Condición de aguas abajo en HEC-RAS: guía completa para régimen subcrítico y supercrítico

Una de las preguntas más frecuentes entre ingenieros que usan HEC-RAS por primera vez —o que llevan tiempo usándolo pero encuentran resultados inconsistentes— es: ¿qué condición de aguas abajo debo usar en mi modelo? La elección correcta de la condición de borde aguas abajo es crítica para que los resultados del perfil hidráulico sean realistas. Una condición mal seleccionada puede sobrestimar o subestimar significativamente los tirantes hidráulicos en todo el tramo modelado, afectando directamente los mapas de inundación y el diseño de obras hidráulicas.

¿Qué es una condición de borde en HEC-RAS?

En hidráulica de canales a superficie libre, el flujo de agua en un cauce es un problema gobernado por una ecuación diferencial que necesita condiciones de borde para poder resolverse. Sin ellas, el sistema de ecuaciones tiene infinitas soluciones. HEC-RAS resuelve las ecuaciones de Saint-Venant (régimen no permanente) o la ecuación de energía (régimen permanente) integrando el cálculo desde las secciones transversales donde se conoce el estado del flujo hacia las secciones donde se desconoce.

La condición de borde aguas abajo le dice al modelo cuál es el tirante hidráulico (profundidad del agua) en la sección más baja del tramo modelado. A partir de ese dato conocido, HEC-RAS calcula el perfil hacia arriba (en flujo subcrítico) o hacia abajo (en flujo supercrítico).

Régimen subcrítico vs supercrítico: ¿cuál tiene su cauce?

El régimen de flujo determina en qué dirección se propagan las perturbaciones hidráulicas y, por tanto, dónde se necesitan condiciones de borde:

• Régimen subcrítico (Fr < 1, lento): Las perturbaciones aguas abajo se propagan hacia arriba. Por eso, la condición de borde necesaria está aguas abajo. El cálculo va de abajo hacia arriba. Es el régimen más común en ríos de planicie y cauces urbanos con pendiente suave (<0.5%). También aplica a ríos de montaña en tramos de baja pendiente o en zonas de remanso (aguas arriba de una presa, confluencia o cambio de sección).
• Régimen supercrítico (Fr > 1, rápido): Las perturbaciones no pueden propagarse hacia arriba. La condición de borde necesaria está aguas arriba. El cálculo va de arriba hacia abajo. Es el régimen de torrentes de montaña en tramos de alta pendiente (>2–3%).
• Régimen mixto (crítico o con transiciones): El flujo cambia de subcrítico a supercrítico (en un punto de control: cambio de pendiente, resalto hidráulico) o viceversa (en un resalto hidráulico). HEC-RAS puede manejar flujo mixto, pero el modelo necesita condiciones de borde en ambos extremos y el usuario debe interpretar cuidadosamente los resultados en los puntos de transición.

Para saber el régimen de su cauce, calcule el número de Froude en la sección de interés: Fr = V / √(g × y), donde V es la velocidad media, g es la aceleración gravitacional (9.81 m/s²) y y es el tirante hidráulico. Si Fr < 1: subcrítico. Si Fr > 1: supercrítico.

Opciones de condición de borde aguas abajo en HEC-RAS

1. Profundidad normal (Normal Depth)

Es la opción más usada y la más apropiada cuando el tramo modelado termina en un cauce con pendiente uniforme, lejos de cualquier estructura o confluencia que genere remanso. HEC-RAS necesita que el usuario ingrese la pendiente de la línea de energía (que en flujo uniforme es igual a la pendiente del fondo del cauce). El programa calcula la profundidad normal con la ecuación de Manning.

Cuándo usarla: El tramo termina en un río con pendiente relativamente uniforme, sin estructuras aguas abajo que puedan elevar el nivel. Es la opción "por defecto" más robusta para ríos de Colombia cuando el extremo del modelo está suficientemente lejos del área de interés.

Error frecuente: Usar la pendiente media del cauce completo en lugar de la pendiente local en la sección aguas abajo. En ríos con cambios de pendiente, esto puede generar tirantes iniciales incorrectos que afectan el perfil en varios kilómetros hacia arriba.

2. Profundidad crítica (Critical Depth)

HEC-RAS calcula automáticamente la profundidad crítica en la sección aguas abajo (la profundidad para la que el número de Froude es exactamente 1). Es útil cuando el modelo termina en un salto o caída libre — el borde de una cascada, la cresta de un vertedero, la salida de un canal hacia un río mucho más grande — donde el flujo supera el estado crítico.

Cuándo usarla: El tramo termina en un punto de control real (salto, caída), o cuando no se tiene información del nivel aguas abajo y se quiere una condición conservadora (la profundidad crítica suele ser la mínima posible para flujo subcrítico).

Precaución: No use profundidad crítica en cauces con régimen claramente subcrítico donde hay remanso. El resultado será un perfil de tirantes subestimado con inundaciones menores a las reales.

3. Elevación de la lámina de agua conocida (Known Water Surface)

Se ingresa directamente la cota de la lámina de agua en la sección aguas abajo, medida en campo (aforo con instrumento de nivel) o obtenida de un modelo de mayor escala. Es la condición más precisa cuando se tiene el dato.

Cuándo usarla: El tramo desemboca en un embalse con nivel conocido, o en un río principal del que se tiene un registro de niveles calibrado. También se usa en HEC-RAS para modelar el efecto de remanso de una presa aguas abajo del tramo.

