hydrovlab-extenso

IAHR
AIIH
XXIV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA
PUNTA DEL ESTE, URUGUAY, NOVIEMBRE 2010
HYDROVLAB, LABORATORIO VIRTUAL DE HIDROLOGÍA
Oñate-Valdivieso, F., Fierro, J. y Cueva, F.
Unidad de Ingeniería Civil, Geología y Minas. Universidad Técnica Particular de Loja C/. Marcelino Champagnat s/n,
1101608, Loja, Ecuador. [email protected]
RESUMEN:
A pesar la exitosa aplicación de las Tecnologías de la Información y Comunicación en la docencia
On Line y a distancia, existen temas como la aplicación práctica de conocimientos que aún no ha
sido resueltos del todo y más aún en el ámbito de la Ingeniería. En el presente trabajo se presenta el
Laboratorio Virtual de Hidrología (HydroVLab), una iniciativa académica que vía Internet,
pretende proporcionar herramientas para la simulación de fenómenos hidrológicos, el análisis de
datos y el diseño de elementos relevantes en Ingeniería hidráulica y fluvial, todo con una
concepción didáctica que permita al estudiante y al investigador analizar los diferentes fenómenos
hidrológicos y su interrelación con sus parámetros más relevantes. Se detalla el proceso de
validación matemática informática y de la funcionalidad del laboratorio reasumiéndose algunas de
sus capacidades más importantes.
ABSTRACT:
Despite the successful application of Technologies of Information and Communication in Online
and distance Teaching, there are issues such as the practical application of knowledge that has not
yet been fully resolved and even more in the field of engineering. This paper presents the Virtual
Laboratory of Hydrology (HydroVLab), an academic initiative wich through the Internet, aims to
provide tools for the simulation of hydrological phenomena, data analysis and design of relevant
elements in hydraulic and rivers engineering, all with an educational concept that allows the student
and researcher to analyze the various hydrological phenomena and their relationship with their most
relevant parameters. It details the process of validating mathematical, computer and lab
functionality recapping some of their most important capabilities.
PALABRAS CLAVES: (1era. hoja)
Laboratorio Virtual, Hidrología, Educación OnLine
INTRODUCCIÓN
Las siempre dinámicas Tecnologías de la Información y Comunicación, han posibilitado ofertar
formación de calidad a nivel de postgrado, mediante entornos virtuales de aprendizaje que rompen
las barreras geográficas y temporales. Si bien se puede hablar de éxito de la educación “on line”,
aún existen aspectos básicos de la formación que aún no se encuentran del todo resueltos, tal es el
caso de la aplicación práctica y experimental de los conceptos teóricos impartidos, conservando el
espíritu de la educación virtual y a distancia.
En el campo de la hidrología se han desarrollado diferentes herramientas con la intensión de
automatizar los cálculos hidrológicos, las mismas que de cierta manera pueden contribuir a la
aplicación práctica de los conceptos teóricos recibidos, entre estas herramientas van desde sencillas
hojas de cálculo, hasta complejos modelos hidrológicos en entorno SIG. Si bien estas herramientas
han sido ampliamente utilizadas con fines de diseño o investigación, estas no han sido concebidas
con fines educativos, ya que su aplicación requiere de un cierto nivel de especialización no solo en
aspectos hidrológicos sino en ramas afines como los SIG y geoestadística, etc.
Una alternativa de solución a esta problemática es la creación de laboratorios virtuales que mediante
un entrono Web, faciliten no solo la experimentación y aplicación práctica de conocimientos, sino
también que contribuyan al estudio y comprensión de los fenómenos hidrológicos. Con esta
motivación se ha desarrollado el Laboratorio Virtual de Hidrología (HydroVLab).
En varias áreas del conocimiento existen laboratorios virtuales con fines didácticos que permiten
reproducir ensayos preestablecidos, que no presentan muchas opciones de variación. Por otra parte
los lenguajes de programación en entorno Web adolecen de ciertas limitaciones que no han
permitido el desarrollo de rutinas relativamente complejas, es por esto que lo que en el desarrollo
del HydroVLab se optó por una solución diferente: combinando lenguajes de programación
robustos para los procesos de cálculo, con lenguajes de programación Web para la creación de las
interfases de usuario, logrando de esta manera una estructura que soporta innumerables ensayos
virtuales, con interfases amigables y alto poder de cálculo.
