José Antonio Salinas Andújar |
Dr. Ingeniero Agrónomo. Area de Proyectos de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Rural Universidad de Almería. |
La hidrología trata de la existencia del agua sobre la tierra, de su distribución, de sus propiedades físicas y químicas y su influencia sobre el medio ambiente, incluyendo su relación con los seres vivos (Linsley y col., 1992).
La ingeniería hidrológica incluye los aspectos que atañen al diseño y operación de proyectos de ingeniería para el control y uso del agua, y de ahí su estrecha relación con actuaciones en el campo de la agronomía y la silvicultura, la ingeniería civil, la meteorología, la geología etc. En síntesis, la hidrología está referida al agua atmosférica, al agua subsuperficial, al agua superficial y a los procesos que transforman la precipitación en escorrentía.
La multidisciplinariedad de todo lo relacionado con el agua se deriva de la pluralidad de enfoques con que se puede considerar, teniendo en cuenta siempre como denominador común en cualquier enfoque su importancia como recurso primordial y escaso en nuestro país con una relevancia especial en el sureste de España. Estas perspectivas son muy diversas pero a grandes rasgos se pueden resumir en los puntos de vista siguientes:
Se observa la interrelación de los diversos aspectos apuntados lo que plantea que cualquier enfoque en el tratamiento del agua debe ser un tratamiento integrado.
En la provincia de Almería la hidrología debe y puede aplicarse para conseguir que la riqueza (agronómica, turística, minera etc) generada después de mucho esfuerzo, encuentre directrices adecuadas que ayuden a su desarrollo sostenible.
El conocimiento de los recursos hídricos existentes y potenciales es fundamental para una planificación hidrológica adecuada pero también lo es el conocimiento de los procesos hidrológicos de origen natural (erosión hídrica y eólica p.e.) ó causados por el hombre (obras hidraulicas, usos del suelo y actuaciones derivadas p.e.), para conseguir una optimización de esa planificación, es decir para poder realizar una adecuada, racional y ecocompatible ordenación y uso del territorio respetando ó mejorando la singularidad del carácter paisajístico en su conjunto.
La I + D en Hidrología Aplicada
La hidrología abre un marco de I + D impresionante en cada aspecto del ciclo hidrológico pero en este documento sólo se hace hincapié en los aspectos específicos que puedan aumentar el conocimiento sobre:
Evaluación de los recursos hidraulicos debidos a escorrentía superficial y subsuperficial producidas por episodios de lluvia torrencial (p.e. simular la escorrentía y prever el aprovechamiento de las avenidas en los cursos principales de agua de la provincia: Andarax, Almanzora, Adra, y sus correspondientes redes de drenaje).
Las líneas apuntadas están desgraciadamente muy de actualidad: inundaciones catastróficas en zonas torrenciales, ubicación inadecuadas de obras hidraulicas, escasez de agua y distribución inadecuada, etc.
Como en cualquier investigación es preciso disponer de datos, analizarlos con métodos adecuados y resolver los problemas hidrológicos planteados a partir de los mismos. En esa línea y dada la insuficiencia actual de trabajos en investigación de datos cabe apuntar una línea g) de metodología de toma y tratamiento de datos hidrológicos y el establecimiento y disponibilidad de la red de infraestructura correspondiente.
Hidrogramas de avenidas. Determinación.
Un hidrograma es un gráfico ó tabla que muestra la tasa de caudal de agua en función del tiempo y en un lugar determinado de la corriente y constituye una expresión integral de las características fisiográficas y climáticas que rigen las relaciones precipitación-escorrentía de una cuenca de drenaje (Chow, 1959). Asímismo expresa la variación del flujo de agua en un cauce como respuesta a un determinado episodio simple ó compuesto de lluvia. En la fig.2 se puede observar la composición de un hidrograma de avenidas en
Hay dos tipos de hidrogramas: anuales y de episodios de lluvia, siendo estos últimos los más interesantes en Almería, donde practicamente no existen estaciones de aforo (p.e. en el Andarax sólo existe la de El Chono en Nacimiento).
