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Routing (hydrology)

In hydrology , routing is a technique used to predict the changes in shape of a hydrograph as water moves through a river channel or a reservoir . In flood forecasting , hydrolo...

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In hydrology, routing is a technique used to predict the changes in shape of a hydrograph as water moves through a river channel or a reservoir. In flood forecasting, hydrologists may want to know how a short burst of intense rain in an area upstream of a city will change as it reaches the city. Routing can be used to determine whether the pulse of rain reaches the city as a deluge or a trickle.

Routing also can be used to predict the hydrograph shape (and thus lowland flooding potential) subsequent to multiple rainfall events in different sub-catchments of the watershed. Timing and duration of the rainfall events, as well as factors such as antecedent moisture conditions, overall watershed shape, along with subcatchment-area shapes, land slopes (topography/physiography), geology/hydrogeology (i.e. forests and aquifers can serve as giant sponges that absorb rainfall and slowly release it over subsequent weeks and months), and stream-reach lengths all play a role here. The result can be an additive effect (i.e. a large flood if each subcatchment's respective hydrograph peak arrives at the watershed mouth at the same point in time, thereby effectively causing a "stacking" of the hydrograph peaks), or a more distributed-in-time effect (i.e. a lengthy but relatively modest flood, effectively attenuated in time, as the individual subcatchment peaks arrive at the mouth of the main watershed channel in orderly succession).[1][2][3]

Other uses of routing include reservoir and channel design, floodplain studies and watershed simulations.[4]

If the water flow at a particular point, A, in a stream is measured over time with a flow gauge, this information can be used to create a hydrograph. A short period of intense rain, normally called a flood event, can cause a bulge in the graph, as the increased water travels down the river, reaches the flow gauge at A, and passes along it. If another flow gauge at B, downstream of A is set up, one would expect the graph's bulge (or floodwave) to have the same shape. However, the shape of the river and flow resistance within a river (from the river bed, for example) can affect the shape of the floodwave. Oftentimes, the floodwave will be attenuated (have a reduced peak flow).

Routing techniques can be broadly classified as hydraulic (or distributed) routing, hydrologic (or lumped) routing or semi-distributed routing. In general, based on the available field data and goals of the project, one of routing procedures is selected.

Hydraulic (or distributed) routing

Hydraulic routing is based on the solution of partial differential equations of unsteady open-channel flow. The equations used are the Saint-Venant equations or the associated dynamic wave equations.[5][6]

The hydraulic models (e.g. dynamic and diffusion wave models) require the gathering of a lot of data related to river geometry and morphology and consume a lot of computer resources in order to solve the equations numerically.[7][8][9]

Hydrologic (or lumped) routing

Hydrologic routing uses the continuity equation for hydrology. In its simplest form, inflow to the river reach is equal to the outflow of the river reach plus the change of storage:

I=O+ΔSΔt{\displaystyle I=O+{\frac {\Delta S}{\Delta t}}}, where
  • I is average inflow to the reach during Δt{\displaystyle \Delta t}
  • O is average outflow from the reach during Δt{\displaystyle \Delta t}; and
  • S is the water currently in the reach (known as storage)

The hydrologic models (e.g. linear and nonlinearMuskingum models) need to estimate hydrologic parameters using recorded data in both upstream and downstream sections of rivers and/or by applying robust optimization techniques to solve the one-dimensional conservation of mass and storage-continuity equation.[10]

Semi-distributed routing

Semi-distributed models such as Muskingum–Cunge family procedures are also available. Simple physical concepts and common river characteristics such as channel geometry, reach length, roughness coefficient, and slope are used to estimate the model parameters without complex and expensive numerical solutions.[11][12][13]

Flood routing

El enrutamiento de inundaciones es un procedimiento para determinar el tiempo y la magnitud del flujo (es decir, el hidrograma de flujo) en un punto de un curso de agua a partir de hidrogramas conocidos o supuestos en uno o más puntos aguas arriba. El procedimiento se conoce específicamente como enrutamiento de inundaciones , si el flujo es una inundación . [ 14 ] [ 15 ] Después del enrutamiento, el pico se atenúa y se introduce un retardo de tiempo. Para determinar el cambio en la forma de un hidrograma de una inundación a medida que viaja a través de un río natural o un canal artificial, se pueden utilizar diferentes técnicas de simulación de inundaciones. Tradicionalmente, se pueden utilizar los procedimientos de enrutamiento hidráulico (por ejemplo, modelos de ondas dinámicas y de difusión ) e hidrológico ( por ejemplo, modelos de Muskingum lineales y no lineales ) que son bien conocidos como métodos distribuidos y concentrados para los profesionales de la hidráulica y la hidrología, respectivamente. Los modelos hidrológicos necesitan estimar parámetros hidrológicos utilizando datos registrados tanto en las secciones aguas arriba como aguas abajo de los ríos y/o aplicando técnicas de optimización robusta para resolver la ecuación unidimensional de conservación de masa y almacenamiento-continuidad. [ 16 ] Por otro lado, los modelos hidráulicos requieren la recopilación de muchos datos relacionados con la geometría y morfología del río y consumen muchos recursos informáticos para resolver las ecuaciones numéricamente. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] Sin embargo, también están disponibles modelos semidistribuidos como los procedimientos de la familia Muskingum-Cunge . Se utilizan conceptos físicos simples y características comunes del río que consisten en geometría del canal, longitud del tramo, coeficiente de rugosidad y pendiente para estimar los parámetros del modelo sin soluciones numéricas complejas y costosas. [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] En general, con base en los datos de campo disponibles y los objetivos de un proyecto, se utiliza uno de estos enfoques para la simulación de inundaciones en ríos y canales.

