UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL, ARQUITECTURA Y GEOTECNIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA-GEOTECNIA
PLAN DE TESIS
ANÁLISIS COMPARATIVO DE UN MODELO HIDRODINÁMICO UNIDIMENSIONAL UNIDIMENSIONAL PARA FLUJO NEWTONIANO Y NO NEWTONIANO DEL RIO SECO ZONA URBANA TACNA
PRESENTADO POR
MIGUEL ANGEL BANDA FLORES AGOSTO, 2013
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1. TITULO ANÁLISIS COMPARATIVO DE UN MODELO HIDRODINÁMICO UNIDIMENSIONAL PARA FLUJO NEWTONIANO Y NO NEWTONIANO DEL RIO SECO ZONA URBANA TACNA
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 2.1. Identificación del problema: O'Brien J.S. and Julien, P. (1985), refiere que los flujos muy viscosos hiperconcentrados de sedimentos son llamados en general flujo de barros o de detritos. Los flujos de barro son no homogéneos, no newtonianos, eventos de crecida cuyas propiedades de fluido cambian significativamente cuando descienden por los canales de la cuenca o a través de los abanicos aluviales. Su comportamiento está definido por las propiedades de la matriz de fluido (consistente de agua y sedimentos finos), la geometría del canal, la pendiente y rugosidad. A concentraciones suficientemente altas los sedimentos finos alteran las propiedades del fluido incluyendo la densidad, viscosidad y tensión de corte. El rango total de los flujos hiperconcentrados de sedimentos cubre desde las crecidas de agua a crecidas de barros, flujos de barro y deslizamientos, distinguiéndose por los procesos físicos que involucran Daly G. Palomino Cuya (2005), refiere que todas las áreas urbanas donde el hombre intensifica sus actividades económicas y sociales son consideradas problemas ambientales. Todos los desastres naturales deterioran el entorno ambiental del hombre porque degradan la calidad de vida de sus habitantes, la calidad de los recursos naturales renovables existentes y producen un desequilibrio ecológico substancial, y el hecho hace de que dichas áreas se hagan vulnerables a la actividad de los diversos desastres naturales, también el propio hombre deteriora su seguridad; así por ejemplo el abandono de andenería en ciertas zonas, el sobrepastoreo con ganado caprino y por consiguiente la desaparición de pastos, arbustos y suelos pueden acelerar los procesos de avenidas de huaycos u otros flujos torrenciales.
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Jorge A. Medina Rosell (2009), manifiesta que el fenómeno de las inundaciones, de acuerdo con la características climáticas del lugar, puede estar presente en algunas zonas urbanas, suburbanas y rurales de un territorio, y sus efectos pueden ir progresivamente agravándose con impactos negativos de la vida y economía de la región debido entre otros aspectos, a: La construcción de infraestructuras sociales de toda índole en el valle de inundación de los cauces, la disminución de la capacidad de evacuación de los cauces producto de la construcción de puentes en diferentes zonas de ellos, que los cauces se han ido progresivamente obstruyéndose como resultado de un permanente proceso de sedimentación. La sedimentación en gran medida es el resultado de los fenómenos de erosión que se debe, en algunos casos, a la falta de medidas para la conservación de la cobertura vegetal de las cuencas hidrográficas. En estas condiciones, los lechos de los ríos de las cuencas sufren un proceso continuo y progresivo de azolvamiento, lo cual por una parte disminuye la sección del cauce y reduce la capacidad del río para conducir grandes caudales, y por otra parte, provoca cambios en el curso de los afluentes ramales principales del sistema fluvial: La pobre protección de las laderas en algunas zonas de riesgo sometidas a las inundaciones, el insuficiente drenaje de los suelos de la zona alta de las cuencas originado por la propia estructura de los mismos que infiltran poco y escurren casi toda la precipitación y la considerable obstrucción de los cauces en algunas zonas.
2.2. Delimitación del problema: 2.2.1. Ámbito Social: El estudio se ubica en el área urbana, orientado al recorrido fluvial del río Seco, el cual se activa en periodos de lluvias o avenidas que se dan entre diciembre y marzo de los años húmedos. 2.2.2. Ámbito Espacial: El área de estudio se encuentra ubicado en el sector SE del Distrito de Gregorio Albarracín – Cono Sur de la Ciudad de Tacna, Provincia y Región de Tacna.
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3. FUNDAMENTO Y JUSTIFICACION DEL TEMA A INVESTIGAR En temporadas de lluvias las quebradas son las formas más vulnerables y difíciles que debemos enfrentar, y los huaycos es el tipo de flujo característico que causa daño a lo largo de todo su recorrido. Principalmente, en la zona baja del cauce, el huayco demuestra su poderío destructivo ocasionando el colapso de los muros de contención enterrando y puentes; cubriendo carreteras, campos y viviendas, con una gran manta de lodo y piedras de diversos tamaños. En la zona de estudios no se he llevado a cabo todavía un estudio con flujos no newtonianos, por tal motivo es necesario llevar a cabo dicho estudio, haciendo un modelado con flujos no newtonianos, que resulta muy importante, ya que esta situación, se aproxima más a la situación real. Indudablemente que existen estudios anteriores donde el modelamiento ha sido realizado usando únicamente modelos para flujos newtonianos unidimensionales.