La teoría de hidrogramas y su determinación es compleja y se puede observar en bibliografía al respecto de múltiples autores (Singh, Linsley, Chow etc).
Es de destacar que el hidrograma de respuesta de una cuenca es "único", siempre que no ocurran cambios sustanciales que afecten a su red de drenaje, y por tanto el conocimiento de estos hidrogramas de salida son un punto importante de información para prever respuestas de cuencas similares (p.e. la cuenca del Negratín del Andarax).
Relación entre precipitación y escorrentía
El exceso de lluvia (E) es la diferencia entre la intensidad de lluvia (I) y la suma de la capacidad de infiltración de un determinado suelo (f) más la intercepción vegetal (i). E=I-(f+i).
El flujo superficial ó escorrentía directa (Fs) es igual al exceso de lluvia menos la suma del almacenamiento en depresiones (A) más la detención superficial (D). Fs=E-(A+D).
El flujo subsuperficial, no el subterráneo no considerado aquí, es el flujo del agua en las capas superiores del suelo que verterá lentamentente al cauce de agua en el que drene.
La infiltración es el paso del agua a través de la superficie del suelo hacia el interior de la tierra.
La percolación es el movimiento del agua en el suelo y evidentemente afecta a la infiltración.
Es importante determinar cuando comienza la escorrentía directa en función de las características del suelo (físico-químicas, topográficas, de uso, etc), de la tipología de la lluvia (cantidad, duración, etc).
En la fig. 3 se pueden observar las componentes de la escorrentía.
Circulación de avenidas
Una vez que comienza la escorrentía, esta ocurre en una zona superficial formada por pequeños surcos y arroyos hasta el canal ó cauce considerado de orden 1, según las diversas métodos de ordenación de redes de drenaje (Horton-Strahler p.e.), y a lo largo de la progresiva red de cauces.
Por tanto el correcto conocimiento de la geomorfología de una cuenca es importante en el análisis de la respuesta de la misma a un evento de precipitación significativo.
El procedimiento de tránsito ó circulación de caudales se emplea para determinar el tiempo y la magnitud (hidrograma) en un punto determinado de un curso de agua utilizando hidrogramas conocidos en puntos determinados.
Estos métodos son fundamentalmente de dos tipos, agregados (hidrológicos) y distribuidos (hidraulicos) según se calcule el flujo en función sólo del tiempo ó del espacio-tiempo, respectivamente.
Agregados: Adecuados cuando no hay efecto de remanso aguas arriba.
Distribuidos: Adecuados cuando hay efectos de remanso. Se basan en las ecuaciones de St.Vènant.
Es importante disponer de información de hidrogramas en puntos determinados de una cuenca con el fin de trabajar adecuadamente en la previsión de acontecimientos hidrológicos para diseñar obras hidraulicas, determinar llanuras inundables etc.
Estadística hidrológica
Los procesos hidrológicos evolucionan, por lo general, en el espacio y en el tiempo en una forma parcialmente predecible (determinística) y parcialmente aleatoria, aunque a medida que los procesos se extreman (avenidas torrenciales, sequías, etc,) se convierten en puramente aleatorios, como es el caso de los procesos de precipitación-escorrentía extrema en Almería.
El tratamiento de la información hidrológica de procesos enteramente aleatorios utilizando métodos estadísticos fundamentados en principios matemáticos que describen la variación aleatoria de observaciones de un proceso, constituye un instrumento adecuado para ser utilizado como punto de partida en la resolución de problemas hidrológicos.
En concreto, el análisis de frecuencias de episodios extremos (tormentas, crecidas y sequías), sabiendo que la relación entre la severidad del acontecimiento y la frecuencia de ocurrencia es inversa, es un instrumento muy aconsejable en hidrología de zonas áridas, estableciendo la relación entre la magnitud de los acontecimientos naturales extremos y su frecuencia de ocurrencia utilizando distribuciones de probabilidad.
