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ANÁLISIS HIDRÁULICO PARA EL
PROYECTO EJECUTIVO DE RECTIFICACIÓN Y ENCAUZAMIENTO DEL RÍO TURBIO
Tramo del Km 17+840 al Km 136+840
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ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………..3
2. DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA HEC-RAS…………………………….4
3. CONSTRUCCIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO ………………………..6
4. DETERMINACIÓN DEL GASTO MÍNIMO…………………………………9
5. DELIMITACIÓN DE LA ZONA FEDERAL PARA GASTOS CON
PERIODO DE RETORNO DE 5 AÑOS……….........................................9
6. COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DEL RIO TURBIO
EN CONDICIONES NATURALES PARA GASTOS
CON PERIODO DE RETORNO DE 50, 100, 500 Y 1000 AÑOS…….…10
7. PROPUESTAS PARA ENCAUZAMIENTO Y RECTIFICACIÓN
DEL RÍO…………………………………………………………………….….10
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………………………...11
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1. INTRODUCCIÓN
1.1. Antecedentes
La problemática de inundaciones por el desbordamiento del río Turbio se presenta año con año durante la época de lluvias. Las zonas más afectadas por orden importancia pertenecen a los municipios de Abasolo, Pénjamo, Cuerámaro y Manuel Doblado. Debido a la frecuencia y a la magnitud de las afectaciones, que se han agudizado en los últimos años, los representantes de los municipios antes mencionados se reunieron para buscar una solución y acordaron dar a contrato un proyecto ejecutivo para resolver el problema de las inundaciones. Cabe mencionar que las personas afectadas por las inundaciones llegan año tras año y casi nunca son indemnizadas por la CNA. Ocasionalmente, reciben una ayuda parcial en especie: despensas, ropa, etc.
1.2. Descripción del estudio
El modelo hidráulico forma parte de un proyecto ejecutivo total que busca dar solución a la problemática discutida en la sección precedente. Este modelo se complementa y/o requiere de los otros estudios que forman parte de este proyecto, tales como: - Estudio Topográfico - Estudio Hidrológico - Geotécnico Sirve además junto con los anteriores estudios para la propuesta del proyecto ejecutivo que define el procedimiento constructivo así costos de construcción.
1.3. Descripción del modelo hidráulico
El modelo hidráulico del río Turbio está construido con 2486 secciones levantadas topográficamente, distanciadas 50 m una de otra, para una longitud total del tramo del río de 124,333.8 m. NOTA: En el presente estudio se utiliza el cadenamiento efectivo obtenido en el levantamiento topográfico, esto es, el tramo que va desde el cadenamiento 0+000 en la confluencia con el río Lerma hasta el cadenamiento 24+333.81 aguas arriba. El modelo hidráulico también se compone de los 21 gastos de entrada en cada una de las subcuencas consideradas (cf. Estudio Hidrológico del Río Turbio) y para cada uno de los periodos de retorno analizados. Adicionalmente, se toma en cuenta una frontera de elevación en la confluencia con el río Lerma. Las fronteras de elevación fueron calculadas a partir de las profundidades normales
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utilizando los gastos de salida al río Lerma. En el modelo también se incluyen 16 puentes siguientes: Con el modelo hidráulico anterior se simuló el flujo del agua en régimen permanente para diferentes periodos de retorno además del gasto mínimo. Los resultados de la simulación para un gasto con periodo de retorno de 5 años se emplearon para delimitar la zona federal. La simulación de gastos con periodos de retorno de 50 a 1000 años permitió analizar el comportamiento del río y detectar los puntos problemáticos de derrame que son comentados en la sección 6. Con base en los resultados de las simulaciones se propusieron tres alternativas para encauzamiento y rectificación. Para analizar el comportamiento de las tres alternativas, se construyeron tres modelos hidráulicos, respectivamente. El diseño de las alternativas de encauzamiento y rectificación se basa en el gasto de diseño de 500 años sin bordo libre, sin embargo, también se calculan los perfiles del agua para los otros gastos de diseño (ver planos de perfiles). Los modelos hidráulicos son construidos con ayuda del programa comercial HEC-RAS® que permite modelar de forma matemática, y resolver numéricamente, los flujos de agua en ríos y sistemas de ríos incluyendo las estructuras.
2. DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA HEC-RAS
2.1 Generalidades
El programa de cómputo HEC-Ras es utilizado para la construcción de un modelo matemático del funcionamiento hidráulico del río Turbio. El programa HEC-RAS ha sido desarrollado por el Centro de Ingeniería Hidrológica del Cuerpo de Ingenieros de la armada estadounidense. Este programa permite la modelación hidráulica en un río o sistema de ríos, tanto en régimen permanente como en régimen no permanente. Adicionalmente, el programa permite tomar en cuenta obstrucciones en el cauce principal, tales como: puentes, alcantarillas, vertedores y compuertas; asimismo, se pueden modelar estructuras laterales tales como presas de almacenamiento conectadas directamente al cauce o a otros almacenamientos.
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2.2. Aspectos teóricos del programa HEC-RAS
2.2.3 Régimen permanente.
El componente de modelación hidráulica en régimen permanente calcula perfiles de agua para flujos gradualmente variados en un tramo de río o en un sistema de ríos para flujos subcríticos, supercríticos y combinados El procedimiento computacional básico reposa en la solución de la ecuación de energía para el caso unidimensional. Las pérdidas de energía son calculadas por fricción, de acuerdo a la ecuación de Manning, y por contracción y por expansión, utilizando coeficientes que afectan los cambios de la carga hidráulica de velocidad. La ecuación de momento se utiliza en situaciones donde el perfil de agua es rápidamente variado. La ecuación básica para los cálculos del perfil hidráulico es la ecuación de la energía. Los perfiles de agua son calculados de una sección a otra resolviendo la ecuación de energía mediante un proceso iterativo conocido como el “método del paso estándar”. Esta ecuación de energía se escribe como sigue:
ehg
VZY
g
VZY +++=++
22
2
1111
2
2222
donde: Y1 y Y2: profundidad del agua en las secciones 1 y 2. Z1 y Z2: elevación de la plantilla del canal principal
1 y 2: coeficientes de peso de la velocidad g: aceleración de la gravedad he: pérdida de carga hidráulica La pérdida de carga hidráulica he entre dos secciones está compuesta por las pérdidas de fricción, contracción y expansión. Esta pérdida se calcula como sigue:
g
V
g
VCSLh fe
22
2
11
2
22 −+=
Donde: L: longitud ponderada del tramo. Sf: pendiente de fricción representativa entre dos secciones. C: coeficiente de pérdidas de contracción o expansión. Más detalles sobre las ecuaciones utilizadas para resolver el perfil hidráulico en régimen permanente pueden encontrarse en el Manual Hidráulico de Referencia del HEC-RAS (Bruner, 2003).
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2.2.4 Régimen no permanente
El componente de modelación hidráulica en régimen no permanente permite la simulación unidimensional de flujos a través de sistemas completos de ríos. Este componente está desarrollado principalmente para cálculos en régimen subcrítico. La modelación en flujo no permanente aplica las siguientes 2 leyes físicas: 1) el principio de conservación de masa y 2) el principio de conservación de momentum. Estas dos leyes se expresan en forma de ecuaciones diferenciales:
01 =−
+
q
x
Q
t
AT (ecuación de continuidad)
donde: AT: área hidráulica total promedio entre dos secciones Q: gasto promedio que circula entre dos secciones t: tiempo x: distancia en la dirección del eje del río q1: gasto de entrada lateral por unidad de longitud.
0=
+
+
+
fT S
x
zAg
x
QV
t
Q (ecuación de momentum)
donde: V: velocidad promedio entre dos secciones Las ecuaciones anteriores son discretizadas en tiempo y espacio para poder resolverse numéricamente mediante un esquema implícito de diferencias finitas. Más detalles sobre la resolución de Q y A en las ecuaciones anteriores pueden encontrarse en el Manual Hidráulico de Referencia del HEC-RAS (Bruner, 2003).
3. CONSTRUCCIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO
3.1 INFORMACIÓN TOPOGRÁFICA
Las secciones transversales del río fueron obtenidas a partir de la información topográfica de campo y para ello se generó un modelo digital de terreno con el programa comercial ArcView®. Posteriormente, las secciones fueron procesadas por el programa HEC-geoRAS® y georreferenciadas para su exportación al formato del HEC-RAS.
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3.2 INFORMACIÓN GEOMÉTRICA DEL CAUCE
La información geométrica requerida por el programa HEC-RAS se basó en el archivo de HEC-GeoRAS, al que se añadieron detalles de los coeficientes rugosidad (n de Manning) de los cauces principales, así como correcciones menores a los cadenamientos puntos de las secciones transversales y longitudes entre las secciones.
3.3 INFORMACIÓN GEOMÉTRICA DE LOS PUENTES
Como parte de la definición de la geometría del modelo hidráulico se introdujo la información geométrica de 14 puentes y 2 diques que atraviesan el río Turbio: 1. P. Manuel Doblado 2. P. Maravillas 3. P El Charcón 4. P. Vado de Zapien 5. P. San Juan de la Puerta 6. P. El Paraíso 7. P. Cerrito de Agua Caliente 8. P. Presa de Uribe 9. P. La Carroza 10. P. El Tule 11. Dique Corralejo 12. P. Carretera federal 90 13. Dique San Gabriel 14. P. Concepción Ruiz 15. Puente El Salitre 16. P. Crucitas
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3.4 INFORMACIÓN HIDROLÓGICA
Los gastos de entrada utilizados en el modelo hidráulico fueron los siguientes:
GASTOS DE ENTRADA DE DISEÑO (m3/s)
CADENAMIENTO (m) PR=50 años PR=100 años PR=500 años PR=1000 años
124333.8 125.12 142.98 184.37 202.39
119500 118.19 217.46 289.30 321.50
115800 165.57 194.34 264.77 297.55
109650 143.43 168.69 229.15 256.85
106450 161.65 192.03 264.25 299.49
105850 241.54 289.38 408.49 462.86
101550 223.93 269.30 379.23 429.10
91800 213.48 255.61 363.33 413.79
90750 212.98 255.38 361.74 412.47
74850 209.52 254.40 361.20 414.32
69550 231.49 283.82 423.63 489.04
64100 310.78 394.14 610.65 727.26
59700 338.00 429.79 667.74 782.28
52350 334.57 428.25 671.80 790.19
41000 276.93 363.19 592.91 702.39
39050 284.04 366.93 593.34 703.43
30050 282.70 364.40 588.14 694.50
22100 293.30 371.18 582.47 683.48
17700 291.14 367.72 574.56 673.79
14200 290.89 367.59 574.89 673.65
10900 290.38 366.64 573.94 671.61
3.5 FRONTERAS DEL MODELO
Se consideró el funcionamiento hidráulico del río en régimen subcrítico y por tanto se dieron gastos de entrada en la frontera aguas arriba (sección 124+333.8) y niveles en la frontera aguas abajo en la confluencia con el Lerma. Las fronteras de nivel fueron calculadas aumentando el tirante normal en 20% tomando el gasto correspondiente y una pendiente hidráulica igual a la pendiente promedio del último tramo de cauce, Sf=0.0032.
3.6 ÁREAS DE INUNDACIÓN
No se cuenta con información topográfica de las llanuras de inundación. Los levantamientos topográficos solamente abarcan 50 m a cada margen del río, para obtener secciones transversales de 100 m. De acuerdo a los resultados de las simulaciones que se presentan en las secciones subsiguientes las secciones transversales de 100 m no son suficientes
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para definir áreas de almacenamiento lateral y/o áreas de transporte paralelo al cauce central.
