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AMH XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA

ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012 AMH

Introducción

El estado de Tabasco, México sufre constantemente el embate de inundaciones (Rivera et al, 2010). Recientemente se ha desarrollado el Proyecto Hídrico Integral de Tabasco (PHTI, Fuentes et al, 2009), con la finalidad de proteger a la ciudad de Villahermosa, capital del Estado con más de 800,000 habitantes. Se construyen una serie de bordos y obras de defensa y control que ayudarán a disminuir la vulnerabilidad del los habitantes. Dentro de esta zona protegida, se encuentran predios rurales que pueden ser usados con fines de desarrollo urbano, sin embargo, estos deben someterse a estudios ambientales y de manejo de los escurrimientos para no alterar las condiciones del PHIT. En este trabajo se muestra el análisis efectuado a un predio rural con potencial a desarrollarse urbanamente y se hace una propuesta que respeta el entorno fisiográfico caracterizado por zonas bajas y lagunas. Se simularon numéricamente 6 casos, donde se demuestra que con los estudios hidrodinámicos apropiados y el respeto a las condiciones naturales de los escurrimientos, se pueden desarrollar zonas urbanas que hasta hace poco no eran consideradas aptas para el mismo.

Localización

El estudio se realizó en el Municipio de Centro, en el Estado de Tabasco, México (Figura 1), que pertenece a la Región Hidrológica Administrativa número XI (Frontera Sur) y Región Hidrológica No. 30 B, Bajo Grijalva (Figura 2). Datos oficiales de la Comisión Nacional del Agua reportan para el Estado una extensión de 103, 480 km2, sobre la cual se presenta una precipitación media anual (1941 – 2005) de 2405 mm, lo que genera un escurrimiento superficial natural medio del orden de 130,000 Mm3.

Delimitación de la zona de estudio

La región hidrológica No.30 B corresponde a la subcuenca del río Viejo Mezcalapa (Figura 2). Se tiene como corriente principal la del río Viejo Mezcalapa, que en su margen izquierda tiene construido un bordo de protección con una rasante a la cota 8.20 msnm, misma que está diseñada para impedir su desbordamiento hacia la zona de estudio.

Figura 1-Localización de estado de Tabasco, México.

Figura 2. Delimitación de la zona de estudio. (Fuente INEGI,

2010)

Esta característica hace que el estudio hidrológico se centre en estimar los escurrimientos causados por precipitación en la zona de estudio y la revisión del nivel de aguas máximo extraordinario (NAME) presente en la inundación pluvial de 2010 que ha sido la más intensa, así como su relación con la urbanización del predio de estudio, la cual se dividió en tres regiones que se muestran en la Figura 3.

EVALUACIÓN URBANO – AMBIENTAL DE ESCURRIMIENTOS SUPERFICIALES EN

UNA ZONA PROTEGIDA, EN TABASCO, MÉXICO

Rivera Trejo Fabián1

Barajas Fernández Juan1

Álvarez Ramírez Juan G.1

Soto Cortes Gabriel2 (1) DAIA, Universidad Juárez Autónoma de Tabasco, Cunduacán Jalpa de Méndez, Col. La Esmeralda, C.P.

86690, Cunduacán, Tabasco, México. [email protected]

(2) Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco, Av. San Pablo 180, Azcapotzalco 02200, México, D.F.



Figura 3. Delimitación de regiones de estudio. (Fuente CFE, 2000)

Metodología

Empleando mapas satelitales, ortofotos escala 1:10,000, cartografía estatal de distintas fuentes (INEGI 2008a y b) y visitas de campo a la zona se desarrolló, empleando el software Surfer 8.0 (Golden, 2002), el modelo digital de elevación del terreno (Figura 4). A partir de los registros diarios de precipitación máxima de 1948 a 2010 (CONAGUA, 2010), se hizo el análisis estadístico y con apoyo del programa “Ax” (Jiménez, 1997) se obtuvieron las intensidades de precipitación, asociadas a distintos periodos de retorno y duraciones de precipitación máxima diaria. Con las características fisiográficas obtenidas del modelo digital de elevaciones y las isoyetas para distintas duraciones de precipitación en minutos (SCT, 2000), se estimó con el método racional (Aparicio, 1989; Breña, 2003) el gasto pico que se puede presentar en la zona de estudio para periodo de retorno (Tr) de 100 años. A partir de levantamientos de campo y nivelación diferencial, se obtuvo el Nivel de Aguas Máximas Extraordinario (NAME) asociados al evento de 2010. Este nivel se considera como el NAME de diseño dado que las condiciones fisiográficas del evento de 2007 se modificaron. Con los datos hidrológicos y las cotas establecidas para el terreno se realizó la hidrodinámica empleando el modelo numérico GUAD (Inclam, 2009) para los escenarios en condiciones naturales y condiciones modificadas mostrados en la Tabla 1.

