1. INTRODUCCIÓN El desarrollo de ondas de rollo u ondas pulsantes en el flujo de un canal abierto sigue atrayendo el interés tanto de investigadores como de ingenieros profesionales. En 1907, Cornish mostró, por primera vez, una fotografía de este fascinante fenómeno en un artículo publicado en el Journal of the Royal Geographical Society (Fig. 1) (Cornish, 1907). Más tarde, en el Capítulo 8 de su reconocido texto, Ven Te Chow se refirió al fenómeno como la "inestabilidad del flujo uniforme", dando a entender que bajo determinadas condiciones, el flujo podría volverse inestable y romper en un tren de ondas (Chow, 1959). En la Fig. 2 se muestra una fotografía contemporánea del fenómeno de las ondas de rollo, u ondas pulsantes.
Una onda de rollo es un fenómeno inusual y a menudo fascinante, a ser admirado por aquéllos que tienen la suerte de observarlo. Sin embargo, en ciertas circunstancias, puede resultar inquietante e inclusive peligroso. Por lo tanto, es imperativo que los ingenieros hidráulicos comprendan los principios que rigen la formación y propagación de las ondas de rollo, de modo que el diseño pueda tender a minimizar los posibles impactos negativos. En este artículo enfocamos el estudio de caso de La Paz, Bolivia, en el cual se ha documentado la recurrencia de ondas de rollo con una frecuencia preocupante en algunos ríos canalizados. Localmente, estas ondas de rollo, a menudo de gran tamaño, se denominan ondas pulsantes. La Paz, una ciudad de aproximadamente 800.000 habitantes y sede del Estado Plurinacional de Bolivia, presenta un entorno geomorfológico peculiar: Está construida casi en su totalidad dentro de un inmenso barranco, con varios arroyos de pendiente muy pronunciada que drenan su lado oriental hacia el centro de la ciudad (Fig. 3).
En los últimos 30 años, el desarrollo urbano ha dado como resultado la canalización de varios de los principales arroyos tributarios con canales revestidos de mampostería, destinados a transportar las aguas de avenida del modo hidráulico más eficiente. Sin embargo, tal como se construyeron, los canales de drenaje han modificado la sección transversal de los arroyos de modo que los eventos de olas de rollo ahora son recurrentes (2019), donde no existían antes de la canalización. Con la amenaza del calentamiento global en ciernes, es probable que la intensidad y frecuencia de estos eventos aumenten con el tiempo, lo que requiere un renovado y más decidido enfoque para su mejor gestión. A modo de ilustración, aqui mostramos dos videos tomados en La Paz en los últimos años. El primer video muestra un evento de onda de rollo en el río Achumani, un afluente del río La Paz (Fig. 4). Este evento ocurrió en el año 2014. El video permite estimar el período de la onda en 19 segundos.
En el segundo video se observa una onda de rollo en el río Huayñajahuira, otro afluente del río La Paz, ocurrido el 24 de febrero de 2016. En este caso, se observa que el flujo pulsante es lo suficientemente grande como para saltar por encima de los límites del canal, constituyendo un peligro para la seguridad pública (Fig. 5). En la actualidad (2019), este tipo de eventos siguen repitiéndose en estos dos ríos canalizados, lo cual clama por una solución al problema.
