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Sedimentación en reservorios: modelación matemática y simulación numérica
(Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires, 2000-10) Tarela, Pablo A.
La capacidad natural de transporte de sedimentos de los ríos se ve disminuida, y hasta anulada, cuando estos cursos de agua son interrumpidos por la construcción de presas. El resultado es la sedimentación del material transportado, y la progresiva formación de depósitos que modifican la morfología del reservorio, ocasionando problemas como la disminución de la capacidad de almacenamiento del emprendimiento. La presente tesis describe la formulación teórica, implementación computacional y validación con datos de campo de un modelo matemático para simular el problema de la sedimentación en reservorios. El Capítulo 1 presenta un detallado análisis del problema de la sedimentación en reservorios, describiendo los efectos que tiene la construcción de la presa en relación al transporte de sedimentos. También se resumen los antecedentes en la cuantificación del problema, desde las relaciones empíricas tradicionales hasta los modelos matemáticos publicados en la literatura. La formulación del modelo matemático desarrollado en este trabajo se presenta en dos secciones, correspondientes al modelo hidrodinámico (Capítulo 2) y al modelo sedimentológico (Capítulo 3). En ambos casos, el desarrollo teórico está basado en un riguroso análisis de escalas espaciotemporales, incorporándose en ellos el estado del arte en el conocimiento de la cuantificación de los procesos de interacción entre fluido y sedimento. El modelo es bidimensional integrado en la dirección transversal. A partir de los conocimientos del autor, esta es la primera vez que un modelo de estas características es desarrollado para el problema de la sedimentación en reservorios. La resolución del modelo matemático se lleva a cabo numéricamente, a través del método de los elementos finitos. En el Capítulo 4 (modelo numérico) se presentan los detalles de la formulación e implementación del esquema numérico, que tiene la particularidad de introducir un nuevo elemento finito, especialmente adaptado al problema de interés. Para validar el modelo se utilizan datos de campo (Capítulo 5). Se simula la evolución morfológica del lecho del lago Mead (EE.UU.), obteniéndose un muy buen acuerdo entre los datos relevados y las predicciones del modelo, tanto para los perfiles del lecho como para la distribución de tamaños de partícula en los depósitos. La performance del modelo se contrasta con la del modelo unidimensional HEC-6, uno de los más utilizados en problemas de transporte fluvial de sedimento. Se muestra que el modelo bidimensional ofrece ventajas comparativas respecto del unidimensional. En el Capítulo 6 se describen los principales aportes de la tesis y las conclusiones del trabajo, a la vez que se sugieren posibles extensiones del mismo.
Simulación numérica de la evolución de márgenes en canales curvos de material suelto
(Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires, 2006-12) García, Pablo E.
La tesis estudia la erosión de márgenes en ríos, un proceso frecuente que puede generar importantes impactos en poblaciones e infraestructuras, incluyendo daños materiales, pérdida de viviendas y afectación de obras civiles. Ante esta problemática, se propone el desarrollo de un modelo numérico capaz de simular la evolución de canales curvos en materiales no cohesivos, con posibilidad de extenderse a suelos cohesivos en el futuro. El enfoque adoptado busca simplificar el problema considerando solo los grados de libertad más relevantes, logrando mayor eficiencia computacional y claridad conceptual. Se utiliza una formulación hidrodinámica integrada en la vertical, que en canales curvos incorpora corrientes secundarias responsables de la erosión asimétrica. A su vez, el transporte de sedimentos se modela a partir de principios físicos, evitando el uso de formulaciones empíricas y favoreciendo su generalización. El modelo está compuesto por cuatro submodelos: hidrodinámico, sedimentológico, morfológico y de erosión de márgenes, este último basado en la pendiente crítica. La tesis abarca su desarrollo teórico, implementación numérica y validación en canales rectos y curvos. Finalmente, se presentan simulaciones que analizan la evolución de la geometría del canal bajo distintas condiciones, permitiendo obtener conclusiones y plantear futuras mejoras del modelo.
Análisis de riesgo de duración de inundaciones en las áreas costeras del Río de la Plata considerando Cambio Climático
(Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires, 2010-03) Lecertua, Emilio A.
