Tesis:
Simulación numérica de inundaciones fluviales en las Omañas (León) : propuesta de medidas correctoras
- Autor: MARTÍNEZ CANTÓ, Raquel
- Título: Simulación numérica de inundaciones fluviales en las Omañas (León) : propuesta de medidas correctoras
- Fecha: 2019
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S.I. DE MINAS Y ENERGÍA
- Departamentos: INGENIERIA GEOLOGICA Y MINERA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/56255/
- Director/a 1º: HIDALGO LÓPEZ, Arturo
- Resumen: Esta tesis tiene como objeto la modelización matemática y simulación numérica de los flujos superficiales en las cuencas bajas de los ríos Luna y Omaña (provincia de León), teniendo en cuenta los datos de caudales de los últimos años. Así mismo, y a la luz de los resultados, proponer una serie de medidas para disminuir todos los riesgos asociados. En el capítulo 1, con la idea de tener una visión general del tema, se presenta una recopilación sobre distintos enfoques del estudio y materias afines que nos ayudan a completar la información. Se incluye también la descripción de la zona geográfica donde se sitúa el estudio. Se trata de un área de poca pendiente, sobre terrenos cenozoicos, con una confluencia de dos ríos, en cuyas llanuras de inundación se encuentran distintas poblaciones, la principal es Santiago del Molinillo, y también áreas agrícolas de importancia, como los cultivos de lúpulo. Debemos tener en cuenta a la hora de realizar este tipo de investigaciones, que hay normativas estatales y autonómicas sobre el riesgo de avenidas, el libro blanco del agua, etc. que nos pueden afectar. A continuación (en el capítulo 3) se describen las técnicas empleadas a lo largo de la realización de esta tesis. Entre esta metodología destacamos las técnicas de estudio hidrológico, climático y geológico, que sirven de base para las simulaciones. Se han recogido datos de los últimos 30 años (1984-2014) de las estaciones hidrométricas cercanas (obteniendo calados) y de las estaciones meteorológicas (recogiendo pluviometrías y temperaturas), que posteriormente se han analizado. Por su parte, para conocer más en profundidad la dinámica fluvial, nos ayudamos de la geología, estudiando distintas muestras cogidas en la zona. En este capítulo también se recuerda la base matemática necesaria para las simulaciones, partiendo de las ecuaciones de Navier - Stokes para llegar a las ecuaciones bidimensionales de aguas someras, mediante un promedio temporal y una posterior integración vertical, y el método de resolución elegido: volúmenes finitos. Los métodos basados en volúmenes finitos son muy apropiados para la resolución de modelos dentro del ámbito de la dinámica de fluidos, dado que representan de manera muy adecuada las bases físicas de dichos problemas. De hecho, el software que se utiliza en esta tesis, el código Iber, emplea dicho método de resolución para calcular, a partir de calados puntuales, rugosidades y topografía, los calados y velocidades de la lámina de agua tanto en los cauces como en la llanura de inundación (y así poder ver los efectos de las avenidas). El capítulo 4 expone más en profundidad el análisis del área geográfica para conocer sus características y está formado por 6 secciones distintas. En la primera sección se hace una revisión del clima de la zona, teniendo como base los datos aportados por AEMET y el Ayuntamiento de Las Omañas, entre otros, lo que proporciona un clima árido - templado con invierno frío y falta de estación seca. En la siguiente sección se trabaja la hidrología, con un análisis de caudales de un periodo de 30 años para establecer caudales medios y, a partir de ellos, años secos y años húmedos. Con estos datos y los apuntes de temporales y avenidas con inundaciones nos podemos hacer una mejor idea de la situación que se quiere evitar. La tercera sección describe la caracterización de la cuenca en organismos oficiales, principalmente en el PHC, elaborado por la CHD, donde se describe como una área de riesgo potencial significativo de inundación (ARPSI). Aun así, y con la mala calidad de las aguas, la CHD no estima oportuno una gestión a corto - medio plazo del área para bajar el riesgo. También se han analizado los cambios en la dinámica fluvial y en la actividad humana a lo largo de los años, a través de fotografías aéreas tomadas entre el 1945 y el 2004. En ellas se observa un aumento de edificaciones, redes de comunicación y terrenos agrícolas en las llanuras de inundación, a la vez que se deteriora y disminuye la dinámica fluvial, al encauzarse los ríos y reducir su sinuosidad. En la sección quinta se realiza un análisis morfológico