El transporte de sedimentos es uno de los fenómenos más complejos pero fundamentales en la ingeniería de ríos y cauces. Para abordarlo con eficiencia, HEC‑RAS ofrece un poderoso módulo de modelación sedimentológica unidimensional que puede ejecutarse bajo dos marcos hidráulicos: el tradicional flujo no permanente (unsteady flow) y el más eficiente flujo quasi-estacionario (quasi-steady flow).

En esta entrada, exploraremos en profundidad cómo implementar el segundo enfoque: quasi-steady flow, una alternativa ideal para muchos proyectos de ingeniería donde el comportamiento hidrodinámico puede aproximarse mediante una secuencia de estados estacionarios variables en el tiempo. Esta técnica reduce significativamente los tiempos de cómputo, permite una configuración más simple y, en muchos casos, ofrece resultados suficientemente representativos para el diseño y análisis de obras hidráulicas.

A diferencia del enfoque completamente no permanente (unsteady), que resuelve las ecuaciones completas de Saint-Venant en cada paso de tiempo, el método quasi-steady simplifica la solución al mantener el régimen estacionario en cada intervalo de flujo, lo que lo convierte en una herramienta potente, rápida y fácil de calibrar.

A lo largo de esta guía, presentaremos no solo los fundamentos teóricos, sino también un breve instructivo paso a paso, basado en el manual oficial de HEC‑RAS 6.0, para que puedas aplicar este método en tus propios proyectos con confianza y rigor técnico.

Resumen del flujo de trabajo (paso a paso)

A continuación se resumen los pasos para realizar una modelación de sedimentos en Quasi-unsteady flow, en títulos subsiguientes, presentaremos el detalle de cada uno.

1. Preparar la geometría hidráulica: crear el archivo .gxx con secciones y estructuras; calibrar las condiciones hidráulicas con el módulo steady flow.
2. Crear el archivo de flujo quasi‑unsteady: definir series de caudal para cada entrada upstream, duraciones e incrementos computacionales; elegir un límite downstream (stage series, rating curve o normal depth) y definir flujos laterales si existen.
3. Definir datos de sedimento: seleccionar la función de transporte, método de mezcla y velocidad de caída; establecer volúmenes de control (profundidades máximas/elevaciones mínimas) y límites de lecho móvil; introducir la gradación inicial para cada sección.
4. Asignar condiciones de frontera de sedimento: elegir entre carga en equilibrio, curvas de rating o series de carga para las entradas y flujos laterales.
5. Configurar el plan de análisis de sedimentos: en Sediment Analysis, seleccionar los archivos de geometría, flujo (.qxx) y sedimento; fijar la ventana de simulación; ajustar opciones de cálculo (iteraciones de intercambio de lecho, tolerancias) y de salida.
6. Ejecutar la simulación: correr el modelo quasi‑unsteady, monitorear mensajes y ajustar parámetros si aparecen inestabilidades.
7. Analizar los resultados: utilizar las herramientas de salida de HEC‑RAS y RAS Mapper para visualizar perfiles, cargas, gradaciones y mapas de cambios; calibrar el modelo comparando con datos observados y ajustando parámetros.

Preparación del modelo hidráulico

Antes de agregar sedimentos, es fundamental contar con un modelo hidráulico calibrado. HEC‑RAS utiliza tres archivos base: un archivo de geometría (.gxx) con las secciones transversales, estructuras y manning’s n; un archivo de flujo (steady o unsteady) y un plan de análisis. Para el transporte de sedimentos se requiere un cuarto archivo: el archivo de datos de sedimento (.zxx). La guía de HEC‑RAS recomienda calibrar la geometría y los parámetros hidráulicos (n‑values, áreas inefectivas, etc.) sobre el rango de caudales esperado y verificar la estabilidad del modelo hidráulico antes de incorporar sedimentos. Cambios importantes en las secciones (interpolación o desplazamiento de estaciones) obligan a generar un nuevo archivo de sedimentos para que coincida con la estructura de la geometría.