En este artículo se revisan los antecedentes históricos y se examina la teoría, experiencia y posibles soluciones para controlar, atenuar y/o manejar las ondas de rollo de manera que la sociedad tenga la seguridad de que en el futuro no causen daños personales y/o materiales. 2. PERSPECTIVA HISTÓRICA En 1945, V. V. Vedernikov presentó, en idioma ruso, un análisis matemático exhaustivo de las ondas de rollo (Vedernikov, 1945; 1946). Casi al mismo tiempo, A. Craya publicó un artículo sobre la inestabilidad del flujo en la revista francesa La Houille Blanche (Craya, 1945). Sin embargo, el trabajo definitivo de Craya sobre el tema de la inestabilidad del flujo se publicó sólo siete años después (Craya, 1952). En un artículo publicado en Transactions of the American Geophysical Union, Ralph W. Powell bautizó el criterio de Vedernikov como el número de Vedernikov (Powell, 1948). Más adelante, Ven Te Chow confirmó la práctica en su reconocido libro de texto (Chow, 1959). Craya aclaró el criterio de Vedernikov interpretándolo como el umbral en el que la celeridad de la onda cinemática es igual a la de la onda dinámica. Ya en 1900, Seddon, trabajando en el Bajo Río Misisipi, había derivado la expresión para la celeridad de la onda cinemática, es decir, una onda gobernada únicamente por la fricción y la gravedad (Seddon, 1900). Más tarde, Lighthill y Whitham (1955) profundizaron en los fundamentos teóricos y matemáticos de la onda cinemática, destacando su aplicación a la propagación de ondas de inundación. A diferencia de una onda cinemática, la onda dinámica de la mecánica de fluidos clásica, la cual se propaga con la celeridad de Lagrange, es una onda gobernada únicamente por la inercia y el gradiente de presiones (Lagrange, 1788). Se observa que la celeridad relativa de la onda dinámica de Lagrange es el denominador del conocido número de Froude (Ponce, 2014: Capítulo 1). Ponce (1991) ha presentado un tratamiento teórico unificado de los números de Froude y Vedernikov, demostrando que son esencialmente independientes entre sí. El análisis siguió el trabajo seminal previo de Ponce y Simons (1977), que sentó las bases para el tratamiento completo del flujo inestable en canal abierto a lo largo del espectro adimensional de números de onda. Ponce confirmó el hallazgo anterior de Craya con respecto al umbral de inestabilidad del flujo, es decir, cuando las ondas de masa de Seddon (es decir, las ondas cinemáticas) superan las ondas de energía de Lagrange (las ondas dinámicas). Este umbral se produce cuando la celeridad de la onda cinemática es igual o superior a la celeridad de la onda dinámica, es decir, cuando el número de Vedernikov V ≥ 1. Por lo tanto, la naturaleza de las ondas de rollo está intrínsecamente ligada al concepto del número de Vedernikov. 3. EL NÚMERO DE VEDERNIKOV
Ponce (1991) y más recientemente, Ponce (2014) han identificado tres velocidades de interés en el flujo en canal abierto:
Se definen las siguientes variables:
Por lo tanto, solamente hay tres velocidades características en el presente
análisis:
Se observa claramente que los números de Froude y Vedernikov son independentes;
Así, la curva de gasto caudal-area puede expresarse en términos de los números de Froude y Vedernikov como sigue:
En resumen, el número de Froude es la relación entre la velocidad del flujo y la celeridad relativa de la onda dinámica. Para F < 1, prevalecen condiciones de flujo subcrítico y las perturbaciones superficiales pueden trasladarse aguas arriba, lo que hace posible el control aguas abajo. Para F > 1, prevalecen condiciones de flujo supercrítico y las perturbaciones superficiales no pueden trasladarse aguas arriba; por lo tanto, el flujo podría controlarse sólo desde aguas arriba. El criterio de Froude es estrictamente aplicable al flujo uniforme permanente, aunque en la práctica su uso se ha extendido a otras condiciones de flujo. El número de Vedernikov es la relación entre la celeridad relativa de la onda cinemática y la celeridad relativa de la onda dinámica. Por lo tanto, el criterio de Vedernikov es estrictamente aplicable al flujo no permanente. Para V < 1, las ondas dinámicas viajan más rápido que las ondas cinemáticas y, en consecuencia, el flujo es estable, es decir, libre de ondas de rollo. Por el contrario, para V > 1, las ondas cinemáticas viajan más rápido que las ondas dinámicas y, en consecuencia, el flujo es inestable, es decir, sujeto al desarrollo de ondas de rollo. Sin embargo, el que las ondas de rollo ocurran o no dependerá de la condición de contorno (véase la Sección 5). Por lo tanto, se considera que el criterio de Vedernikov es necesario, pero no suficiente, para la aparición de ondas de rollo. Los roles de la masa y la energía son fundamentales para el análisis de las ondas de rollo. Está bien establecido que, mientras que las ondas cinemáticas transportan masa, las ondas dinámicas transportan energía (Lighthill y Whitham, 1955). Por lo tanto, se observa que la aparición de ondas de rollo ocurre cuando el transporte no permanente de masa supera al transporte no permanente de energía. En este sentido, las ondas de rollo son una manifestación física de la preponderancia del transporte de masa sobre el transporte de energía en el flujo no permanente en canales abiertos. 4. EFECTO DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL The Vedernikov number is:
While hydraulic engineers are very familiar with the Froude number, a similar statement does not follow for the Vedernikov number, which continues to be largely ignored, or set aside, in hydraulic engineering practice (Ponce, 2002). To focus on the more familiar Froude number, the Vedernikov number may be expressed as follows:
Equation 4 shows that the Vedernikov number and the related flow instability are determined
by the product of (β - 1) times
the Froude number F.