y geomorfológico, de tal manera que se estudia el tipo de red fluvial dando como resultado una red rectangular en cabecera que pasa a dendrítica en el curso bajo de los ríos. Además, se anota la erosión encontrada en los cauces y la excavación de las orillas en ciertos puntos, provocado por la acción hidráulica. Por último, en este capítulo se analiza el material transportado por los ríos hasta su confluencia. Este trabajo se ha realizado en muestra de mano, donde se ha observado que los materiales depositados son groseros (con un diámetro medio de aproximadamente 5 cm), formando barras centrales y laterales, sin material fino. Estos materiales tienen una esfericidad media, que va en aumento a medida que crece la distancia a la cabecera, y son cuarcitas en su gran mayoría. Además, se han analizado en microscopio, observando una textura granoblástica, presentando minerales accesorios. Este análisis a lo largo del cauce, determina que dichas muestras transportadas provienen de la formación Barrios, aunque con los datos accesibles y al no haber ninguna gran avenida en la duración de la investigación, no es posible conocer si el transporte se ha producido en un episodio o en distintos. Esta sería una línea de trabajo futura. El capítulo 5 describe la aplicación del software Iber para la obtención del modelo hidrodinámico. En una primera calibración del modelo se trabaja con un área pequeña, alrededor de la población de Las Omañas, donde se prueban todas las opciones y se valida si los datos introducidos son suficientes para obtener los resultados deseados. En esta aproximación se define que todas las simulaciones se realizarán en lecho del río seco y esquema numérico de Roe de primer orden para la resolución aproximada de los problemas de Riemann que aparecen en las interfases de los volúmenes de control. Se han comparado varias opciones en cada caso (lecho seco o mojado, diferentes esquemas...) y dado que los resultados obtenidos en cada caso son similares, se ha optado por las variables que ofrecen menor tiempo de computación. Una vez está claro cómo se van a llevar a cabo las simulaciones, estas se han hecho para un caudal medio, los máximos instantáneos de los años hidrológicos 2000-2001 y 2013-2014 y el caudal máximo instantáneo registrado (uniendo el máximo de cada uno de los ríos, independientemente de en qué año se hayan producido). Se han elegido estos caudales para ver la situación más común (caudal medio) y los efectos ante grandes avenidas. Además, del año hidrológico 2013-2014 se tiene registro fotográfico de los efectos de las inundaciones, que se utilizan para validar el modelo y los resultados obtenidos numéricamente. Los resultados de las simulaciones indican que hay puntos problemáticos por donde se genera un gran flujo de agua hacia la llanura de inundación a ambos lados de los cauces principales. Ya en la simulación de caudal medio se pueden apreciar esos puntos, lo que lleva a pensar en unas obras de medidas preventivas estructurales. Además, se observan los tiempos de avance de la lámina de agua y su extensión a cada segundo, por lo que se puede utilizar para establecer los avisos de los sistemas de alerta, de cara a una posible evacuación. Para la validación se han comparado las alturas de agua calculadas con Iber con las alturas medidas en los puntos de las fotografías tomadas el día en cuestión por los vecinos, que concuerdan perfectamente (salvando únicamente el error posible por los métodos de medida utilizados), lo que confiere verosimilitud a las simulaciones realizadas. En el capítulo 6, por último, se proponen una serie de medidas de defensa ante las posibles avenidas, divididas en medidas no estructurales y medidas estructurales. Las primeras se basan en los cálculos temporales de las simulaciones, los mapas de riesgo y peligrosidad y la topografía del área. Se deja claro en la sección que el municipio debe tener un plan de prevención frente al riesgo de inundación (según INUNCyL) y actualmente no dispone del mismo. Además, se proponen un sistema de alarma, la instalación de paneles informativos y una mejor gestión de los embalses, ya que en los momentos de grandes lluvias y deshielo se suma el desembalse y provoca más daños. Como se ha especificado, en otra sección del capítulo 6 se han diseñado unas medidas estructurales para reducir las alturas de agua en la llanura de inundación g diques paralelos a los cauces principales. Su diseño está adaptado a la zona y a sus características, y gracias a Iber podemos ver el efecto que tendrían para las avenidas ya simuladas, por lo que la posibilidad de variar sus medidas y