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iRIC y sus aportes en Morfodinámica computacional
- 2 noviembre, 2023
- Categoria: Noticias
En este blog presentamos una de las aplicaciones producto del modelado morfodinámico computacional de sistemas acoplados flujo-lecho-sedimento que se desarrolló con uno de los solucionadores incluidos en el paquete de software de dominio público International River Interface Cooperative (iRIC)
Las demandas computacionales para los modelos de evolución de canales pueden ser grandes para dominios grandes, por lo que se necesitan elecciones juiciosas de escala temporal y espacial, ya que los tiempos de ejecución de los modelos de evolución de canales que se muestran aquí varían de horas a unos pocos días en las PC típicas.
Canales serpenteantes
La morfología de los ríos naturales está determinada por la interacción del flujo, el transporte de sedimentos, la morfodinámica del lecho y los procesos de erosión y deposición de las orillas. En el pasado, muchos estudios han intentado abordar los mecanismos que dan lugar a las formas de los ríos (Hasegawa, 1978 , 1984 ; Ikeda et al ., 1981 ; Engelund, 1974 ), pero la mayoría de esos estudios han sido cualitativos, con poca capacidad predictiva directa. capacidad para la evolución interconectada de lechos y márgenes de los ríos.
Varios modelos numéricos serpenteantes han empleado la ecuación de migración bancaria desarrollada por Hasegawa ( 1978 , 1984 ) e Ikeda et al . ( 1981 ) para demostrar la evolución de formas complejas de ríos con cortes de canales (Johannesson y Parker, 1989 ; Sun et al ., 2001 ; Zolezzi y Seminara, 2001 ; Lanzoni y Seminara, 2006 ; Crosato, 2008 ; Frascati y Lanzoni, 2010 ) . Varios otros estudios numéricos han hecho posible estudiar la topografía del lecho bajo el supuesto de que el material del lecho no es cohesivo (Shimizu et al ., 1996 ; Nagata et al ., 2000 ). Además, algunos modelos de erosión de bancos desarrollados con la capacidad de simular bancos tanto cohesivos como no cohesivos (Darby et al ., 2002 ; Duan y Julien, 2005 ) han permitido comprender los factores que gobiernan los canales aluviales en escalas de tiempo relativamente cortas. Sin embargo, además de estos factores a corto plazo, existen otros factores a largo plazo, como el crecimiento de la vegetación, que pueden afectar un canal serpenteante. Es importante destacar que, aunque todos estos enfoques han ayudado a comprender y hacer predicciones limitadas con respecto al cambio en la forma del plan del canal a lo largo del tiempo, ninguno presenta un enfoque coherente que vincule tanto la evolución del lecho a corto plazo como los efectos del banco a largo plazo para predecir la migración del canal. En esta sección se presenta un modelo que puede considerar el efecto de factores de corto plazo, así como los elementos clave de procesos de mayor escala de tiempo.
Aunque los investigadores tienden a pensar en la erosión de los bancos cuando consideran la migración de canales, la preservación promedio del ancho a largo plazo en los canales migratorios obliga a poner igual énfasis en el proceso poco estudiado de acumulación de bancos. La acumulación de tierra afecta la forma de los ríos durante largos períodos de tiempo. En canales simples con meandros, la deposición de sedimentos se produce en una barra puntual situada en la parte convexa de la orilla del río. A medida que pasa el tiempo, esta área aumenta en elevación debido a esa deposición. A medida que esta zona se eleva, se sumerge progresivamente con menor frecuencia. En esta zona puede crecer vegetación. La vegetación trabaja para proporcionar resistencia al flujo (disminuyendo las velocidades del flujo) y atrapa sedimentos finos durante las inundaciones, por lo que la elevación continúa aumentando. Con el tiempo, esta área alcanza la misma altura que la llanura aluvial y queda sumergida solo durante las inundaciones (Figura 20 , de Asahi et al ., 2013 ). Al estimar la cantidad de desplazamiento de bancos por acumulación de tierra, es fundamental determinar el área que rara vez se sumerge. La especificación de esta área requiere la especificación de una descarga adecuada para determinar el área inundada. Sin embargo, no es suficiente asumir simplemente que toda el área inundada se acumula posteriormente (es decir, se convierte en tierra) porque la porción acumulada depende de varios procesos complejos, incluidos detalles de la distribución horizontal y vertical del tamaño de los sedimentos, el tipo o mezcla de vegetación y Incluso el clima local. La relación entre esos factores y los fenómenos de acreción de tierras es complicada y difícil de tratar de manera precisa. Para evitar estos problemas, definimos un nuevo parámetro f land que indica el resultado combinado del progreso de la acumulación de tierra. Si fland es igual a 1, entonces la acumulación de tierra ocurre en toda el área raramente sumergida. Si fland es igual a 0, entonces no se produce ninguna acumulación de tierra . Cuando la profundidad del agua desciende por debajo de una profundidad mínima especificada ( h min ) y continúa por debajo de ese valor, el área se trata como seca. Calculamos la porción acumulada del banco interior como el múltiplo de f tierra con el ancho del área seca. Como es difícil definir f land basándose en procesos, lo elegimos empíricamente como parámetro. En este cálculo, f land se fija en 0,3 de acuerdo con el estudio de Asahi (Asahi, 2014 ). Aunque esto es claramente una simplificación, reduce muchos procesos complicados a un solo parámetro que varía entre 0 y 1.
La Figura 21 muestra la migración de un canal con las condiciones de cálculo especificadas como se muestra en la Tabla 1 . La forma inicial del canal era un canal único generado sinusoidal con un hidrograma de descarga variable con solo dos valores representativos (esencialmente descargas de flujo base y de banco lleno). Los cálculos muestran un patrón de meandros complejo con variaciones de ancho en el sentido de la corriente y en el tiempo. Se puede observar un patrón de meandros similar en el río Omolon, Siberia, como se muestra en la Figura 22 . Como la variación del caudal juega un papel importante en la formación de la forma del meandro, el efecto de la cantidad de tiempo para convertirse en tierra ( T tierra ), incluido el tiempo para que crezca la vegetación, y el intervalo de recurrencia de la inundación (el retorno de la condición de inundación está representado por T retorno ) se muestra en la Figura 23 . Las condiciones de cálculo para los cuatro casos mostrados en la Figura 23 se muestran en la Tabla 2 . Los resultados del cálculo muestran que con un aumento en la relación T tierra / T retorno , el canal se vuelve más ancho, menos sinuoso y menos propenso a cortes. Esto sucede porque el banco tiene más tiempo para la deposición y creación de llanuras aluviales, incluido el crecimiento de la vegetación, por lo que el banco se vuelve menos propenso a la erosión cuando regresa la inundación. El tiempo para el proceso de acumulación de tierra juega un papel vital en la formación de la forma del canal.
Figura que muestra los resultados de la simulación utilizando Nays2DH para un canal inicial generado sinusoidal y las condiciones de ejecución en las Tablas 1 y 2
Tabla 1. Condiciones de cálculo para los resultados mostrados en las Figuras 21 y 22 , en las que se muestra la evolución del lecho calculada por Nays2DH para un canal inicialmente generado sinusoidal.
Tabla 2. Condición de cálculo para la descarga y tanto T land como T retorno para los resultados mostrados en la Figura 21 (Caso 1) y la Figura 23 (Caso 1 y Casos 1_1-4), que muestran el efecto de variar T land mientras se mantienen constantes otras variables.
Fuente de artículo : Shimizu, Y.(2019). Avances en morfodinámica computacional utilizando el software International River Interface Cooperative (iRIC). Wiley. ( https://doi.org/10.1002/esp.4653 )