El HydroVLab que se encuentra disponible en www.hydrovlab.utpl.edu.ec.
OBJETIVO
En el presente trabajo se pretende detallar el proceso seguido para implementar el laboratorio
Virtual de Hidrología (HydroVLab), así como sus funcionalidades y prestaciones. En primera
instancia se describirá el entorno Web, y sus elementos constitutivos, para a continuación describir
las metodologías empleados para la simulación de procesos hidrológicos así como los aspectos
considerados en el diseño informático del laboratorio, para finalmente centrarse en el análisis de su
desempeño.
MATERIALES Y MÉTODOS
El HydroVLab posee tres componentes básicos: a.) Herramientas para análisis de datos, que le
permiten al usuario realizar análisis de consistencia, modelamiento de series históricas y estimación
de información faltante. b.) Herramientas para la simulación de procesos, que permiten estudiar
cada una de las fases del ciclo hidrológico y el efecto de la variación de los parámetros empleados
en su modelamiento y c.) Herramientas para diseño de obras civiles relacionadas a la hidrología y la
ingeniería fluvial, como apoyo al proyectista.
Informáticamente el HydroVLab es una combinación de lenguajes de programación robustos para
realizar los procesos de cálculo y lenguajes de programación Web para la creación de las interfases
de usuario. Para el efecto se integraron diversos elementos: Como base de datos se empleó SQL
Server 2005. Aplicando Visual Basic.Net 2005 como lenguaje de programación se implementaron
todos los componentes de la aplicación y las respectivas capas de presentación, lógica de negocios y
de acceso a datos. El Internet Information Server (IIS) de Microsoft®, fue el servidor seleccionado
ya que permite consumir servicios de Http, Https, FTP, SMTP y ejecutar contenido asp, aspx, y
javascript. Finalmente se utilizó DotNetNuke, Versión 5 para la administración y gestión de
contenidos en el sitio Web.
Hidrológicamente, el componente de análisis de datos incluye una rutina para la estimación de
información faltante, mediante un análisis de correlación ortogonal entre estaciones, previo al cual,
es factible realizar un análisis gráfico de régimen y vecindad entre éstas, formándose grupos de
estaciones y estudiando la homogeneidad de sus registros mediante curvas de doble acumulación
(Dingman, 2002). Adicionalmente se incluyen herramientas para la estimación de valores extremos
mediante la aplicación de diferentes distribuciones de probabilidad, seleccionando la óptima para
cada caso, mediante pruebas de bondad de ajuste.
El componente de simulación posee herramientas para el estudio de relaciones lluvia escorrentía
basado en el concepto del hidrograma unitario sintético del USSCS (Chow, et al., 1994, Ponce,
1989), siendo posible observar el efecto que tienen en los caudales de una cuenca aspectos como la
magnitud de la precipitación, la duración de la tormenta, así como el tipo y ocupación del suelo.
Por otra parte, es factible estudiar la producción de sedimentos mediante la Ecuación Universal de
Pérdida de Suelo (Renard et al., 1991, Wischmeier y Smith 1978) y el transporte de sedimentos en
cauces naturales considerando el transporte de fondo y en suspensión mediante la aplicación de 24
métodos de cálculo diferentes (Maza y García, 1996). Se cuenta con un modelo concentrado de
simulación continua basado en el modelo precipitación/aportación de Témez (Témez, 1977, Estrela
Monreal, 1999), ideal para el estudio de cuencas de menos de 300 Km2 de superficie (OñateValdivieso, 2009). Finalmente se ha implementado una herramienta para la simulación del tránsito
hidrológico en cauces naturales y reservorios, aplicando metodologías de uso común como
Muskingum, Muskingum-Cunge (Ponce, 1989), piscina nivelada y onda cinemática (Chow, et al.,
1994).