Creación del archivo de flujo quasi‑unsteady

En el menú Edit → Quasi‑Unsteady Flow se encuentra el editor correspondiente. Este archivo representa el hidrograma como una serie de flujos permanentes asociados a intervalos de tiempo (“durations”). La herramienta incluye tres tipos de condiciones de frontera: upstream, downstream e internas.

Definición de series de caudal (upstream)

• Serie de caudal (Flow Series): cada límite upstream debe definirse mediante una serie de caudales. El editor permite copiar datos desde Excel y manejar hasta 40 000 registros. Se recomienda usar un Fixed Start Time para vincular los datos hidrológicos con una fecha fija, lo que facilita cambiar el periodo de simulación sin editar la serie. Debe verificarse que se seleccione el radio button “Fixed Start Time”, ya que omitirlo es un error común.
• Duración del flujo (Flow Duration): es el intervalo de entrada para cada caudal; no controla el paso de cálculo. Por ejemplo, para datos diarios la duración típica es de 24 h. Sin embargo, el paso de cálculo (computational increment) no debe ser mayor que la duración. Duraciones largas permiten combinar registros de bajo interés (épocas de estiaje) en un solo intervalo.
• Incremento computacional (Computational Increment): subdivide la duración del flujo y establece el paso de cálculo. HEC‑RAS calcula un nuevo perfil hidráulico en cada incremento computacional suponiendo que la geometría de fondo no cambia demasiado. Flujos moderados o altos requieren incrementos pequeños; incrementos demasiado grandes pueden producir inestabilidades, oscilaciones o mensajes como “Model fills with sediment”. El incremento puede asignarse manualmente para cada registro o automáticamente mediante la opción Compute Computation Increment Based on Flow, que define rangos de caudal y asigna pasos de cálculo más finos a los caudales altos.

Condiciones de frontera aguas abajo (downstream)

El editor genera automáticamente una fila para la sección de cierre del modelo. Las opciones disponibles son:

1. Stage Time Series: se prescribe una serie de niveles de agua para cada flujo. Requiere datos históricos o proyectados y es adecuado en tramos con equilibrio morfológico.
2. Rating Curve: define una relación caudal–nivel en la sección de salida. HEC‑RAS interpolará el nivel correspondiente para cada caudal. Igual que en la opción anterior, se supone un tramo en equilibrio.
3. Normal Depth: calcula el nivel aguas abajo a partir de una pendiente de fricción (pendiente del gradiente de energía). Se especifica un solo parámetro: la pendiente (Sf). Aunque es simple, este límite puede introducir retroalimentaciones numéricas y tender a una erosión o aggradación irrealista; debe aplicarse solo cuando se tiene certeza de que el tramo se encuentra en equilibrio o se utilice como punto de paso.

Condiciones internas y flujos laterales

Se pueden añadir flujos laterales (tributarios no modelados) o series uniformes de flujo lateral para distribuir aportes sobre varios tramos. El flujo lateral se incorpora aguas abajo de la sección seleccionada, por lo que se recomienda ubicar la sección en la que ingresa la tributación justo aguas arriba del punto de confluencia. Para los modelos quasi‑unsteady recientes, esta convención coincide con la del modelo unsteady. También es posible definir series de apertura de compuertas; sin embargo, la simulación quasi‑unsteady no conserva masa en embalses y tiende a fluctuaciones exageradas, por lo que se recomienda utilizar el módulo unsteady para operaciones de compuertas.

Introducción de datos de sedimento

El archivo de datos de sedimento se accede desde Edit → Sediment Data. Contiene tres pestañas: Initial Conditions and Transport Parameters, Sediment Boundary Conditions y BSTEM. Las dos primeras son obligatorias.