características no supone un coste añadido. Es por ello que finalmente se han fijado 4 diques en el área, de un tamaño medio - corto y una altura no superior al metro, que reducen en gran medida la lámina de agua en la llanura y evitan que entre en las calles de las poblaciones. Uno de los diques está situado en el río Omaña, evitando así el corte del puente de Las Omañas. Otros tres están situados en el río Luna, evitando la inundación de Mataluenga y reduciendo el impacto sobre los terrenos agrícolas. Con el estudio realizado podemos concluir que utilizar las técnicas matemáticas y los software adecuados es posible diseñar actuaciones para reducir los daños provocados por grandes avenidas de agua sin un alto coste. ----------ABSTRACT---------- This phd investigation's objective is mathematic modelling and numeric simulation of the surfaces flows in the loer basin of Luna and Omaña rivers (province of León, Spain), taking into account the flow in the last years. Moreover, and based on the results, propose some meassurements in order to reduce the asociated risks. In chapter 1, with the idea to have a general view to the topic, a compilation of different study approaches is presented, that help us to complete the information. A description of geographic zone is included too. This área have less slope, above cenozoic terrains, with a rivers' confluence in which floodplains there are some villages - like Santiago del Molinillo - and important agricole áreas - with hop. In this type of investigations about flood risk, the white book of water, etc. that can affected us. To continué (in chapter 3), the techniques used throughtout the realization of this thesis are described. Between the methodology are destacable hydrological, climatical and geological study techniques, which form the basis for simulations. The data of the last 30 years (1984-2014) of the nearby hydrometric stations (to obtain depht) and meteorological stations (pluviometric and temperature) have been collected, and they have been analyzed later. On the other hand, to know more of the fluvial dynamics, we help ourselves with geology, studying different samples taken in the área. In this chapter, the mathematical basis requiered for simulations is recolled, starting form de Navier - Stokes equations to arrive at two-dimensional equations of shallow water, by means of a temporal average and a later vertical integration, and the chosen resolution method is finite volumes. Methods based on finite volumes are very appropiate for the resolution of models within fields of fluid dynamics, since they represent in a very adequate way physical bases of said problems. In fact, the software that is used in this thesis, Iber code, uses this resolution method to calcúlate - based on specific depht, roughness and topography - channels and in floodplain (in order to see floods' effects). Chapter 4 expose deeply the geographical analysis to know bettr its characteristics and six sections formed it. In the first section a climatic revisión are done, based on the data of AEMET and the municipality of Las Omañas, among others, and in this case it is an arid - températe climate with cold winter and no wet station. The following section is about hydrology, with a flow rates analysis - during a period of 30 years in order to stablish flow rate médium - and to know dy and wet years. With these dates and knowledge of meteorological weather and thus we can have an image of the real situation to avoid floods. The third section describes characterization of the basein in official organisms, in PHC principally, elaborated by CHD - Duero Hydrologic Confederacy-,where área of flood potential risk (ARPSI in Spanish) is described. With that and bad quality of water, CHD does not consider timely a court - médium term gestión to lower área risk. Furthermore, fluvial dynamic changes and human activity have been analyzed, through areal photographies taken between 1945 and 2004. In they, an increase of buildings, comunications networks and agricole terrains in floodplain are detected. These points trigger a change in fluvial dynamics for channel the rivers and reduce sinuosity. In section five, a morphologic and geomorphologic analysis are done. With that, a network fluvial type is studied and it results a network rectangular in headboard and a dendritic one in a lower course of the rivers. Moreover, its clear a channels' erosión and a shores excavation in some points, done by hydraulic action. For least in this chapter, we analyzed material transport for rivers to the confluence. This work has been done in hand sample, where it has