la forma misma de un río —su ancho, su profundidad, su velocidad y sus meandros— quede determinada por el caudal que ese río transporta.

ID:2791

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¿Cómo se determina el régimen y qué frontera controla el flujo?



Pregunta clave: ¿Cómo se determina el régimen y qué frontera controla el flujo?

El número de Froude, definido como la razón entre la velocidad del flujo y la velocidad a la que se propaga una onda superficial de pequeña amplitud sobre ese mismo flujo, determina el régimen en el que se encuentra el agua: cuando esa razón es menor que uno, el flujo es subcrítico, y son las condiciones que hay aguas abajo las que controlan su comportamiento; cuando esa razón es igual a uno, el flujo es crítico; y cuando esa razón supera el valor de uno, el flujo es supercrítico, y son entonces las condiciones que hay aguas arriba las que lo controlan. La mayor parte del flujo que se observa en los ríos naturales es, de hecho, subcrítico. El comportamiento esperado de todo este sistema incluye una onda de crecida que se propaga aguas abajo con una velocidad mayor que la velocidad media del propio flujo que la transporta. Así, desde el flujo en lámina libre con el que arranca este documento hasta esa onda de crecida más rápida que el flujo con la que termina, pasando por el número de Froude, la fórmula de Manning y la geometría hidráulica, la hidráulica de ríos y canales hace que la forma misma de un río —su ancho, su profundidad, su velocidad y sus meandros— quede determinada por el caudal que ese río transporta.