Malla de cálculo

Para el análisis numérico se generó una malla de 742 x 568 celdas, con un dominio de cálculo de 421,456.0 celdas. En la figuras 5 se muestra la malla.

Condiciones iniciales y de frontera

Las condiciones iniciales se asociaron a los distintos periodos de retorno de los distintos escurrimientos. Los periodos analizados fueron: 10, 20, 50, 100 años. La cantidad de agua infiltrada, la cantidad de agua retenida en pozas y la cantidad de agua evaporada, son parámetros que están en función del tipo de suelo y su caracterización se realizó con base en valores estándar, reportados en la literatura (Chow et al, 1994).

Tabla 1. Escenarios simulados

Figura 4. Modelo Digital del Elevaciones

Figura 5. Detalle de la malla de cálculo

A = 3662211.02 m2

Per. = 8066.66 m

A = 1272246.07 m2

Per. = 4717.44 m

A = 1334329.03 m2

Per. = 5066.26 m

RIO

VI

EJO

M

EZCAL

APA

T . C. F. E.

T. C .F .E.

T. C. F.E .

P.V . 57

P. V. 56

P .V. 55

P.V . 54

P. V. 79

P .V. 63

P. V. 102

P .V. 103

P.V. 104

P. V. 105

P .V. 106

P.V . 121

P. V. 58

P. V. 122

P.V. 123

P.V . 144

P. V. 145

CASC O DEL

RAN CHO

RIO VI EJO

MEZCALA

PA

L INE A

E LECT

RICA

CAR CAM O

D R

E N

L U

I S P R I E G O

P R

I E G

O

A R C

A

D I O

L

E

O

N E S T R A D

A

L U

I S L E O N

Evento Región I Región II Región III Observación

Lluvia con Tr de 100 años y duración de 1 días (Cond. Naturales)

1.27 m³/s 0.94 m³/s 3.43 m³/s La región 3 se dividió en dos hidrogramas de ingreso. Cota Inicial 4.5 msnm

Lluvia con Tr de 100 años y duración de 1 días (Cond. Modificadas)

1.27 m³/s Se consideró

0.94 – 0.51=

0.43m³/s

3.43 m³/s La región 3 se dividió en dos hidrogramas de ingreso. Cota Inicial 4.5 msnm

Hidrogramas (2 días) suficientemente grandes para evaluar la hidrodinámica (Con. Naturales)

12.7 m³/s 9.4m³/s 34.3 m³/s La región 3 se dividió en dos hidrogramas de ingreso

Hidrogramas (2 días) suficientemente grandes para evaluar la hidrodinámica (Con. Modificadas)

12.7 m³/s 4.3 m³/s 34.3 m³/s La región 3 se dividió en dos hidrogramas de ingreso

Lluvia con Tr de 100 años y duración de 3 días (Cond. Naturales)

0.67 m³/s 0.5 m³/s 1.81 m³/s La región 3 se dividió en dos hidrogramas de ingreso. Cota Inicial 5 msnm

Lluvia con Tr de 100 años y duración de 3 días (Cond. Modificadas)

0.67 m³/s Se consideró

0.5 – 0.27 =

0.23 m³/s

1.81 m³/s La región 3 se dividió en dos hidrogramas de ingreso. Cota Inicial 5 msnm



Los escurrimientos asociados a eventos pluviales uniformes, se calcularon con las hipótesis siguientes:

i. En toda la cuenca de estudio llueve simultáneamente con la misma intensidad

ii. El tiempo de concentración del escurrimiento superficial al punto más bajo de la cuenca, depende de las características de la misma

Condiciones de entrada

Las condiciones de entrada que simulan los escurrimientos productos de la precipitación, fueron estimadas a partir del análisis hidrológico. En la simulación numérica y dada las condiciones de la cuenca, las entradas se dividieron en cuatro: Región I, Región II y Región III-A y Región III-B. La región III, por su tamaño se dividió en dos subregiones. La ubicación de las entradas se muestra en la figura siguiente.

Figura 6. Entradas de los escurrimientos

Condiciones de Salida

De la misma manera en que se ingresaron las condiciones de entrada al modelo, se le deben indicar cuáles son las salidas y sus direcciones de flujo. Aunque, en este caso el modelo al ser bidimensional tiene la capacidad de determinar las salidas en función de las condiciones de frontera y la topografía que se le haya ingresado. En el caso particular del presente estudio se estableció como condición de frontera el muro construido como producto de la inundación de 2007 y que es una barrera física a la cuenca cuya cota esta a los 8.20 msnm, por lo tanto el agua que escurre por la cuenca solamente sale por los drenes construidos. En este caso solo existe un dren denominado Dren I, que cumple con esta condición en la parte más baja, por lo que se indica su localización (Figura 7). Además, se agregó la estructura de control tipo alcantarilla que se encuentra en el Dren I y que es la que regula la salida del agua en toda la zona (Figura 8).

Resultados

A continuación se muestra el resultado de la modelación hidráulica en condiciones naturales.