En lo que a diseño se refiere, se ha implementado un módulo para el cálculo de parámetros
fundamentales en la hidráulica de canales como el tirante normal, el tirante crítico, curvas de
remanso y el resalto hidráulico, tanto en secciones rectangulares, trapezoidales y circulares (Chow,
1994). Adicionalmente se ha implementado un componente destinado al diseño de encausamientos
y control de torrentes aplicando criterios de hidráulica fluvial para calcular el cauce regulado, la
cota de la máxima crecida y la socavación máxima en un cauce subdividido en tamos (Martín Vide,
2000).
De forma complementaria se cuenta con una Wiki en las que se incluyen detalles metodológicos,
conceptos fundamentales y aportaciones teóricas que facilitan la comprensión de los conceptos y
aplicaciones del HydroVLab. Con el fin de fomentar el intercambio de opiniones entre los usuarios
del entorno, se ha puesto a disposición de ellos foros de discusión individuales para cada temática
tratada.
La eficiencia numérica de los cálculos realizados por el HydroVLab se validó mediante
comparación directa con los resultados obtenidos aplicando software de funcionamiento similar
(HEC-HMS, HEC-RAS, CHAC, entre otros) y hojas electrónicas. Las facilidades de operación del
HydroVLab fueron evaluadas por 120 estudiantes de la Escuela de Ingeniería Civil de la
Universidad Técnica Particular de Loja y sus opiniones fueron recogidas a través de encuestas
anónimas. El desempeño computacional del entorno se evaluó mediante el incremento progresivo
de usuarios simultáneos, registrando en cada caso las variaciones en el tiempo de ejecución de una
rutina única cargada por los todos usuarios a la vez, así como por diferentes rutinas cargadas
aleatoriamente por éstos. Adicionalmente se estudió el desempeño del laboratorio empleando redes
LAN y Wireless.
RESULTADOS
En la figura 1 se presenta una de las ventanas del componente de simulación del HydroVLab para el
estudio de las relaciones lluvia escorrentía, que permite estudiar el efecto de la magnitud de la
precipitación efectiva en los caudales de crecida en una cuenca determinada. El HydroVLab
permite variar las condiciones iniciales y observar gráfica y numéricamente el efecto de dichos
cambios, de esta manera, se puede estudiar la sensibilidad que cada uno de los procesos
hidrológicos presenta ante variaciones de sus condiciones de contorno.
Figura 1.- Generación de hidrogramas de crecida en el HydroVLab
En la figura 2 se observa el módulo de tránsito hidrológico mediante el método de Muskingum
siendo factible calibrar el valor de los coeficientes K y X en función de hidrográmas observados.
Conocido el valor de los coeficientes se realiza el tránsito de la creciente. Cabe resaltar que la
calibración de los parámetros y el tránsito hidrológico es interactiva permitiéndose en cualquier
momento variar los datos de entrada y el valor de los parámetros, de esta manera es factible
observar sus interrelaciones.
Figura 2.- Transito de crecientes mediante el método de Muskingum en el HydroVLab
Entre las herramientas diseño disponibles en el HydroVLab, se destaca la herramienta destinada al
dimensionamiento del cauce regulado para el encausamientos y control de torrentes, permitiendo el
diseño horizontal y vertical de las obras civiles requeridas para el efecto. El ingreso de datos se
realiza mediante archivos de texto que incluyen las características geométricas de cada sección
transversal y su coeficiente de rugosidad de Manning. Gráficamente nos presenta el perfil
longitudinal del tramo, la elevación de la superficie libre del agua, el cauce regulado y el detalle de
las obras transversales necesarias. Parte de los procesos se observan en la figura 3.
Figura 3.- Diseño del cauce regulado en el HydroVLab
La herramienta calcula las cotas de máxima crecida y dimensiona la sección del cauce regulado.
Finalmente determina la ubicación y el dimensionamiento de las obras transversales para el control
vertical de la pendiente.