been observed that the deposited materials are coarse (with a average diameter of approximately 5 cm), forming central bars and lateral, without material no. These materials have an average sphericity, which is increasing as the distance to the headland grows, and they are quartzites in its great majority. In addition, they have been analyzed under a microscope, observing a grain texture, presenting accessory minerals. This analysis to along the channel, determines that these transported samples come from Barrios training, although with the accessible data and since there is no great avenue in the duration of the investigation, it is not possible to know if the transportation has occurred in one episode or in different. This would be a line of future study. Chapter 5 describes the application of the Iber software for obtaining the hydrodynamic model. In a first calibration of the model you work with a small área, around the population of Las Omañas, where all the options are tested and validated if the data entered are enough to obtain the desired results. In this approach it is agreed that all simulations will be carried out in the dry river bed and the first-order Roe calculation scheme. Several options have been compared in each case -dry or wet bed, different schemes...- and given that the results obtained in each case are the same, we have opted for the variables that offer the least computation time. Once it is clear how the simulations will be carried out, these have been done for an average flow, the instantaneous máximums of the hydrological years 2000-2001 and 2013- 2014 and the máximum flow rate registered instantaneous - uniting the máximum of each of the rivers, regardless of in what year they occurre). These flows have been chosen to see the most common situation (average flow) and the effects before large avenues. In addition, from the hydrological year 2013-2014 there is a photographic record of the effects of the floods, which are used to validate the model and the results obtained numerically. The results of the simulations indicate that there are problem points where a large flow of water is generated towards the floodplain on both sides of the main channels. Already in the simulation of average flow you can see these points, which leads to think about some works of structural preventive measures. In addition, the advance times of the water sheet and its extensión are observed every second, so it can be used to establish the warnings of the warning systems, facing a possible evacuation. For the validation, the water heights calculated with Iber were compared with the heights measured at the points of the photographs taken on the day in question by the neighbors, which agree perfectly (saving only the possible error by the measurement methods used), which gives verisimilitude to the simulations carried out. In chapter 6, finally, a series of defense measures are proposed in the face of possible avenues, divided into non-structural measures and structural measures. The first ones are based on the temporal calculations of the simulations, the risk and hazard maps and the topography of the área. It is made clear in the section that the municipality must have a prevention plan against flood risk (according to INUNCyL) and currently does not have it. In addition, an alarm system, the installation of information panels and a better management of the reservoirs are proposed, since in the moments of great rains and thaw, the disbanding is added and causes more damage. As specified, in another section of chapter 6, structural measures have been designed to reduce the water heights in the lowland plain. flood thanks to levees parallel to the main channels. Its design is adapted to the área and its characteristics, and thanks to Iber we can see the effect they would have for simulated avenues, so the possibility of varying its measurements and characteristics does not imply an added cost. It is for this reason that 4 dams have been cut in the área, of a médium - short size and a height not exceeding one meter, which greatly reduce the water sheet in the plain and prevent it from entering. in the streets of the towns. One of the dams is located on the Omaña river, thus avoiding the cutting of the Las Omañas bridge. Three more are located on the Luna River, avoiding the flood of Mataluenga and reducing the impact on agricultural land. With the study carried out we can conclude that using the mathematical techniques and the appropriate software it is possible to design actions to reduce the damages caused by large avenues of water without a high cost.