4. DETERMINACIÓN DEL GASTO MÁXIMO SIN DESBORDAMIENTO
Con ayuda del modelo hidráulico se determina el gasto mínimo permanente que puede circular en el río y que se estima entre 4 y 6 m3/s . El gasto máximo sin desbordamiento en el cauce para condiciones naturales es difícil de estimar con precisión pues algunas de las secciones del río son prácticamente horizontales. Según se observó en el terreno y por información de los lugareños, en estos sitios el cauce ha desaparecido prácticamente debido a las actividades agrícolas que se extienden hasta dentro del cauce original o porque se han creado pasos para el cruce de caminantes. Las simulaciones para un gasto de 5 m3/s se incluyen como parte del presente estudio en archivos para HEC-RAS.
5. DELIMITACIÓN DE LA ZONA FEDERAL PARA GASTOS CON PERIODO DE RETORNO DE 5 AÑOS……
La delimitación de la zona federal se ha hecho con ayuda del modelo hidráulico con base en los resultados de la simulación para un gasto con un periodo de retorno de 5 años. La zona federal se define según el reglamento de la Ley de Aguas Nacionales, artículo 4, párrafo I, según los siguientes criterios por orden de jerarquía: 1. El agua no desborda el cauce natural. En este caso la zona federal es la zona de 10 m medida hacia la izquierda a partir del límite del espejo de agua en la margen izquierda y la zona de 10 m medida hacia la derecha a partir del límite del espejo de agua en la margen derecha. 2. El agua desborda el cauce natural. En este caso la zona federal inicia a partir de los puntos más altos de cada margen y se extiende 10 m a partir de dichos puntos. La delimitación de la zona federal se presenta en los planos anexos en formato impreso y digital (CD).
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6. COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DEL RIO TURBIO EN CONDICIONES NATURALES PARA GASTOS CON PERIODO DE RETORNO DE 50, 100, 500 Y 1000 AÑOS
6.1 Gastos con periodo de retorno de 50 años
La avenida de 50 años de periodo de retorno desborda en todas las secciones a lo largo del río Turbio a excepción de algunas secciones ´como se puede ver en la información digital que acompaña este documento.
6.2 Gastos con periodo de retorno de 100 años
La avenida de 100 años de periodo de retorno desborda en todas las secciones a lo largo del río Turbio a excepción de algunas secciones ´como se puede ver en la información digital que acompaña este documento.
6.3 Gastos con periodo de retorno de 500 años
La avenida de 500 años de periodo de retorno desborda en todas las secciones a lo largo del río Turbio.
6.4 Gastos con periodo de retorno de 1000 años
La avenida de 1000 años de periodo de retorno desborda en todas las secciones a lo largo del río Turbio
7. PROPUESTAS PARA ENCAUZAMIENTO Y RECTIFICACIÓN DEL RÍO
Para la determinación de las alternativas de solución se construyeron modelos del río para tres secciones trapeciales diferentes. En todos ellos se analizaron avenidas de diseño con periodo de retorno de 100 y 500 años. Por recomendaciones de representantes de la CONAGUA se tomó en cuenta el perfil del agua de 100 años, al que se agrega un bordo libre; en el caso del gasto de 500 años se considera el perfil de diseño sin bordo libre.
7.1 Alternativa de solución No. 1
En esta alternativa solución se propone una sección trapecial con plantilla de 30 m con taludes a 30 grados con respecto a la horizontal, de altura variable según la altura que convenga para contener el agua en los diferentes puntos a lo largo
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del río. Los taludes se han propuesto con base en los resultados generales de los estudios de geotecnia a lo largo del cauce. En esta alternativa se determinaron 21 alturas de bordo, de acuerdo al número de subcuencas de aportación, por considerar que al inicio de cada subcuenca se recibe un gasto de entrada que influye directamente en el tirante de agua. Las diferentes alturas del cauce rectificado, incluyendo los bordos se presenta en el plano correspondiente que acompaña este estudio.