Los resultados del análisis de frecuencias de episodios extremos (p.e. hipótesis de tormentas con base probabilística), son utilizados en diseño hidrológico e hidraulico para diseñar estructuras de control de avenidas, aprovechamiento de recursos superficiales de agua, ó delimitar las llanuras de inundación para determinar el efecto medioambiental y económico de supuestas inundaciones.
La determinación de éstas últimas utilizando patrones de tormentas diseñadas a partir del tratamiento estadístico de los datos hidrológicos (precipitaciones y caudales) disponibles empleando modelos de simulación hidrológica, es una línea de investigación interesante para previsión y control de avenidas, estimación de recursos hídricos superficiales y estudios de erosión hídrica, por ejemplo.
En esta línea sería interesante acometer proyectos de estimación de erosión y sedimentación en zonas áridas, a partir del estudio de diversas cuencas experimentales a escala natural, con el fin de conocer a diversas escalas temporales y espaciales los procesos erosivos eólicos e hídricos, dada su importancia para el conocimiento de la evolución del paisaje en función de los diversos usos potenciales del suelo y su correspondiente gestión, para asegurar su sostenibilidad ante las diversas presiones, por otra parte lícitas, para incrementar el suelo agrícola, recreativo, turístico ó urbano.
Ello implica trabajar en aspectos como:
-Cuencas experimentales (modelado de cuencas a escala) empleando los GIS.
-Red de cauces de cada cuenca.
-Emplear modelos digitales de elevación empleando GIS.
-Fotogrametría aérea.
-Mapas de usos, cobertura y tipos de suelo.
-Geología.
-Distribución de la tierra (Catastro).
-Diseño de subcuencas.
-Otros.
Los modelos de simulación hidrológica
Modelos del Hydrologic Engineering Center (HEC)
Los paquetes expertos de simulación de sistemas de recursos de agua del Centro de Ingeniería Hidrológica de Estados Unidos, HEC, denominados por sus siglas desde el HEC-1 al HEC-6, están diseñados para trabajar en aspectos como la escorrentía superficial en una cuenca, hidraulica de ríos, hidrología estocástica, sedimentación en ríos y almacenamientos y operaciones en embalses (Feldman,1981).
Entre las múltiples aplicaciones de estos modelos se pueden destacar los estudios de gestión de llanuras de inundación, la investigación en el control de avenidas ó la simulación de embalses multifuncionales a lo largo del río.
El modelo HEC-1.
El modelo HEC-1 es un modelo hidrológico, con base en variables y parámetros físicos, diseñado para simular la escorrentía superficial respuesta de una cuenca a la precipitación mediante la representación de la misma como un sistema interconectado de componentes hidrológicas e hidraulicas, cada una de las cuales refleja un aspecto del proceso precipitación-escorrentía dentro de cada subcuenca, esto es, un episodio de lluvia, un elemento de escorrentía superficial, un canal de corriente ó un embalse, por ejemplo.
La representación de cada componente requiere un conjunto de parámetros que especifiquen las características particulares de la misma y unas relaciones matemáticas que describan el proceso físico precipitación-escorrentía, incluyendo los procesos individuales meteorológico, hidrológico e hidraulico y contemplando los subprocesos de precipitación, transformación del exceso de precipitación en escorrentía superficial a la salida de cada subcuenca, adición de caudal base y circulación del hidrograma de salida.
El resultado del proceso de modelado es la obtención de hidrogramas en los lugares deseados dentro de la cuenca.
Las capacidades de que dispone el HEC-1 son:
a) La estimación automática de los parámetros del hidrograma unitario, de interceptación e infiltración y de circulación, a partir de datos observados suministrados al programa.
b) La simulación de la escorrentía y el caudal en una cuenca compleja, representada como un conjunto interconectado de subcuencas, a partir de lluvias históricas ó de diseño ó utilizando una función que relacione la superficie de la cuenca con la altura de precipitación. Esta es la función principal del modelo y la base de las otras capacidades.
c) La evaluación de curvas de frecuencia de daños y expectativas de daños anuales, valorados económicamente, para varios lugares y múltiples planes de control para diversas avenidas simultaneamente.
d) La simulación de flujos a través de embalses y vertederos y con la opción de rotura de aquel, para realizar análisis de daños en presas.
e) Optimización de las componentes de un sistema de control de avenidas.