4. OBJETIVOS 4.1. OBJETIVO GENERAL: Elaborar un modelo unidimensional para realizar un análisis comparativo de un flujo newtoniano y flujo no newtoniano del río Seco la zona urbana de la ciudad de Tacna, con la finalidad de determinar la vulnerabilidad del cauce ante desbordes e inundaciones. 4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS:
Elaborar un modelo unidimensional para flujos newtonianos.
Elaborar un modelo unidimensional para flujos no newtonianos.
Identificar las causas de colapso de los muros de concreto existentes.
Estudiar el transporte y deposición de sedimentos.
5. HIPOTESIS El modelo hidrodinámico unidimensional para flujo no newtoniano permitirá un mejor análisis del comportamiento del rio seco de la zona urbana de Tacna.
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6. VARIABLES Identificación de las variables Para un mejor análisis comparativo del rio seco de la zona del rio seco de Tacna, queda definida por estos parámetros:
Parámetros de forma
Parámetros de flujos hiperconcentrados
Característica de las variables Parámetros de Forma La forma de una cuenca influye sobre los escurrimientos y sobre la marcha del Hidrograma resultante de una precipitación dada. Dentro de los parámetros de forma tenemos:
Longitud del Rio (L): El Longitud (L) es la longitud del límite superior e inferior del rio L = 1.58 km
Parámetros de flujo hiperconcentrados Concentración por volumen: =
. . +.
• Peso específico de la mezcla:
Ɣ = Ɣ + (Ɣ − Ɣ • Factor de incremento volumétrico
(Bulking Factor):
=
1 (1 − )
7. MARCO TEORICO Monsalve (1995), la Escorrentía Superficial es el fenómeno más importante desde el punto de vista de ingeniería, y consiste en la ocurrencia y el transporte de agua en la superficie terrestre. La mayoría de estudios hidrológicos están orientados al aprovechamiento del agua superficial y a la protección contra los fenómenos provocados por su movimiento. De 5
la precipitación que alcanza el suelo, parte queda retenida ya sea en depresiones o como película en torno a partículas sólidas. Del excedente de agua retenida, parte se infiltra y parte escurre superficialmente. Se define como exceso de precipitación a la precipitación total caída al suelo menos la retenida e infiltrada. Mejía (2006), La naturaleza de la escorrentía superficial en una determinada región es una función de las características físicas, hidrológicas, vegetativas y climáticas de la misma. El estado del conocimiento en materia de simulación hidráulica de ríos, se inició con el interés del hombre en describir el comportamiento del flujo en canales abiertos e interpretar el escurrimiento superficial como parte del ciclo hidrológico. Así, la modelación matemática del flujo en cauces naturales va evolucionando conjuntamente con la capacidad de los ordenadores y el desarrollo del cálculo numérico en general. Desde el año 1871, cuando Barre de Saint Venant planteo las ecuaciones hidrodinámicas que gobiernan el flujo unidimensional, hasta la fecha; continúan las investigaciones con el intento de dar solución a ecuaciones complejas, mediante esquemas numéricos cada vez más cercanos a la realidad, como también dar solución a los problemas suscitados por estos esquemas, mediante comparaciones de modelos aplicados a problemas de ingeniería y dinámica fluvial. La evolución de la modelación numérica se suele describir dividiendo su historia en base a generaciones de modelos (Cunge, 1989), (Abbott, 1991). La primera generación, en los años 50, consistió simplemente en utilizar primitivos ordenadores o calculadoras programables para la resolución de ecuaciones matemáticas. La segunda generación (años 60) fueron modelos numéricos que se construían enteramente, del principio al fin, para un problema concreto, destacando como adelantado a su tiempo, el modelo del delta del río Mekong (Cunge, 1975). La tercera generación supuso la creación de esquemas numéricos básicos, cada uno para un tipo de problema, que podían luego adaptarse con relativa facilidad para un estudio concreto de un río o un área determinada, es decir, para desarrollar un modelo a partir de unas herramientas existentes. Con esta tercera generación, que se prolongó hasta mediados de los 80, la modelación numérica se convirtió en una herramienta práctica que podía ser adquirida o construida por las principales empresas consultoras y comportó el desarrollo de métodos numéricos refinados y eficientes. Un inconveniente de los modelos 6
de esta generación era su complejidad de uso, por lo que el productor y el usuario generalmente debían ser el mismo, siendo tan solo los resultados los que eran transferidos al cliente. La cuarta generación ocurrió gracias a la generalización de los ordenadores personales, cada vez más económicos y potentes, y ha supuesto la popularización definitiva del uso de modelos numéricos en el campo de la hidráulica. En esta generación se han construido una serie de paquetes informáticos, o sistemas de modelación, económicos y de uso sencillo y amigable, de manera que un usuario distinto del constructor puede utilizarlos y crear sus propios modelos para problemas relativamente estándares. Los modelos de la cuarta generación, que son los que mayoritariamente se utilizan actualmente, requieren sin embargo personas con suficiente criterio y conocimiento en hidráulica para asegurar que los datos han estado utilizados de manera correcta y para una buena interpretación de los resultados. La quinta generación, todavía en sus inicios, sería la inclusión de los modelos hidráulicos dentro de sistemas informáticos más amplios junto con otros modelos complementarios (meteorológicos, hidrológicos etc.), con actualizaciones y adquisición de datos automatizadas (a través por ejemplo, de sensores colocados en sitios estratégicos, imágenes vía satélite, sistemas de información geográfica y otras bases de datos) y verdaderamente expertos, es decir, que integren el conocimiento en distintos campos y sean capaces de expresar los resultados de manera comprensible para una persona no experta en hidráulica, e incluso capaces de tomar decisiones. Abbott (1991) sugiere el término de hidroinformática para esta quinta generación de modelos, que supone la unión entre la hidráulica computacional, la inteligencia artificial y los sistemas de apoyo a la toma de decisiones DSS (Decisión Support System).
