Simulación numérica de la dinámica del flujo secundario helicoidal y del transporte de sedimentos en el modelo hidráulico del río Madre de Dios – tramo La Pastora

Abstract

El río Madre de Dios, en el SE peruano, lleva una alta carga de sedimentos en suspensión y la tasa de migración lateral del cauce en el tramo estudiado es aproximadamente 6 m/año, generando fenómenos de socavación lateral en su margen derecha. El proyecto N0 358-PNICP-PIAP-2014, auspiciado por INNOVATE, (2014) indica que, en el tramo curvo cerca de la ciudad de Puerto Maldonado, cuya longitud es aproximadamente 1540 metros, se está generando el colapso de la ribera dejando desprotegido el talud. Este fenómeno afecta a los inmuebles, sistemas de abastecimiento de agua y desagüe de la ciudad de Puerto Maldonado, y, de no haberse tomado medidas correctivas, hubiera puesto en riesgo más de 100 metros de la Carretera Interoceánica. La erosión lateral ha formado bancos de gran altura con taludes muy empinados.La verticalidad de los taludes hace que el banco sea más inestable ante una rápida variación del caudal. Para analizar el problema en 2014 se construyó el modelo hidráulico en el Laboratorio Nacional de Hidráulica – LNH. Se construyó un modelo hidráulico de lecho móvil que representa el tramo La Pastora del río Madre de Dios a escala 1/60 en el Laboratorio Nacional de Hidráulica - LNH. El modelo hidráulico tiene una longitud de 50 m, un ancho medio, B, de 6.9 m, un radio de curvatura, R, de 13.8 m y un tirante máximo, y, de 0.25 m. Por lo tanto, la relación radio sobre ancho, R/B, es 2. El lecho móvil está compuesto de arena cuyo diámetro medio, d50 es 0.4 mm. Antes del inicio de las pruebas se ejecutó el levantamiento topográfico mediante escaneo láser 3D, procedimiento que se repitió al día siguiente de ejecutadas las pruebas para poder comparar la topografía del lecho antes y después de las pruebas. Cuatro bombas sumergibles permiten probar caudales de hasta 550 L/s que son transportados al modelo a través de tuberías de PVC de 356 mm (14”). En la presente investigación se realizó la simulación numérica bidimensional del modelo hidráulico del río Madre de Dios (Tramo la Pastora) para analizar cualitativamente la dinámica del flujo secundario y del transporte de sedimentos empleando el módulo TELEMAC-2D (hidráulico) y SISYPHE (transporte de sedimentos) del sistema de código abierto Open TELEMAC-MASCARET, desarrollado por el Laboratoire National d’Hydraulique et Environnement LNHE EDF–RD (Francia). En la configuración del modelo numérico se construyó una malla triangular no estructurada con 12345 elementos y 4578 nodos, con un tamaño medio del elemento de 0.3 m. Las condiciones de contorno que se impusieron son: Q = 0.490 m/s en el límite aguas arriba y el tirante inicial aguas abajo. Como condición inicial de profundidad de agua cero. La rugosidad que se prescribió fue de Manning 0.020. El esquema numérico que usa el programa es elementos finitos, la metodología de turbulencia que se uso es RANS (Reynolds Average Navier Stoke) y modelo de turbulencia k-epsilon. Además, dos parámetros fueron analizados para usar la corrección de flujo secundario en el modelo bidimensional que son el coeficiente de producción de flujo secundario (As) que tiene un valor de 7.071 y el coeficiente de disipación de flujo secundario (Ads) donde su valor es 0.5, ambos parámetros fueron calibrados. Al usar ambos parámetros los resultados revelan que representa mejor el comportamiento del flujo en el tramo curvo que si no se usará. Para analizar el transporte de sedimentos y evolución del lecho móvil se realizó una simulación de forma acoplada con el modulo hidrodinámico (TELEMAC-2D) y transporte de sedimentos (SISYPHE) donde el cálculo de las variable de ambos módulos se obtiene en cada iteración. En el módulo morfodinamico el transporte de sedimentos fue puramente advectivo y difusivo también se usó la corrección de pendiente del lecho y corrección de flujo secundario.