Los supuestos y limitaciones que tiene el modelo HEC-1 se pueden concretar en:
a) Los parámetros utilizados representan promedios espaciales y temporales, por tanto, la adecuada representación de las subcuencas debe considerar esta circunstancia.
b) Es un modelo válido para episodios aislados, que sólo considera la escorrentía directa superficial ya que no tiene en cuenta la redistribución del agua en el suelo en períodos no lluviosos ni la evapotranspiración.
3) La circulación de flujos es tratada por métodos hidrológicos por tramos de río, que simplifican las ecuaciones de St. Venant, requeridas para cauces con pendientes muy planas.
4) La circulación en embalses se basa en las técnicas del Puls modificado, que considera una superficie del embalse libre y horizontal y es, por tanto inadecuado en casos en los que las compuertas de un embalse se utilizan para regular la inundación aguas abajo.
El modelo HEC-2.
El HEC-2 tiene como finalidad calcular perfiles de la superficie del agua, en régimen sub y supercrítico, para flujo uniforme y gradualmente variado en cauces naturales ó artificiales.
Permite considerar en los cálculos los efectos de diversos tipos de obstrucciones y mejoras en las zonas de inundación tales como diques, puentes, cunetas y alcantarillas, presas y otras estructuras y es aplicable a la gestión de llanuras de inundación y estudios de seguridad ante avenidas, en cuanto permite evaluar las intromisiones en las zonas inundables.
El procedimiento de cálculo se basa en la solución de la ecuación unidimensional de la energía considerando las pérdidas energéticas debidas a la fricción mediante la ecuación de Manning.
El HEC-2 dispone de varias posibilidades de opción para determinar las llanuras y vías de inundación, para calcular las pérdidas de energía en obstrucciones tales como presas, alcantarillas y puentes y para analizar mejoras en el sistema de drenaje.
También dispone de alternativas para seleccionar las ecuaciones de pérdidas por fricción, calcular el calado crítico, resolver directamente para un determinado n de Manning, insertar en el programa una sección transversal generada automaticamente, especificar las áreas de flujo no efectivas, analizar tramos tributarios, realizar el análisis de múltiples perfiles en una sola ejecución del programa y analizar el flujo en tramos cubiertos de hielos.
Modelos de la U.S Environmental Protection Agency (EPA)
Modelo Simulator for Water Resources in Rural Basins-Water Quality (SWRRBWQ)
Este modelo ha sido desarrollado por el Departamento de Agricultura de los EEUU (USDA) para simular la hidrología, sedimentación y el transporte de nutrientes y pesticidas en largas y complejas cuencas rurales. Permite los cálculos simultáneos en cada subcuenca y conduce el agua, sedimentos, nutrientes y pesticidas desde los punto de salida de cada subcuenca al punto de salida de la cuenca.
El modelo opera en una escala de tiempo continuo y permite considerar la división de la cuenca en subcuencas para diferenciar suelos, usos del suelo, lluvias etc y permite predecir el efecto de decisiones en la gestión del agua, sedimentación y cesión de pesticidas con una razonable seguridad en cuencas rurales no aforadas.
Incluye cinco componentes principales: climatología, hidrología, sedimentación, nutrientes y pesticidas. Los procesos considerados incluyen escorrentía superficial, caudal de retorno, percolación, evapotranspiración, perdidas por transmisión, almacenamiento en embalses y presas, sedimentación y desarrollo de cultivos.
