Curso de Modelación Hidrológica e Hidráulica en Ingeniería - MOHI
Universidad Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito
Centro de Estudios Hidráulicos
Juan David Rodríguez (ver GitHub)
Andres Humberto Otálora (ver GitHub)
Este curso está concebido para ofrecer herramientas que permiten aplicar conceptos de la hidrología y la hidráulica en la modelación de fenómenos hidrológicos en cuencas y cuerpos de agua, así como la modelación de sistemas hidráulicos a presión y a superficie libre. Podrá desarrollar competencias en el manejo de herramientas computacionales modernas necesarias para modelar, simular y diseñar soluciones a problemas de Ingeniería, así como desarrollar su capacidad para estar en contexto en las áreas de aplicación de la Ingeniería.
Por medio de las herramientas de modelación se podrán reproducir determinados fenómenos o procesos relacionados con el ciclo hidrológico y el flujo o transporte de los fluidos. Sus resultados se emplean en el ámbito de la ingeniería para tratar diferentes aspectos, como los relacionados con el transporte y distribución del agua, la intervención de cauces, el desarrollo de estructuras o vías, la hidráulica fluvial, entre otros.
Entidades públicas, empresas prestadoras de servicios, autoridades ambientales, privados, profesionales y/o estudiantes en Ingeniería Civil, Ingeniería Sanitaria y Ambiental, personal que labore áreas de consultoría en la Gestión del Riesgo, en el sector de agua y obras hidráulicas y el modelamiento de inundaciones como herramienta de planificación para el ordenamiento del territorio.
El curso tendrá un enfoque teórico-práctico. La parte teórica comprende sesiones sincrónicas y presentaciones de forma tal que se abarcan los conceptos básicos y fundamentales sobre las diferentes herramientas para la modelación; y como parte del componente práctico, se desarrollarán ejemplos de uso de las diferentes herramientas, modelaciones y ejecuciones del modelo. En cada sección o módulo, el estudiante deberá desarrollar talleres o actividades prácticas de aplicación de las herramientas.
- Tanto los fundamentos como las prácticas con las diferentes herramientas están explicados en documentos de texto, presentaciones, y videotutoriales, planificados con una complejidad progresiva.
- Para algunas actividades se dispondrá de material multimedia con videos asociados a la plataforma YouTube, al que cada alumno puede acceder libremente.
- Las consultas pueden formularse por medio del espacio de 🔰Ayuda del repositorio en GitHub o mensaje en plataforma de Microsoft Teams.
- Computador con Microsoft® Windows 98/NT/2000/XP/Vista/7/8/8.1/10, audio y video.
- Contar con conexión a internet.
- Software QGIS.
- Software de modelación hidrológica HEC-HMS.
- Software de modelación hidráulica HEC-RAS.
- Software de modelación hidráulica EPANET.
- Software de modelación hidráulica EPA SWMM.
A continuación, se presenta el contenido general del curso. Si desea acceder a un cronograma detallado, ingrese acá: ).
Sección 1. Sistemas de información geográfica (SIG). Fundamentos.
| Microcontenido | Detalle |
|---|---|
| Conceptos Básicos. | Concepto general de los sistemas de información geográfica (SIG), aplicación, utilidad y funciones. Tipos de herramientas SIG. |
| Fundamentos Generales. | Georreferenciación y sistemas de coordenadas. Tipos de datos y codificación. Formatos, registros y atributos. |
| QGIS. Generalidades, usos y estructura. | Introducción a la herramienta QGIS y ArcGIS. Estructura, ventanas, funciones. Visualización, simbología, manipulación gráficas, formatos y desarrollo de gráficas a partir de datos. |
| QGIS. Herramientas de geoprocesamiento. | Algunas funciones espaciales o de geoprocesamiento de las herramientas SIG. Aplicación en QGIS. |
Sección 2. Modelación hidrológica. Software HEC-HMS.
| Microcontenido | Detalle |
|---|---|
| Conceptos Básicos | Generalidades y aplicaciones del software HEC-HMS en cuencas hidrográficas. |
| Estimación de caudales máximos e hidrogramas de crecientes | Aplicación del software HEC-HMS para la determinación del hidrograma de escorrentía directa en una cuenca hidrográfica a partir del concepto de hidrograma unitario. Se utilizarán como valores de entrada un hietograma de diseño. Se tendrá en cuenta el tránsito hidrológico en las corrientes que escurren por la cuenca. |
| Estimación de series de caudales medios diarios | Aplicación del software HEC-HMS para la determinación de series de caudales medios diarios en una cuenca hidrográfica a partir de los conceptos de "tanques sucesivos" |
Sección 3. Modelación hidráulica del flujo a superficie libre. Software HEC-RAS.