According to theory, neutral stability, i.e.,
the threshold of flow instability, corresponds to
To unravel the physical meaning of flow instability, it is necessary to examine the true nature of β, the exponent of the discharge-area (Q - A) rating. Essentially, β is the ratio of kinematic wave celerity ck to mean flow velocity u. In other words, β is the factor by which to multiply the mean flow velocity to obtain the kinematic wave celerity. For β ≡ 1, the kinematic wave celerity is equal to the mean flow velocity, averting flow instability.
The value of β is a function of type
of boundary friction and cross-sectional shape. In practice,
Turbulent flow may be expressed in terms of either the Manning or Chezy equations.
The cross-sectional shape may vary widely, and with it,
the value of β. There are
three asymptotic cross-sectional shapes,
in terms of the applicable values of β
Table 1 shows the values of
The central value of the feasible range of β, corresponding to turbulent flow in a hydraulically wide
channel is
The value of β = 1, corresponding to the inherently stable channel, merits further
elaboration.
Alternatively, it makes sense to design a channel for a finite value of Fns,
carefully chosen as a physically realistic value that the flow is not likely to exceed
(Ponce and Diaz, 2016).
For such a conditionally stable channel, the applicable value of β
may be calculated by
For instance, for Fns = 25, Eq. 6 gives β = 1.04.
Therefore, values of β in excess of 1 but close to it are sufficient
to assure stability within a range of practical
neutral-stability Froude numbers
In summary, it is shown that β,
the exponent of the discharge-area rating (Eq. 2) and a characteristic of the
cross section,
is largely responsible for the occurrence of roll waves in unsteady
5. PROPAGACIÓN DE ONDAS EN CANALES
The necessary and sufficient condition for roll wave formation may be analyzed using the theory
of shallow wave propagation of Ponce and Simons (1977). These authors applied the method of linear stability
to the set of equations governing unsteady open-channel flow, commonly referred to as the
Figure 6 shows values of dimensionless relative wave celerity cr*
(ordinates) across a wide range of dimensionless wavenumbers σ* (abscissas).
This figure shows that cr* ⇒ 0.5 as
Figure 6 also shows that for F = 2, cr* is constant and equal to 0.5, which corresponds to the value
of neutrally stable Froude number (V = 1) for a hydraulically wide channel with Chezy friction
Wave attenuation or amplification is produced when the value of cr* varies across the dimensionless wavenumber spectrum.
It can be shown that neither Seddon waves (kinematic) nor Lagrange
waves (dynamic) are subject to (any amoiunt of) attenuation or amplification.
Figure 6 describes wave attenuation for F < 2 (i.e., for a positive cr* gradient)
and wave amplification for
Figure 7 shows values of logarithmic decrement δ
(in the ordinates) across a wide range of dimensionless wavenumbers
σ* (abscissas), for Froude
numbers in the range
Figure 8
shows values of logarithmic increment +δ
(ordinates) (i.e., wave amplification) across a wide range of dimensionless wavenumbers
σ* (abscissas), for Froude
numbers in the range
The foregoing analysis has confirmed that wave amplification will occur for Froude numbers Practical experience suggests that the Vedernikov criterion (V ≥ 1) is necessary but not sufficient for the occurrence of roll waves. Roll waves do not occur all the time in steep channels where the instability criterion is met. In fact, roll waves are seen to be an unusual occurrence.
In summary, the Ponce and Simons (1977) theory of shallow wave propagation
confirms Vedernikov's theory.
6. VERIFICACIÓN EXPERIMENTAL
Figure 8 shows the range of dimensionless wavenumbers
where the wave amplification is likely to be stronger. In fact, there is a value of
σ* for which the logarithmic increment +δ is a maximum.
Figure 8 shows that for F = 4 (the red curve), +δpeak = 0.5
corresponds to
The wave amplification is assured by the nature of the variation of the
dimensionless relative wave celerity for
To verify the theory, Ponce and Maisner (1993) used the classical Brock laboratory
flume data, developed at the California Institute of Technology.
Brock (1967) measured crest depths and wave periods of roll waves under a
wide range of flow conditions.
The results of the comparison are shown in Fig. 9.
It is observed that Brock's data agrees reasonably well with the theory.
7. DIFUSIÓN VS. AMPLIFICACIÓN DE LAS ONDAS
Roll waves, occurring under unstable flow, are one of the manifestations of unsteady
flow in open channels (V > 1).