Enrutamiento de escorrentía

El enrutamiento de escorrentía es un procedimiento para calcular un hidrograma de escorrentía superficial a partir de la lluvia. Se restan las pérdidas de la lluvia para determinar el exceso de lluvia, que luego se convierte en un hidrograma y se enruta a través de depósitos conceptuales que representan el comportamiento de descarga de los depósitos del flujo superficial y de los canales. [ 23 ] [ 24 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Tague, CL y LE Band. Evaluación del enrutamiento explícito e implícito para modelos hidroecológicos de cuencas hidrográficas forestales a pequeña escala. Hydrological Processes 15, páginas 1415–1439 (2001). Disponible en línea en http://andrewsforest.oregonstate.edu/pubs/pdf/pub3128.pdf
  2. ↑ Ejemplos de configuraciones de cuencas hidrográficas. Universidad de Texas A&M. Disponible en línea en http://swat.tamu.edu/media/69422/Appendix-B.pdf
  3. ↑ Delimitación de cuencas hidrográficas, Lección 3. Universidad Estatal de Utah, Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos y AquaTerra Consultants. Disponible en línea en https://www.epa.gov/sites/default/files/2015-07/documents/lecture-3-watershed-delineation.pdf
  4. ↑ EM 1110-2-1417 (1994). "Capítulo 9 - Caudal y enrutamiento de embalses" (PDF) . Análisis de escorrentía de inundaciones . Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. pág.  9-1.{{cite conference}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  5. ↑ Chow V. T, Maidment D. R, Mays LW (1988). Hidrología aplicada. McGraw1Hill International Editions: Singapur.
  6. ^ Akan AO (2006). Hidráulica de canal abierto. Elsevier, Nueva York, NY, Estados Unidos.
  7. ↑ Chaudhry MH (1993) Flujo en canal abierto. Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, EE. UU.
  8. ↑ Samani HM V, Shamsipour G. A (2004). Enrutamiento hidrológico de inundaciones en sistemas fluviales ramificados mediante optimización no lineal. Journal of Hydraulic Research, 42(1): 55-59.
  9. ↑ Akbari G. H, Barati R (2012). Análisis integral de inundaciones en cuencas no gestionadas. Actas de la Institución de Ingenieros Civiles - Gestión del Agua, 165(4): 229-238.
  10. ↑ Barati R (2011). Estimación de parámetros de modelos no lineales de Muskingum utilizando el algoritmo simplex de Nelder-Mead. Journal of Hydrologic Engineering, 16(11): 946-954.
  11. ↑ Cunge J. A (1969). Sobre el tema de un método computacional de propagación de inundaciones (método Muskingum). Journal of Hydraulic Research, 7(2): 2051230.
  12. ↑ Perumal M (1994). Derivación hidrodinámica de un método de Muskingum de parámetros variables: 1. Teoría y procedimiento de solución. Revista de ciencias hidrológicas, 39(5): 431–442.
  13. ↑ Barati R, Akbari GH y Rahimi S (2013) Enrutamiento de inundaciones de una cuenca fluvial no gestionada utilizando el modelo Muskingum–Cunge; aplicación de campo y experimentos numéricos. Caspian Journal of Applied Sciences Research, 2(6):08-20.
  14. ↑ Chow V. T, Maidment D. R, Mays LW (1988). Hidrología aplicada. McGraw1Hill International Editions: Singapur.
  15. ^ Akan AO (2006). Hidráulica de canal abierto. Elsevier, Nueva York, NY, Estados Unidos.
  16. ↑ Barati R (2011). Estimación de parámetros de modelos no lineales de Muskingum utilizando el algoritmo simplex de Nelder-Mead. Journal of Hydrologic Engineering, 16(11): 946-954.
  17. ↑ Chaudhry MH (1993) Flujo en canal abierto. Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, EE. UU.
  18. ↑ Samani HM V, Shamsipour G. A (2004). Enrutamiento hidrológico de inundaciones en sistemas fluviales ramificados mediante optimización no lineal. Journal of Hydraulic Research, 42(1): 55-59.
  19. ↑ Akbari G. H, Barati R (2012). Análisis integral de inundaciones en cuencas no gestionadas. Actas de la Institución de Ingenieros Civiles - Gestión del Agua, 165(4): 229-238.
  20. ↑ Cunge J. A (1969). Sobre el tema de un método computacional de propagación de inundaciones (método Muskingum). Journal of Hydraulic Research, 7(2): 2051230.
  21. ↑ Perumal M (1994). Derivación hidrodinámica de un método de Muskingum de parámetros variables: 1. Teoría y procedimiento de solución. Revista de ciencias hidrológicas, 39(5): 431–442.
  22. ↑ Barati R, Akbari GH y Rahimi S (2013) Enrutamiento de inundaciones en una cuenca fluvial no gestionada utilizando el modelo Muskingum-Cunge; aplicación de campo y experimentos numéricos. Caspian Journal of Applied Sciences Research.
  23. ↑ Laurenson, EM (1964). Un modelo de almacenamiento de cuenca para el enrutamiento de la escorrentía. Journal of Hydrology, 2(2): 141-163.
  24. ↑ Mein, RG, EM Laurenson y TA McMahon (1974). Modelo no lineal simple para la estimación de inundaciones. Journal of the Hydraulics Division, American Society of Civil Engineers 100(HY11): 1507-1518.