Parámetros de transporte e iniciales

• Función de transporte: las ocho funciones disponibles (Ackers–White, England–Hansen, Laursen–Copeland, Meyer‑Peter & Müller, Toffaleti, MPM‑Toffaleti, Yang y Wilcock–Crowe) estiman la capacidad de transporte basándose en parámetros hidráulicos. La elección debe considerar las condiciones para las cuales se desarrolló cada fórmula y calibrar los resultados con datos de campo.
• Método de mezcla/armoring (Sorting Method): controla cómo se distribuyen las fracciones granulométricas en la capa activa y cómo se forma la armadura. Las opciones incluyen el algoritmo de Thomas (Ex5), Copeland (Ex7) y un método de capa activa más simple. Los dos primeros generan una capa de armadura independiente y compleja; el método de capa activa supone una capa de espesor igual a d90 (valor ajustable). En casos donde se utiliza la función de transporte Wilcock–Crowe, se recomienda seleccionar el método de capa activa para evitar duplicar el efecto de armoring.
• Velocidad de caída (Fall Velocity): se calcula mediante varios métodos (Ruby, Toffaleti, Van Rijn, Dietrich y Report 12). La selección depende del régimen de flujo y del tamaño de partícula.
• Volumen de control y lecho móvil: para cada sección se define un “reservorio” de sedimento especificando una profundidad máxima (Max Depth) o una elevación mínima (Min Elev) y los límites laterales de lecho móvil. La opción Max Depth fija la base del volumen a cierta distancia bajo el talweg inicial, mientras que Min Elev impide erosión por debajo de una cota conocida (roca madre, canal de hormigón, etc.). El ancho del lecho móvil se controla con los parámetros Sta Left y Sta Right; HEC‑RAS sólo erosiona o deposita entre estos límites. El botón Use Banks for Movable Bed copia las estaciones de los márgenes como primer estimado, pero se recomienda ajustar manualmente cada sección.
• Gradación inicial: se especifica una distribución granulométrica (por ejemplo, en fracciones de arena, grava, etc.) para cada sección. Esta gradación, junto con la función de transporte y el método de mezcla, controla la evolución de las fracciones a lo largo del tiempo.

Condiciones de frontera de sedimento

La segunda pestaña define las cargas de sedimento en los límites externos y, opcionalmente, cargas locales en secciones internas. Para añadir condiciones internas, se seleccionan secciones mediante el botón Add Sediment Boundary Location(s). Las opciones disponibles incluyen:

1. Equilibrium Load (solo aguas arriba): calcula la carga de sedimento usando la gradación y la capacidad de transporte en la sección de entrada. Funciona como nodo de paso y no genera cambios de lecho. Aunque es fácil de usar, puede ser poco realista cuando el tramo está alejándose del equilibrio; se recomienda asignarlo muy aguas arriba o sustituirlo por una curva de rating.
2. Rating Curve: vincula la carga de sedimento con el caudal de entrada. El usuario define pares caudal–carga (o caudal–concentración) que se interpolan durante la simulación. Para flujos superiores al máximo definido, HEC‑RAS usa el valor más alto; para flujos inferiores extrapola asumiendo carga cero a caudal cero.
3. Serie de carga (Time Series): permite introducir un registro temporal de cargas de sedimento (no mostrado en el extracto pero disponible).

Estas cargas también pueden asignarse a flujos laterales o uniformes; en dicho caso, HEC‑RAS distribuye la carga con la misma proporción que el caudal.

Creación del plan de análisis de sedimentos

El plan combina la geometría, el archivo de flujo quasi‑unsteady y los datos de sedimento, y establece el periodo de simulación y las opciones de cálculo. Para crear un plan:

1. Seleccionar Run → Sediment Analysis en la ventana principal. En la ventana de análisis se eligen la geometría, el archivo de flujo (.qxx), el archivo de sedimento y se define un nombre de plan.
2. Definir el periodo de simulación (fecha y hora de inicio y fin) en formato DDMMMYYYY.
3. Revisar las opciones de cálculo en el menú Options:
   • Bed Exchange Iterations: número de sub‑iteraciones de mezcla dentro de cada incremento computacional. El valor por defecto es 10 y el rango recomendado entre 1 y 50. Valores altos mejoran la representación de la limitación de suministro pero incrementan el tiempo de ejecución.
   • Minimum Bed Change Before Updating Cross Section: tolerancia de cambio de lecho para actualizar la geometría. Un valor típico es 0,02 pies; valores mayores reducen el tiempo de cómputo, pero pueden perder detalles.
   • Minimum Cross Section Change Before Hydraulic Update: tolerancia para actualizar las variables hidráulicas; por defecto igual a la anterior.
   • Sediment Output Options: aquí se selecciona si los resultados se expresan en masa o volumen, el intervalo de salida (Output Increment), variables a reportar y el nivel de detalle (no se mostró en el extracto, pero forma parte de las opciones).
4. Guardar el plan y ejecutar la simulación. Si ocurren mensajes de error (“Model fills with sediment”) puede ser necesario reducir el incremento computacional, revisar la gradación o las condiciones de frontera.

Ejecución y seguimiento de la simulación

Al iniciar la ejecución, HEC‑RAS calcula los perfiles hidráulicos para cada incremento, actualiza el transporte de sedimento por clase granulométrica y ajusta las gradaciones y elevaciones del lecho. Algunos consejos prácticos:

• Estabilidad numérica: usar incrementos computacionales pequeños en eventos de crecida y valores mayores para periodos de estiaje. Verificar que el modelo no oscile y ajustar el parámetro de incremento computacional o las tolerancias si aparecen inestabilidades.
• Calibración: comparar las elevaciones y gradaciones simuladas con datos observados. Ajustar las funciones de transporte, el método de mezcla, el tamaño de la capa activa o los límites de lecho móvil hasta obtener una reproducción razonable del comportamiento del río.
• Sensibilidad de parámetros: la elección de la función de transporte y el método de mezcla puede alterar significativamente los resultados. Realizar pruebas de sensibilidad para evaluar la variabilidad.

Visualización y análisis de resultados

Tras finalizar la simulación, HEC‑RAS genera resultados hidráulicos y de sedimento. Los principales productos son:

• Perfiles de elevación y secciones transversales: desde el la barra principal abrimos el visor de resultados de sedimentos View> Sediment Output, que entre otras multiples opciones permite comparar la geometría inicial y final de cada sección. Los límites de lecho móvil se resaltan y se puede inspeccionar la evolución de la topografía.
• Curvas de carga y concentración: mediante la opción Sediment Output es posible graficar la carga total, la carga por fracción granulométrica o la concentración en función del tiempo en puntos específicos del modelo.
• Series de profundidad y nivel: se pueden ver los niveles de agua en cada sección y el volumen o masa acumulada de sedimento transportado. El programa exporta los resultados a archivos HDF5, DSS o formatos clásicos, lo que permite analizarlos externamente.
• Mapas de resultados (RAS Mapper): en versiones recientes, el módulo RAS Mapper muestra cambios de elevación en el eje del río y permite crear mapas de inundación y de espesor de sedimento. Se pueden generar animaciones del cambio de lecho a lo largo del tiempo.

Consideraciones finales

La simulación quasi‑unsteady en HEC‑RAS ofrece un método intermedio entre la simplicidad del flujo permanente y la complejidad del flujo no permanente. Al aproximar el hidrograma mediante una secuencia de flujos estacionarios, el método facilita la estabilidad y reduce el tiempo de cómputo, aunque no conserva el volumen y puede subestimar o sobrestimar procesos en sistemas con almacenamiento. Siguiendo el procedimiento descrito —desde la preparación de la geometría hasta la visualización de resultados— y comprendiendo el significado de cada parámetro (duraciones, incrementos, funciones de transporte, límites de lecho móvil y condiciones de frontera), es posible construir modelos de sedimento robustos que apoyen la toma de decisiones en ingeniería fluvial.