The Vedernikov criterion V = 1 is an absolute criterion and, therefore,
independent of the type of friction or cross-sectional shape.
Whether a wave diffuses or amplifies will depend on: (1) the effect of boundary friction, and For V > 1, all waves will amplify. The strength of the amplification will depend on the Froude number and the dimensionless wavenumber of the perturbation, with higher Froude numbers undergoing somewhat greater amplification (Fig. 8). Wave amplification peaks near the midrange (and left of midrange) of dimensionless wavenumbers. The strength of the wave diffusion or amplification is related to the rate of variation of dimensionless relative wave celerity with dimensionless wavenumber (Fig. 6). In the stable regime (V < 1), this rate of variation increases markedly as the Froude number decreases, increasing the rate of attenuation (Fig. 7). Conversely, in the unstable regime (V > 1), the rate of variation increases mildly as the Froude number increases, mildly increasing the rate of amplification (Fig. 8). The exponent of the rating β conditions and produces attenuation or amplification at any scale in the wavenumber spectrum. Values of β ⇒ 5/3 for Manning friction (and β ⇒ 3/2 for Chezy) lead to wave amplification. This is because wave transport being nonlinear, the wave peaks are able to travel faster than the mean flow, with the wave faces poised to steepen and eventually break. Conversely, values of β ⇒ 1 (i.e., approaching 1) lead to wave attenuation, i.e., wave diffusion, because the wave peaks are traveling at nearly the same speed as that of the mean flow and, therefore, are poised not to steepen.
In conclusion, managing β (at the design stage) is a
sure way to control flow amplification and thus, avert flow instability.
A hydraulically wide channel features β ⇒
5/3 for Manning friction (and β ⇒ 3/2 for Chezy);
therefore, it is preeminently not conducive to wave diffusion. Moreover,
a rectangular
channel cross-section is that closest to hydraulically wide,
with typical values
of β in the range 3/2 to 5/3. Therefore, a rectangular cross section
is also not
conducive to wave diffusion.
Values of 8. CÁLCULO de β
It has been shown that β, the exponent of the discharge-flow area
rating, The online script onlinechannel15b calculates β for a prismatic channel of trapezoidal, rectangular, or triangular cross section (Fig. 10). The calculator requires the following input:
To demonstrate the online calculator, we consider two examples: (1) a rectangular
cross section, and (2) a trapezoidal cross section; to pass an arbitrary discharge of Q = 50 m3/s.
The results are: Q = 50 m3/s;
v = 8.088 m/s;
F = 2.501;
β = 1.607;
Fns = 1.646; and
In Example No. 2, assume b = 1.2 m,
y = 2.391 m,
z1 = 0.5,
z2 = 0.5,
n = 0.025, and
S = 0.057.
The results are: Q = 50.03 m3/s;
v = 8.735 m/s;
F = 2.208;
β = 1.4;
Fns = 2.497, and
We note that the choice of cross-sectional shape and channel dimensions with the objective of reducing β must be done judiciously. For example, a wide trapezoidal channel may not necessarily lead to a reduction in the value of β, because the increase in top width T will result in a decrease in hydraulic depth D, leading to an increase in the Froude and Vedernikov numbers. 9. LA NATURALEZA DE β
The value of β is smaller not only for triangular
channels, but also for narrow channels.
The following conclusiones are drawn from Table 3:
For the given test cases, Table 3 shows that as β decreases, V also decreases. 10. CONTROL MECÁNICO DE LAS ONDAS DE ROLLO The Vedernikov criterion is seen to be a necessary condition, but it may be not sufficient for the occurrence of roll waves (See Section 5). Since there is a preferential scale of dimensionless wavenumbers for roll-wave propagation (Fig. 8), whether a roll-wave event will occur may also depend on the upstream boundary condition, i.e., on the (dimensionless) scale of the incoming wave. Therefore, there is a randomness or stochasticity about the occurrence of a roll-wave event, which precludes it from happening too frequently or, otherwise, at regularly timed intervals. In addition to the effective
assessment of the value of the Vedernikov number, roll-wave events may also be controlled
by mechanically attenuating (i.e., diffusing) the preferential wavenumbers if, by chance, they happen to be present.
This can be accomplished by placing a momentum diffuser in the flow, at or near the upstream
boundary. A momentum diffuser separates the flow into a series of narrow channels (Fig. 13).