Un generador de tiempo atmosférico permite simular precipitación, temperatura y radiación solar cuando no se dispone de estos datos. El modelo de precipitación es el modelo en cadena de primer orden de Markov, la producción de sedimentos se basa en la Ecuación de Pérdidas de Suelo Universal Modificada (MUSLE), la producción de nutrientes se toma del modelo EPIC (Williams y col., 1984), y la componente de pesticidas es una modificación del modelo CREAMS (Smith y Williams, 1980).
El volumen de escorrentía se estima utilizando el número de curva del SCS (USDA,1972) como una función del contenido diario de humedad del suelo. El flujo de retorno se calcula en función del contenido de agua del suelo y del tiempo del caudal de retorno. El tiempo de viaje del flujo de retorno puede calculares a partir de las propiedades hidraulicas del suelo ó por el especialista usuario. La componente percolación utiliza un modelo de circulación combinado con un modelo de flujo en grietas para predecir el flujo hacia la zona de raices. La evapotranspiración se estima utilizando el modelo de ET de Ritchie. La transmisión de pérdidas en el tramo del cauce se calculan en función de las dimensiones del mismo, de la duración del flujo, y de la conductividad hidraulica en el lecho del canal. El almacenamiento en presas de detención se basa en la ecuación del balance de agua que deriva del caudal de entrada, del caudal de salida, de la evaporación y de la infiltración. El flujo en embalses es similar al de presas de retención pero considera el flujo en vertederos. La tasa del pico de escorrentía se basa en una modificación de la Fórmula Racional.
El modelo de circulación de sedimentos en las zonas inundables se compone de dos componentes operando simultaneamente (deposición y degradación). La degradación se basa en el concepto de potencia de la corriente de Bagnold y la deposición se basa en la velocidad de caida de las partículas de los sedimentos. Estos son también conducidos a lo largo de presas y embalses.
El modelo de desarrollo de los cultivos calcula la biomasa total cada día durante la estación de producción como una función de la radiación solar y el indice de superficie de hojas (LAI), el cual se calcula diariamente a partir del LAI máximo y el total sobre la biomasa del terreno. La componente ET utiliza el LAI para calcular la evaporación de las plantas. Los factores de stress de agua y temperatura se utilizan como restricciones de los cultivos.
El modelo SWRRBWQ simula cultivos de plantas perennes y anuales. Los cultivos anuales crecen desde la fecha de plantación a la fecha de recolección ó hasta que las unidades de calor acumulado igualan el calor potencial para ese cultivo. Los cultivos perennes mantienen su sistema radicular a lo largo del año.
La simulación de calidad de agua en lagos se realiza simulando un embalse en el punto de salida de la cuenca. Se determina el balance tóxico y el balance de la concentración de fósforo a partir de las ecuaciones de Chapra (1983) y Thomann y Mueller (1987). En el balance de toxicidad están incluidos los principales procesos, como flujo, reacciones, volatilización, fijación, difusión, suspensión y deposición, mientras que en el balance de fósforo se consideran el flujo y la fijación. El modelo sigue la pista de los pesticidas desde su aplicación inicial en el terreno hasta su evolución en el lago. Esto permite a los responsables de las tomas de decisiones predecir la influencia de las opciones en la gestión agraria aguas arriba en la calidad de las aguas del lago (Arnold y col. 1991).
Modelo SWMM (Storm Water Management Model)
Es un amplio y potente modelo capaz de simular el movimiento de la precipitación y de los contaminantes desde el fondo de la superficie a lo largo de una red de tuberías ó red de canales, unidades de tratamiento ó almacenamiento hasta los receptores del agua.
Se pueden simular tanto episodios sencillos de lluvia como episodios continuos en cuencas urbanas que dispongan de alcantarillado para desagües de lluvias, alcantarillado combinado ó drenaje natural, para predicciones de flujo, estados, y concentración de contaminantes.
Puede utilizarse para planificación y para diseño. En planificación se utiliza para realizar una evaluación global de problemas de escorrentía urbana y proponer opciones de minoración de la misma. Se puede realizar una simulación continua para varios años utilizando datos de precipitación a largo plazo.
