Modelación de la onda cinemática y la ecuación de transporte para obtener la tasa aproximada de producción de sedimentos en una subcuenca urbana

Abstract

En este artículo se utilizan algunos de los métodos numéricos que solucionan la ecuación de onda cinemática, con fines de tener herramientas que simulen la transformación lluvia – escorrentía y la ecuación de transporte; junto con las ecuaciones que usualmente se utilizan para estimar la tasa de producción de sedimentos. Se presentan nociones de erosión y sedimentos, profundizando en los procesos hidrológicos involucrados en la producción de sedimentos. Se menciona la importancia de los modelos computacionales, se presenta la formulación lineal y no lineal de la ecuación de onda cinemática, y su implementación en el programa computacional Mathematica 12.1.1. Se comparan los resultados con los de algunos programas de dominio público de amplia utilización, como lo son: HEC-HMS, SWMM, y el programa Onlineoverland que tiene en su página web el Dr. Victor Ponce. Posteriormente, se utiliza el método USLE modificado para estimar el potencial de producción de sedimentos. Como actualmente es imposible tener datos reales para calibrar el modelo, en las simulaciones se recrean las características fisiográficas de una subcuenca urbana de Bogotá D.C., con el fin de comparar resultados, y analizar similitudes y diferencias. Este trabajo presenta conceptos de los modelos numéricos que contribuyen al entendimiento de los programas hidráulicos. De esta manera se aportan elementos para el desarrollo de herramientas informáticas que ofrezcan mejoras a la ingeniería.

In this article some of the numerical methods that solve the kinematic wave equation are used, in order to have tools that simulate the rain - runoff transformation and the transport equation; together with the equations that are usually used to estimate the sediment production rate. Notions of erosion and sediments are presented, deepening into the hydrological processes involved in the production of sediments. The importance of computational models is mentioned, the linear and non-linear formulation of the kinematic wave equation is presented, and its implementation in the Mathematica 12.1.1 computer program. The results are compared with those of some widely used public domain programs, such as: HEC-HMS, SWMM, and the Onlineoverland program that Dr. Victor Ponce has on his website. Subsequently, the modified USLE method is used to estimate the sediment production potential. As it is currently impossible to have real data to calibrate the model, in the simulations the physiographic characteristics of an urban sub-basin of Bogotá D.C. are represented, in order to compare results, and analyze similarities and differences. This work presents concepts of numerical models that contribute to the understanding of hydraulic programs. In this way, elements are provided for the development of computer tools that offer improvements to engineering.