En la figura 4 se puede observar la herramienta de análisis de datos destinada a la homogenización
de series históricas. En dicha herramienta se ha previsto: a.) La representación gráfica de la
variación estacional de los registros. b.) La representación comparativa de la extensión de los
mismos (cronograma), que permite identificar períodos comunes de información c.) La ubicación
espacial de las estaciones a utilizarse en el análisis, d.) La construcción interactiva de curvas de
doble masa y e.) La homogenización de las series históricas mediante un análisis de correlación
ortogonal. Esta herramienta requiere de un formato especial del archivo de texto para el ingreso de
datos, ya que permite manejar simultáneamente el registro histórico de hasta 20 estaciones.
Figura 4.- Análisis de datos para homogenización de registros en el HydroVLab
Los manuales de operación de cada herramienta que incluyen fundamentos teóricos y ejercicios de
aplicación, así como los ejemplos precargados en el entorno, se constituyen en un aporte didáctico
para el usuario en la comprensión del uso del laboratorio virtual.
La comparación de resultados gráficos y numéricos obtenidos mediante el HydroVLab y los
obtenidos con software de similares características arrojó un 100 % de correspondencia,
observándose en algunos casos diferencias mínimas atribuidas a pequeñas variaciones
metodológicas introducidas en los software utilizados para comparación.
En lo que a las facilidades de manejo del entorno y sus herramientas, al rededor del 80% de los
evaluadores le concedió una calificación alta, cerca del 15 % le otorgó una calificación media y un
5% baja. Estos resultados avalan el diseño del laboratorio, considerándose que éste es
suficientemente amigable, y podría utilizarse en educación a distancia sin mayores inconvenientes.
El desempeño del laboratorio ante el incremento progresivo de usuarios simultáneos conectados a
una red LAN, mostró una leve disminución de la velocidad de ejecución de la rutina única
simultánea, alcanzando un valor cercano al 5 % con 25 usuarios simultáneos. En el caso de rutinas
aleatorias no se observó una disminución apreciable de la velocidad de cálculo del entorno. Al
utilizar una red Wireless la velocidad de ejecución se redujo hasta en un 12 % para el mismo
número de usuarios. Aparentemente la velocidad de ejecución del HydroVLab está supeditada en
mayor grado, al ancho de banda disponible antes que al número de usuarios conectados
simultáneamente.
DESARROLLOS FUTUROS
Si se considera que la Hidrología es una ciencia muy amplia y que se encuentra en permanente
evolución, la implementación y validación del HydroVLab es una tarea que tardará mucho tiempo
en ser concluida. Al corto plazo se tiene planificado la inclusión de herramientas para el estudio y
modelización estocástica de series hidrológicas, para el cálculo de la evapotranspiración, la
simulación de evento y la modelización continua semidistribuida de cuencas hidrográficas, entre
otras.
CONCLUSIONES
El HydroVLab posibilita el estudio de los fenómenos hidrológicos y la aplicación práctica de los
conocimientos adquiridos en la cátedra de Hidrología y Recursos Hídricos, rompiendo barreras
geográficas y temporales. Crea un espacio de discusión entre los investigadores de temas afines a la
Hidrología y los Recursos Hídricos que enriquece el aprendizaje a distancia con soporte on-line y es
el inicio del desarrollo de una herramienta que, replicada en las diversas ramas de la Ingeniería,
puede ser un elemento diferenciador en la educación a distancia.
El modelo informático del HydroVLab le concede características que incrementan su capacidad de
cálculo, haciendo posible la realización de múltiples ensayos, con las más variadas consideraciones,
permitiendo el análisis didáctico que dichas consideraciones implican.
El desempeño informático del modelo presentó mayor relación con el ancho de banda disponible de
la red de acceso a Internet, antes que con el número de usuarios simultáneos del entorno, siendo
mejor su desempeño con una red tipo LAN. La exactitud de los cálculos fue muy satisfactoria, así
como la evaluación de su funcionalidad y amigabilidad.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Martín Vide, J. P. (2000). Ingeniería Fluvial. Escuela Colombiana de Ingeniería, Bogotá. 289 p.
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Oñate-Valdivieso, F. (2009) “Modelamiento semidistribuido, con información escasa, de una cuenca
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Ponce, V.M., (1989). Engineering Hydrology. Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ.
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