La esquematización de las cuencas es por lo general de carácter global, pudiendo ajustarse ésta al nivel de detalle que se pretende al efectuar el análisis de la planificación, tanto en el detalle de la esquematización como en los intervalos de tiempo utilizados para la entrada de la precipitación.
Dispone de bloques de cálculo de escorrentía, transporte por onda cinemática, transporte extendido por onda dinámica y almacenamiento/tratamiento.
Modelo EPANET
Este programa permite realizar la simulación de períodos extensos del comportamiento hidraulico y de calidad de agua dentro de redes de agua a presión, entendiendo por ésta el conjunto de tuberías, uniones, bombas, válvulas y almacenamiento en depósitos ó embalses.
El modelo sigue la trayectoria del flujo de agua en cada tubería, la presión en cada nudo, la altura de agua en cada tanque, y la concentración de una sustancia a través de la red durante un periodo de simulación multiperiodo. Además de la concentración de la sustancia se puede simular también la antigüedad del agua y rastrear la fuente.
Está diseñado en definitiva para ser una herramienta de investigación para mejorar nuestro conocimiento del movimiento y destino de los componentes del agua potable dentro de los sistemas de distribución, constituyendo una alternativa para evaluar las estrategias de gestión para mejorar la calidad del agua en un sistema determinado, incluyendo aspectos como elegir la fuente a utilizar entre varias de ellas, alterar el bombeo y los períodos de llenado y vaciado de depósitos,utilizar tratamientos como la recloración en los depósitos ó limpiar ó reemplazar la tubería afectada.
APLICACIÓN : SIMULACION DE AVENIDAS POR EPISODIOS EXTREMOS DE LLUVIA EN EL RIO ANDARAX (ALMERIA).
0. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION.-
El Sureste español es una zona hidrologicamente árida, con una precipitación anual inferior a 500 mm y una evapotranspiración potencial (ETP) anual media superior a 800 mm (McMahon, 1979), en la que la variabilidad espacial y temporal de su régimen de lluvias unido a la geomorfología peculiar de los cursos de agua, estacionales ó efímeros, conforman un sistema hidrológico muy característico, que a menudo conlleva inundaciones catastróficas agravadas por los deficientes sistemas de control de avenidas existentes.
La provincia de Almería se encuentra situada en el sureste de Andalucía y comparte en la actualidad la grave situación de sequía y déficit de recursos hídricos existente en esta Comunidad Autónoma, agravada por el proceso de desertificación que afecta al sureste español. Los recursos subterráneos existentes en la provincia unidos a las aportaciones de los pantanos de Benínar en el Poniente y de Cuevas de Almanzora en el Levante permiten, por ahora, mantener los cultivos intensivos en las zonas de litoral y en algunas zonas de frutales interiores, pero no ocurre lo mismo en las comarcas del interior desde hace varios años.
En la parte más meridional de la provincia de Almería, donde se encuentra la cuenca del río Andarax, esta situación se agrava a causa de la escasez de precipitación( <200 mm/año) y el proceso alarmante de desertificación y escasez de recursos que se está produciendo y del que es representativo el actual estado de abandono de la actividad rural en su conjunto, con excepción del litoral, y la sobreexplotación a que están sometidos los acuíferos alimentadores de los recursos hídricos demandados, tanto por los cultivos intensivos como por las zonas urbanas que los nuclean.
La cuenca del río Andarax incluye, total ó parcialmente, varias comarcas que poseen unas características físicas y socioeconómicas diferenciadas, pero que tienen en común una disminución alarmante de recursos hídricos, debida a la escasez de lluvias y al balance hídrico negativo que presentan. Su red de desagüe ha sido el soporte hídrico básico de estas comarcas, tanto como alimentadora de los acuíferos suministradores de los pozos a lo largo de sus ramblas y ríos, como de aportadora de riegos por inundación a las vegas adyacentes, aprovechando sus avenidas.