| Microcontenido | Detalle |
|---|---|
| ✒️ Parte 1 | Información básica para la modelación en HEC-RAS |
| HEC-RAS. Generalidades, usos y estructura. | En esta clase se presentan las generalidades del software de modelación hidráulica desarrollado por el Hydrological Engineering Center, el cual es uno de los programas de referencia dentro de su campo. Así mismo, su obtención, descarga, instalación, características básicas, uso generalizado, actualización y estructura. |
| Cargue y validación geométrica básica. | En esta clase se presentan las funcionalidades, características y procedimiento general para el cargue y edición de la geometría de un modelo hidráulico. |
| Cargue de información topográfica. | En esta clase se presenta el proceso recomendado para cargar y validad información topográfica para la definición de la geometría del canal con uso de RASMapper y de edición geométrica. |
| Condiciones hidráulicas y simulación 1D en flujo permanente. | En esta clase se presentan la definición de las condiciones hidráulicas y de frontera para la modelación del flujo a superficie libre unidimensional (1D) en condición de flujo permanente. |
| Condiciones hidráulicas y simulación 1D en flujo no permanente. | En esta clase se presentan la definición de las condiciones hidráulicas y de frontera para la modelación del flujo a superficie libre unidimensional (1D) en condición de flujo no permanente. |
| Visualización de resultados. | En esta clase se presentan las diferentes opciones de visualización de los resultados de un modelo unidimensional (1D) incluyendo las visualizaciones en tablas y visualizaciones gráficas. Igualmente, se presentan los errores, avisos (warnings) y notas (notes) comunes que pueden aparecer en el proceso de simulación. |
| ✒️ Parte 2 | Otras aplicaciones y estructuras de control de la herramienta |
| Manning desde capa geoespacial. | En esta clase se presenta el proceso recomendado para la definición del coeficiente de Manning en el modelo hidráulico a partir de un archivo de cobertura de suelo mediante el uso de RAS Mapper. |
| Confluencias y separaciones. | En esta clase se presenta el proceso recomendado para la definición geométrica donde dos o más tramos se unen o separan. |
| Diques. | En esta clase se presenta el uso y aplicación de diques en la simulación hidráulica. |
| Estructuras. | En esta clase se presentan la inclusión de diferentes estructuras en el sistema hidráulico a modelar como puentes, pontones, alcantarillas, presas, vertederos, entre otros. |
| Socavación. | En esta clase se presentan la opción de simulación y cálculo de la socavación local en puentes del sistema hidráulico. |
| ✒️Parte 3 | Modelación hidráulica 2D en HEC-RAS. |
| Modelo de terreno. | En esta clase se presenta el proceso recomendado la creación del proyecto, configuración del RAS mapper y creación del modelo de terreno. |
| Área 2D y malla. | En esta clase se presenta el proceso recomendado para la delimitación del área de drenaje y la creación y definición de la malla del modelo bidimensional (2D). |
| Propiedades geométricas e hidráulicas. | En esta clase se presenta el proceso recomendado para el cálculo de las propiedades hidráulicas y geométricas en las celdas y caras de la malla. |
| Simulación 2D. | En esta clase se presenta el proceso recomendado para la definición de datos y condiciones de frontera y la simulación bidimensional (2D) en condición de flujo no permanente. |
| Resultados y mapas. | En esta clase se presentan las diferentes opciones de visualización de resultados y creación de mapas para los modelos 2D. |
Sección 4. Modelación hidráulica del flujo a presión. Software EPANET.