8. METODOLOGIA La metodología empleada consiste en las siguientes fases: -
Fases de Gabinete: En esta primera fase se procederá a investigar y buscar toda la referencia histórica de trabajos realizados en la zona de estudio y zonas aledañas. Revisión de información cartográfica, impresa y digital. Imágenes satelitales, levantamientos topográficos anteriores, etc. 7
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Fase de Campo: En esta fase se procederá a realizar el trabajo de campo en primer lugar un levantamiento topográfico detallado con curvas de nivel cada 1,0 m o 0,5 m., si fuera posible. Trabajo campo detallado para determinar condiciones físicas del cauce, materiales existentes en las secciones, etc.
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Fases de Gabinete: Se procederá a procesar toda la información recolectada o levantada en campo y elaboración del modelo unidimensional hidrodinámico, para efectuar las simulaciones respectivas.
Como herramienta utilizaremos un Modelo Numérico Computacional para la simulación de flujos de lodo y escombros. Este modelo es el FLO-2D versión 2009 (O´Brien & Julien). aplicado en diferentes partes de Bolivia y Venezuela y Perú. En tal sentido la metodología se orienta principalmente a la generación de los caudales con flujos newtonianos y no newtonianos, que permitirán simular la respuesta hidráulica del rio. Para el trabajo planteado se recopilará toda la información hidrométrica existente en el área de estudio. Asimismo se efectuará una revisión de los estudios anteriores. La información hidrológica será analizada estadísticamente utilizando pruebas estándar adecuadas, esto con la finalidad de evaluar su homogeneidad o consistencia de las series a ser utilizadas en el presente trabajo. En la figura No. 01, se muestra el plano de ubicación de la zona de estudio.
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Figura No. 01: Ubicación del tramo de cauce estudiado
9. CRONOGRAMA El trabajo planteado, se estima que puede desarrollarse en un periodo mínimo de 2 meses a partir de la presentación del mismo. Las actividades a desarrollarse se muestran en el Cuadro No. 01, y se detalla el tiempo estimado en el desarrollo de las mismas. Cuadro No. 01: Cronograma de actividades ACTIVIDAD
QUINCENAS 1
RECOLECCION DE INFORMACION, REVISION, TRABAJO DE CAMPO
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PROCESAMIENTO DE INFORMACION Y DATOS, TRABAJO DE CAMPO DE VERIFICACION
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ELABORACION, CALIBRACION DE LOS MODELOS
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SIMULACION DE DIFERENTES ESCENARIOS, VERIFICACION EN CAMPO
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DISCUSIÓN, COMPARACION, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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ELABORACION INFORME FINAL
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PRESUPUESTO El presupuesto estimado asciende a los S/. 10 000,00 que incluye trabajo de campo, procesamiento de información y otros. La fuente de financiamiento es recursos propios del interesado.
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10. ESQUEMA DE TRABAJO El esquema de trabajo es el siguiente en forma tentativa: RESUMEN ABASTRACT TABLA DE CONTENIDO 1 CAPITULO I: INTRODUCCION 2 CAPITULO II: REVISION BIBLIOGRAFICA 3 CAPITULO III: EVALUACIÓN HIDROLOGICA DEL RIO SECO 4 CAPITULO IV: DESARROLLO DEL MODELO HIDROLOGICO 5 CAPITULO IV: DESARROLLO DEL MODELO HIDRAULICO 6 CAPITULO V: DISCUSION DE RESULTADOS 7 CAPITULO VI: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 8 CAPITULO VII: BIBLIOGRAFIA 9 CAPITULO VIII: ANEXOS
11. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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