Aplicación en Colombia: Para ríos que desembocan en el río Magdalena, Cauca o en embalses regulados (Betania, Miel I, Salvajina), la cota de la lámina del cuerpo receptor puede obtenerse del operador de la regulación o del modelo hídrico del IDEAM.

4. Curva de gasto o relación caudal-tirante (Rating Curve)

Se ingresa una tabla de pares (Q, y) — caudal vs. tirante — medida en la sección aguas abajo. HEC-RAS interpola en la tabla para obtener el tirante correspondiente al caudal de cada perfil de cálculo. Es la condición más representativa de la realidad cuando se dispone de una curva de aforo calibrada para la estación hidrométrica más cercana al límite del modelo.

Cuándo usarla: Hay una estación hidrométrica del IDEAM cerca del extremo aguas abajo del modelo, con curva de aforo publicada. También se puede construir una curva de gasto sintética usando Manning para la sección transversal del río en el extremo del modelo.

Condiciones de borde en HEC-RAS régimen no permanente (Unsteady Flow)

En el módulo de flujo no permanente (Unsteady Flow Analysis), las condiciones de borde cambian de naturaleza: en lugar de definir un tirante o una pendiente, se definen series de tiempo. Las opciones más usadas son:

• Hidrograma de caudal aguas arriba: Serie de tiempo Q(t) en la sección aguas arriba. Es la condición de entrada principal de la creciente.
• Hidrograma de nivel aguas abajo: Serie de tiempo h(t) en la sección aguas abajo. Útil cuando el cauce desemboca en un estuario con mareas o en un embalse con nivel variable.
• Curva de gasto (Rating Curve): También válida para no permanente cuando el nivel aguas abajo depende del caudal en tiempo real.
• Pendiente normal: Válida también para no permanente como condición de salida en tramos que se extienden suficientemente hacia el cauce receptor.

En Colombia, para estudios de amenaza por inundación (Decreto 1807), lo más frecuente es usar el módulo de no permanente con hidrograma aguas arriba (calculado con HEC-HMS) y pendiente normal o curva de gasto aguas abajo.

¿Qué pasa si la condición de borde aguas abajo es incorrecta?

El efecto de una condición de borde incorrecta se "propaga" hacia arriba a lo largo de varios kilómetros del modelo. Si la condición aguas abajo es demasiado alta (sobreestima el tirante), el perfil completo se levantará artificialmente, generando manchas de inundación mayores a las reales. Si es demasiado baja (subestima el tirante), el perfil será más bajo de lo real y la inundación parecerá menor. Por esta razón, se recomienda que el extremo aguas abajo del modelo esté suficientemente lejos del área de interés (al menos 3–5 veces el tirante normal del cauce), para que el error de la condición de borde se amortigüe antes de llegar a la zona de análisis.

Ejemplo práctico: condición aguas abajo para un tramo urbano en Manizales

Suponga que se modela un tramo de 2 km de la quebrada El Guamo en Manizales para un estudio de amenaza por inundación según el Decreto 1807. El tramo termina en la confluencia con el río Chinchiná. ¿Cuál es la condición de borde aguas abajo correcta?

Opciones analizadas: (1) Profundidad normal: la pendiente media del río Chinchiná en ese punto es 0.6%; se calcula la profundidad normal usando Manning con la sección del Chinchiná. Válida si el Chinchiná no genera remanso significativo sobre la quebrada. (2) Rating curve del Chinchiná: si el IDEAM tiene una estación en el Chinchiná cercana a la confluencia, se puede usar su curva de gasto. (3) Known Water Surface: si el modelo del Chinchiná (realizado aparte) entrega el nivel en la confluencia para cada Tr, se puede usar ese valor.

En este caso, BIC usaría la profundidad normal calibrada con datos del IDEAM y verificaría que el nivel en la confluencia es coherente con los niveles históricos de creciente registrados. Si existe un modelo del Chinchiná disponible, se usaría como condición de borde conocida para mayor precisión.

Preguntas frecuentes sobre condición de borde en HEC-RAS

¿Puedo usar profundidad normal en todos los modelos?

Para la mayoría de modelos de ríos colombianos en régimen subcrítico, sí. Siempre que el extremo del modelo esté suficientemente alejado del área de interés y la pendiente del cauce sea razonablemente uniforme en esa zona. No es adecuada si el tramo termina justo aguas arriba de una confluencia importante, un embalse o una estructura de control.

¿Qué pendiente uso para la profundidad normal?

Use la pendiente de la línea de energía en la sección de salida, que en flujo uniforme equivale a la pendiente del fondo del cauce. Calcúlela midiendo la diferencia de cotas del fondo entre dos secciones transversales en la zona de salida, dividida por la distancia entre ellas. No use la pendiente media de toda la cuenca o del tramo completo.

¿Por qué HEC-RAS da el aviso "Critical Depth used at downstream"?

Este mensaje aparece cuando HEC-RAS no logra converger con la condición de borde especificada y cae a profundidad crítica como solución de respaldo. Generalmente indica que la condición de borde es inconsistente con el régimen de flujo calculado (por ejemplo, se especificó profundidad normal para flujo subcrítico pero el flujo calculado en esa sección es supercrítico). Revise la pendiente del cauce y el tipo de régimen antes de proceder.

¿Qué condición de borde usar en flujo mixto?

En flujo mixto, HEC-RAS necesita condiciones en ambos extremos. Use "Mixed Flow Regime" en la configuración del plan y defina tanto la condición aguas arriba (para la porción supercrítica) como la aguas abajo (para la porción subcrítica). HEC-RAS identifica el punto de control (profundidad crítica) y calcula el perfil desde ambos extremos hacia el centro.