| Microcontenido | Detalle |
|---|---|
| ✒️ Parte 1 | |
| Generalidades de Epanet | Detalle de las funcionalidades y aplicaciones del software EPANET. Descripción de las partes, ventanas y herramientas que conforman el software. |
| Elaboración y trazado de una red hidráulica. Construcción del esqueleto del modelo hidráulico | Descripción del procedimiento para la construcción del esqueleto de una red utilizando EPANET. |
| Importación de elementos desde AutoCAD a EPANET utilizando EPACAD | Descripción del procedimiento para importar elementos de la geometría de una red (esqueleto) desde AUTOCAD a EPANET utilizando EPACAD. |
| Alimentación del modelo Epanet. Elementos de la red | Un vez construido el esqueleto de la red, se ingresarán los elementos complementarios que componen la red. Entre los elementos y características de la red que se aprenderán a ingresar al modelo se tiene: diámetros, longitudes, nodos y coeficientes de rugosidad. En este módulo se enseñarán las herramientas que permiten adicionar,editar y eliminar accesorios, nodos, tanques y bombas. |
| Resultados. Análisis y revisión | Con la red construida, los accesorios definidos y las características de la red, se describirán los procedimientos para la ejecución del modelo hidráulico y la extracción de los resultados. Se aprenderá metodología para el análisis de la información utilizando herramientas de Office, herramientas SIG y las herramientas integradas directamente en EPANET. |
| ✒️ Parte 2 | |
| Inclusión de demanda variable en los nodos(análisis de periodo extendido) | Se definirán demandas variables en en los nodos que componen la red. Se describirá su aplicación real y se evaluarán los resultados a partir de la definición de diferentes tasas de demanda. |
| Ecuaciones para el cálculo de las pérdidas por fricción. Análisis de la variación de los resultados | En este módulo se describe conceptualmente las diferentes ecuaciones que utiliza Epanet para la determinación de las pérdidas por fricción en los sistemas a presión. Se realizará una comparación de los resultados, modificando las ecuaciones que estiman las pérdidas de energía. |
| Inclusión de rociadores | Utilizando las herramientas de Epanet se simularán los accesorios tipo rociadores en sistema hidráulico a presión.. |
| Curvas de rendimiento | Utilizando las herramientas de Epanet se incluirán curvas de rendimiento de bombas hidráulicas. Se analizarán las características de una curva de rendimiento real y se analizará la variación de los caudales en un sistema hidráulico a presión cuando variando la curva de rendimiento de una bomba |
| Tanque de alimentación asimétricos | Utilizando las herramientas de Epanet se incluirán tanques de alimentación con formas asimétrica (diferentes a un cubo o a un paralelepípedo) en un sistema hidráulico con una red de flujo a presión. |
| Válvulas y accesorios con pérdidas menores | Se adicionarán en algunos tramos de una red hidráulica previamente elaborada algunos accesorios que generará pérdidas menores. Adicionalmente se agregarán válvulas con especificaciones de apertura |
| Incorporación de datos para la calibración de una red hidráulica utilizando EPANET | A partir de valores de entrada predefinidos realizar un proceso de calibración a partir de la modelación secuencial de una red utilizando la herramienta de calibración incorporada en EPANET. |
Sección 5. Modelación hidráulica de redes de drenaje o alcantarillado. Software SWMM.
Este curso aporta al desarrollo de ciertas habilidades y competencias en el desarrollo profesional:
- Identificar problemas relacionados con la modelación de fenómenos hidrológicos en cuencas y cuerpos de agua y modelación de sistemas hidráulicos a presión y a superficie libre.
- Relacionar e interpretar conceptos aplicando competencias matemáticas y científicas, a partir de principios y leyes fundamentales de la ciencia para la comprensión de problemas prácticos y aplicados de modelación de fenómenos hidrológicos y sistemas hidráulicos.
- Evaluar y brindar soluciones a problemas de modelación hidrológica e hidráulica aplicando los conocimientos y metodologías propias de la asignatura, en el marco de un raciocinio espacial, lógico y matemático.
- Aplicar técnicas, métodos y herramientas computacionales para procesar datos, modelar y simular fenómenos hidrológicos en cuencas y cuerpos de agua y modelación de sistemas hidráulicos a presión y a superficie libre.
- Evaluar de forma crítica resultados de modelos analíticos y numéricos que simulan el comportamiento de fenómenos hidrológicos y sistemas hidráulicos.
- Deducir conclusiones lógicas y coherentes a partir de los resultados de modelos analíticos y numéricos obtenidos y con criterio ingenieril.
- Interpretar requerimientos y necesidades de la hidrología y el transporte de fluidos y traducirlos en proyectos de ingeniería, considerando las variables de orden técnico y las restricciones aplicables.
- Contrastar diferentes alternativas adecuadas y eficientes seleccionando los recursos de manera apropiada para resolver problemas que involucren la simulación y modelación de sistemas hidrológicos e hidráulicos.
- Calcular la solución propuesta a través de la simulación de fenómenos hidrológicos e hidráulicos haciendo uso de los métodos, técnicas, normas y estándares apropiados.
- Comunicar ideas de forma oral, escrita y gráfica de manera efectiva con una variedad de audiencias.
- Desarrollar actividades de manera eficaz en un equipo con actitud de liderazgo, aportando a entorno colaborativo e inclusivo, estableciendo metas y cumpliendo objetivos.
- Reconocer comportamientos éticos y asume responsabilidad por los proyectos y trabajos realizados, tomando decisiones de manera informada y justa.
- Adquirir y aplicar nuevo conocimiento según sea necesario, utilizando estrategias apropiadas de aprendizaje.
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Este curso ha sido desarrollado con el apoyo de la Escuela Colombiana de Ingeniería - Julio Garavito. Encuentra más contenidos en https://github.com/uescuelaing