Figura 7. Salida de los escurrimientos

Figura 8. Alcantarillas a la salida del dren

Caso 1a. Condiciones naturales

Se inició el estudio para la zona en condiciones naturales, una lluvia con periodo de retorno de 100 años, tres días de duración y el suelo seco. En la tabla 2 se muestran los gastos que alimentaron al modelo.

Tabla 2. Caso 1

Región I Región II Región III-A Región III-B

1.27 m³/s 0.94 m³/s 2.00 m³/s 1.43 m³/s

En las siguientes figuras 9-12 se muestran los escurrimientos simulados para un periodo de tres días.

Caso 1b. Condiciones modificadas

Se repitió el caso 1, pero en condiciones modificadas (elevación del terreno a la cota 8.20 msnm), una lluvia con periodo de retorno de 100 años, lluvia con tres días de duración y el suelo seco. Los gastos que alimentaron al modelo fueron los mismos que en el caso anterior (Figuras 13-16)..



Figura 9. Simulación de escurrimientos (18h)




Figura 13. Simulación de escurrimientos modificada (18h)






Comparaciones entre casos 1a y 1b

En las figuras siguientes se muestran, en las distintas regiones, los niveles de la superficie libre del agua en condiciones naturales (CN) y condiciones modificadas (CM), para una lluvia de tres días de duración y 100 años periodo de retorno.

Figura 17. Niveles de la superficie libre del agua (CN) Región I

Figura 18. Niveles de la superficie libre del agua (CM) Región I

Figura 19. Niveles de la superficie libre del agua (CM) Región II

Figura 20. Niveles de la superficie libre del agua (CM) Región II



Figura 21. Niveles de la superficie libre del agua (CN) Región III

Figura 22. Niveles de la superficie libre del agua (CM) Región III

A partir de los niveles en los distintos escenarios, se determinó la dirección de los escurrimientos, tal y como se muestra en la figura siguiente.

Figura 23.- Dirección de los escurrimientos

Observaciones a las simulaciones

Se simularon a partir de los análisis hidrológicos los campos de velocidad y niveles para distintos escenarios propuestos y se evaluaron los cambios esperados al modificar las condiciones actuales del predio. Se estimaron las lluvias asociadas a periodos de retorno de 10, 20, 50 y 100 años y los escurrimientos asociados a las lluvias para los periodos de retorno definidos y duraciones de 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8 días continuos de lluvia. Se simuló un tren de lluvias para representar el evento del NAME de 2010, encontrando que el mismo es equivalente a lluvias con tres días de duración y un periodo de retorno de 100 años, para un nivel del agua de 6.5 msnm, donde cada evento de lluvia equivale en promedio a 0.25m de lámina de precipitación efectiva. Se simularon 7 casos de lluvias extraordinarias y se compararon sus efectos para las condiciones actuales y las modificadas, encontrando que en las inmediaciones del terreno modificado, se tiene como consecuencia de un evento de lluvia de 100 años periodo de retorno y duración de 3 días, un aumento del nivel del agua en la región izquierda (Región I) de aproximadamente 0.20 m, mientras que en la región derecha (Región III), prácticamente no sufre alteraciones por la modificación del terreno, incluso puede ser beneficiada, pues el volumen de agua que tiene que ser desalojado será menor. Una condición de 0.20 m de elevación debido a la modificación de la Región II, aunque puede parecer poco significativa en cuanto al nivel, se debe tener en cuenta que el agua acumulada no tendrá desalojó pues el Dren I, es el único que ayuda a descargar las aguas hasta un cierto nivel.

Propuesta de Urbanización

Se propone emplear una zona baja natural que existe en la parte media del terreno, para crear una zona de regulación que permita hacer un adecuado manejo de los excedentes de lluvia que puedan generarse por un evento hidrometeorológico extremo, a través de un nuevo dren que trabaje de manera paralela al dren I, pero que solamente desaloje las aguas de la región II, y un dren para la región I. Con esta combinación se reducirán los tiempos de vaciado de la zona total (figura 24).

Conclusiones

Durante el evento de 2010, se tuvieron registros de niveles de agua significativos, solamente rebasados por el evento de 2007, pero que tuvieron su causa en precipitaciones en la zona. Por lo tanto este nivel se tomó como nivel de referencia y se dejaron 0.5m de bordo libre estableciendo el nivel de seguridad en la zona en 7.25 msnm. Así se propuso aprovechar una zona baja dentro del predio y crear una zona de regulación que permita mejorar el manejo de los escurrimientos, con tal fin, se diseño junto con la zona de regulación un canal de derivación que permite desalojar el volumen almacenado en la zona de regulación.



Figura 24.- Propuesta de urbanización

Referencias

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de 2005. PROCESAMIENTO: Rectificación de fotografías aéreas, con auxilio, de puntos de control geodésico y Modelo Digital de Elevación., PROYECCION: Universal Transversa de Mercator (UTM), DATUM: ITRF92, ELIPSOIDE: GRS 80

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