11. ESTUDIO DE CASO: TRIBUTARIOS DEL RÍO LA PAZ, BOLIVIA
The findings of this article are complemented with a case study of two tributaries of the
The watershed of the La Paz river comprises 496.4 km2 and features six (6)
tributaries:
The channels are built using stone-masonry walls and unlined channel beds; see Figs. 16 and 17.
Pending additional studies,
the Manning friction coefficient
has been estimated at n = 0.030
Table 5 shows calculations of β and V for
seven (7) selected channel reaches
(stations) with relatively steep local slopes (Slocal ≥ 0.034; Table 4).
In order to compare events of similar frequency, the flow depths were set to
pass the same discharge, chosen as
The existence of channel drops adds a bit of complexity to the analysis, since the flow could no longer be considered to be strictly one-dimensional. Therefore, the present analysis is only an approximation, subject to detailed field verification when appropriate.
12. CONCLUSIONES
The theoretical foundations and relevant experience with open-channel flow instability
are
examined with the objective of controlling roll waves.
The latter seem to recur with relative frequency in channelized rivers where the Vedernikov number has
increased, due to the channelization, above the threshold
It is shown that the choice of β (at the design stage) is of paramount importance in the control
of roll waves.
Shallow wave propagation theory reveals the existence of a preferential scale for the amplification of surface perturbations in the
unstable regime
The methodology developed herein is applied to two channelized rivers in La Paz, Bolivia,
where large roll waves (pulsating waves) have been shown to recur with
increasing frequency. REFERENCES
Brock, R. R. (1967). Development of roll waves in open channels. Report No. KH. R-16,
W. M. Keck Laboratory of Hydraulics and Water Resources, California institute of Technology, Pasadena. Calif.
Chow, V. T. 1959. Open-channel Hydraulics. Mc-Graw Hill, New York.
Cornish, V. 1907. Progressive waves in rivers. Journal of the Royal Geographical Society, Vol. 29, No. 1, January, 23-31.
Craya, A. 1945. Calcul graphique des régimes variables dans lex canaux. La Hoiulle Blanche, No. 1, 39-60.
Craya, A. 1952.
The criterion for the possibility of roll wave formation. Gravity Waves, Circular 521, 141-151,
National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD.
Lagrange, J. L. de. 1788. Mécanique analytique. Paris, part 2, section II, article 2, p 192.
Liggett, J. A. (1975). Stability, in Unsteady flow in open channels,
Vol. 1, K. Mahmood and V. Yevjevich, eds., Water Resources Publications, Fort Collins, Colo., 259-281.
Lighthill, M. J., and G. B. Whitham. 1955.
On kinematic waves: I. Flood movement in long rivers. Proceedings, Royal Society of London, Series A, 229, 281-316.
Plan Maestro de Drenaje. 2007. Revisión y Actualización del Plan Maestro de Drenaje para la Ciudad de La Paz. Informe Final,
Gobierno Municipal de La Paz (GMLP), República de Bolivia,
Octubre.
Ponce, V, M., and D. B. Simons. 1977. Shallow wave propagation in open-channel flow. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, Vol. 103, No. HY12, December, 1461-1476.
Ponce, V. M. 1991. New perspective on the Vedernikov number. Water Resources Research, Vol. 27, No. 7, 1777-1779, July.
Ponce, V, M., and M. P. Maisner. 1993.
Verification of theory of roll wave formation. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 119, No. 6, June, 768-773.
Ponce, V. M., and P. J. Porras. 1995. Effect of cross-sectional shape on free-surface instability. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 121, No. 4, April,
376-380.
Ponce, V. M. 2002. That's the one we skip! Legacy Tale. ponce.sdsu.edu
Ponce, V. M. 2014. Fundamentals of open-channel hydraulics. Online textbook.
Ponce, V. M. 2014. Chow,
Froude and Vedernikov. Online paper.
Ponce, V. M. and M. Diaz. 2016. The inherently stable channel with online computation. Online paper.
Powell, R. W. 1948.
Vedernikov's criterion for ultra-rapid flow.
Transactions, American Geophysical Union, Vol. 29, No. 6, 882-886.
Seddon, J. A. 1900. River hydraulics.
Transactions, ASCE,
Vol. XLIII, 179-243, June.
Vedernikov, V. V. 1945. Conditions at the front of a translation wave disturbing a steady motion of a real fluid. Doklady Akademii Nauk USSR, 48(4), 239-242.
Vedernikov, V. V. 1946. Characteristic features of a liquid flow in an open channel. Doklady Akademmi Nauk USSR, 52(3), 207-210.
|
241120 08:45 |