7.2 Alternativa de solución No. 2
En esta alternativa solución se propone una sección trapecial con plantilla de 35 m con taludes a 30 grados con respecto a la horizontal, de altura variable según la altura que convenga para contener el agua en los diferentes puntos a lo largo del río. En esta alternativa se determinaron 21 alturas de bordo, de acuerdo al número de subcuencas de aportación, por considerar que al inicio de cada subcuenca se recibe un gasto de entrada que influye directamente en el tirante de agua. Las diferentes alturas del cauce rectificado, incluyendo los bordos se presenta en el plano correspondiente que acompaña este estudio.
7.3 Alternativa de solución No. 3
En esta alternativa solución se propone una sección trapecial con plantilla de 40 m con taludes a 30 grados con respecto a la horizontal, de altura variable según la altura que convenga para contener el agua en los diferentes puntos a lo largo del río. En esta alternativa se determinaron 21 alturas de bordo, de acuerdo al número de subcuencas de aportación, por considerar que al inicio de cada subcuenca se recibe un gasto de entrada que influye directamente en el tirante de agua. Las diferentes alturas del cauce rectificado, incluyendo los bordos se presenta en el plano correspondiente que acompaña este estudio.
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
8.1 CONCLUSIONES
El cauce del río Turbio presenta cierto grado deterioro en algunos sitios debido a las actividades agrícolas y por el paso de caminantes. Ello ha ocasionado que la capacidad natural de transporte se haya reducido considerablemente. Por esta razón el gasto máximo que puede transportarse sin desbordamiento es del orden de 5 m3/s.
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Las secciones transversales con 50 m a cada margen del centro del río resultan insuficientes para el análisis completo de la extensión de las avenidas de diseño a partir de 50 años. Pudo observarse que casi en todas las secciones transversales el agua se eleva por encima de las márgenes para gastos con periodos de retorno de 100, 500 y 1000 años. Las tres propuestas de solución consideran una extensión transversal del cauce de 20 m como máximo, a cada margen a partir del eje del cauce (definido en la parte central por el punto topográfico más bajo de la sección). Los taludes se han tomado con una inclinación de 30 grados en base a la geotecnia. La rectificación que se propone es solamente transversal, conservando el perfil topográfico original en el eje longitudinal. Las alturas de los bordos son variables y dependen del tirante obtenido a partir de los diferentes gastos que aportan las 21 cuencas del tramo en estudio. Para el diseño de las alternativas se considera un gasto de diseño de 500 años por arrojar los valores menores de tirante y haciendo más viable el proyecto desde el punto de vista económico. Se analizaron tres secciones trapeciales con plantillas de 30, 35 y 40 m. Sin embargo, la propuesta de plantilla b=40 m presenta mayor capacidad de transporte por lo que existe menos riesgo de desbordamientos aunado al hecho de que también presenta menores costos constructivos.
8.2 RECOMENDACIONES
- Para que las soluciones de encauzamiento y rectificación aquí propuestas tenga éxito es necesario que la construcción se apegue a las especificaciones indicadas en el proyecto ejecutivo que plasma los resultados de la modelación hidráulica. - Se recomienda la elaboración de un modelo digital más extendido. Esto permitiría llevar a cabo un mejor análisis de las zonas de desbordamiento y de las llanuras de inundación. Tal modelo tendría como base los datos de levantamientos topográficos en sitio, u obtenidos por medio de ortofotos. - Es deseable tomar en cuenta las llanuras de inundación en el modelo hidráulico para un análisis más detallado de las alternativas de solución, tanto para aliviar los cauces permitiendo la salida de agua hacia zonas no problemáticas, como para la elaboración de un mejor diseño hidráulico de obras complementarias a los bordos de encauzamiento total. - Un modelo hidráulico con llanuras de inundación también es recomendable para buscar soluciones más económicas.
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Mapa de la Cuenca del Tramo en Estudio y Red de Cauces
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Mapa de la Cuenca del Tramo en Estudio y Red de Cauces
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Mapa de Isoyetas con 24 Horas de Duración y Tr = 100 años
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Mapa de Subcuencas y Red de Cauces