La Región Metropolitana de Buenos Aires representa la zona más densamente poblada del país, un extensa área de esta región se considera vulnerable a las inundaciones durante el pasaje de ondas de tormenta conocidas usualmente como "Sudestadas". En la presenta tesis se presenta una metodología para la construcción de mapas de riesgo de inundación sobre la costa argentina del Río de la Plata. Estos mapas se construyen para un escenario de línea de base (década de 1990) y dos escenarios futuros de Cambio Climático (década de 2030 y 2070), permitiendo evaluar las alturas y duraciones de las inundaciones para diferentes períodos de retorno. Para llevar a cabo los mapas de riesgo de inundación se utilizó un modelo hidrodinámico denominado RPP-2D, previamente calibrado y verificado, que permite representar la dinámica del Río de la Plata. Con el modelo se han obtenido niveles del río en estaciones de control, que permiten generar diferentes análisis estadísticos. Por un lado se estudió la frecuencia de ocurrencia de eventos para el caso de recurrencias intranuales y por el otro se efectuó un análisis de extremos bivariado para el caso de recurrencias interanuales. Con la información estadística y el modelo digital del terreno se construyeron los respectivos mapas de riesgo de inundación.
Desplazamiento del frente de salinidad del Río de la Plata debido al aumento del nivel medio del mar
(Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires, 2004-09) Kind, Martín V.
El presente estudio tiene como objetivo determinar cómo habrá de variar la cuña salina, (interfase de transición entre el agua dulce de origen fluvial y el agua salada de origen marítimo) en el Río de la Plata, en respuesta al aumento que se registra en el nivel medio del mar. En particular, interesa conocer si puede producirse una penetración del frente salino hacia el interior del Río de la Plata capaz de poner en riesgo la capacidad de proveer de agua dulce a la Región Metropolitana de Buenos Aires, la cual perdería entonces sustentabilidad. Se implementa un modelo hidrodinámico tridimensional, al que se denomina RPP-3D, basado en el modelo computacional POM (Princeton Ocean Model). Éste se valida efectuando comparaciones entre las distribuciones de salinidad obtenidas de registros y las simuladas para escenarios medios de verano y de invierno. Se definen dos escenarios de aumento del nivel medio del mar, en correspondencia con proyecciones de Cambio Climático efectuadas por el IPCC (Intergovernmental Panel of Climate Change): uno representativo de condiciones posibles hacia fines del presente siglo XXI y otro vinculado con condiciones de altas concentraciones de gases de efecto invernadero, proyectado para fines del presente milenio. Se definen indicadores del desplazamiento y de variación de la concentración salina en el Río de la Plata, los cuales son calculados para los escenarios futuros en base a las predicciones obtenidas con el modelo RPP-3D. Se concluye que el desplazamiento del frente de salinidad hacia el interior del Río de la Plata es menor para el escenario de fin de siglo, haciéndose significativo para el escenario correspondiente con las altas concentraciones de gases de efecto invernadero. De todos modos, aún en este último caso, el frente de salinidad permanece suficientemente alejado de la Región Metropolitana de Buenos Aires como para garantizar su sustentabilidad.
Análisis del avance del frente del Delta del Río Paraná
(Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires, 2007-07) Sarubbi, Alejo
La desembocadura del Río Paraná en el Río de la Plata se da a través de un amplio delta originado por la deposición de sedimentos provenientes de toda la cuenca del Plata. Dichos sólidos, aportados principalmente por el Río Bermejo, hacen que el Delta del Río Paraná se encuentre en continuo crecimiento. La presente tesis constituye un análisis de investigación del avance del Frente del Delta del Río Paraná de manera de comprender la dinámica de ese avance ya sea en cuanto a su causa (sedimentos transportados por el Río Paraná), como así también respecto a su condicionamiento (corrientes en el Río de la Plata). El Capítulo 1 presenta una descripción general del Delta del Río Paraná. En el Capítulo 2 se analiza el balance de sedimentos del sistema. Se realiza una descripción de todo el material recopilado, que incluye a los distintos trabajos, datos y antecedentes relacionados con la sedimentología del Río Paraná y sus principales tributarios. Dicha información es analizada, de manera de obtener una descripción compatibilizada y consistente que permita estimar el transporte actual de sedimentos del Río Paraná en su desembocadura. El Capítulo 3 presenta un detallado análisis del crecimiento histórico del Delta basado en la cartografía recopilada de distintos establecimientos e instituciones, la cual cubre una extensión temporal de más de 300 años, desde el siglo XVIII hasta el siglo XX. Los mapas seleccionados, previamente digitalizados y escalados, son superpuestos y comparados de manera de obtener tasas de crecimiento areal y tasas de avance lineal del Frente del Delta. En el Capítulo 4 se vincula el avance computado con el aporte sólido a través de la implementación de un modelo hidrodinámico y sedimentológico que simula el mecanismo de avance del Delta. Se muestra que el modelo resulta adecuado para representar las tendencias de avance del Frente del Delta durante todo el siglo XX. En base a éste, se especula sobre la tendencia de avance futura. Por último, en el Capítulo 5, se describen los principales aportes de la tesis y las conclusiones del trabajo.