Las situaciones consecuentes, agravadas por las económicas, han provocado la práctica desaparición en la zona de los renombrados cultivos de agrios y uva de mesa. Su difícil reconversión, debida a la ausencia de agua para riego y el aumento de la demanda urbana, han resaltado la importancia del aprovechamiento de las aguas de avenida del río Andarax y han motivado la realización del trabajo base de este artículo, con el ánimo de aportar conocimientos a la hidrología de la cuenca y apuntar posibles líneas de actuación complementarias a las medidas adoptadas por la Junta de Andalucía, en cuanto a la Declaración de interés general de regadíos de la comarca del Andarax, al Plan de reutilización de las aguas residuales del T.M. de Almería, a las ayudas para favorecer el ahorro de agua mediante la modernización y mejora de los regadíos de Andalucía (Decreto 97/1.995) ó a cualquier medida de apoyo a comarcas deprimidas del interior.
El I.T.G.E ("Las aguas subterráneas en España", 1993), señala como zona de sobreexplotación excesiva a la práctica totalidad de los acuíferos de Almería y apunta los problemas de la sobreexplotación de los acuíferos 42 y 44, que corresponden al Medio y Bajo Andarax respectivamente, en unos 3 Hm3/año al borde de la sierra y el de intrusión marina en profundidad en el Bajo Andarax recomendando como soluciones la utilización integrada de aguas subterránea y superficial (regulación de avenidas), la limitación de nuevas captaciones y la utilización de las aguas residuales del delta del Andarax para regular las agua residuales de Almería.
De otro lado, las catástrofes provocadas por las inundaciones del río Andarax, consecuencia de la tipología torrencial y de corta duración de las lluvias y de la composición y uso del suelo de la cuenca, unida a las recomendaciones, recogidas en la legislación actual sobre suelo, agua y medio ambiente, de delimitar las llanuras de inundación de cauces de ríos, motivaron el interés de la delimitación de éstas en el cauce principal del río Andarax.
Se ha empleado el modelo HEC-1 para la simulación de diferentes aspectos del proceso precipitación-escorrentía y el HEC-2 para los cálculos de las elevaciones de la superficie del agua en el río, base de la delineación de las llanuras de inundación.
1. INTRODUCCION.-
El análisis hidrológico de una cuenca hidrográfica como sistema, proporciona un instrumento básico para actuaciones de desarrollo ó previsión en el territorio de influencia de su red desagüe, en tanto ésta constituye una expresión muy genuina del medio ambiente que la rodea, en el que se realiza completamente el ciclo hidrológico a la vez que reúne un conjunto de características físicas, químicas, biológicas (Wenger, 1984), de usos del suelo y socioeconómicas, las cuales, considerando su grado de permanencia temporal y la interrelación entre sus componentes, hacen esta unidad territorial muy adecuada para servir de base a estudios de planificación ambiental (McHarg, 1969).
Los aspectos que el conocimiento de la hidrología de una cuenca permite abordar son múltiples y variados: planificación y ordenación agrohidrológica, gestión de recursos hídricos, usos potenciales del suelo, previsión y control de avenidas, obras de ingeniería hidraulica, erosión etc.
Un hidrograma es la consecuencia de los efectos hidrometeorológicos y fisiográficos de una cuenca y su conocimiento es fundamental para diversos aspectos de la gestión del agua, diseño hidrológico y planificación medio ambiental (Viessman, 1989).
El hidrograma de avenida respuesta a un episodio de lluvia es una función de diversas variables climáticas, fisiográficas y de usos del suelo, siendo la intensidad y duración de la lluvia los factores más importantes del proceso lluvia-escorrentía, seguidos por las características de la cuenca que transforman la precipitación en el hidrograma de respuesta a la salida de la misma. El tamaño, forma, pendiente, suelos y capacidad de almacenamiento son parámetros importantes en la geomorfología de la cuenca. El uso del suelo y el tipo de cubierta vegetal pueden alterar significativamente la respuesta hidrológica natural de la cuenca mediante el incremento en el grado de impermeabilización de la cubierta (efecto de la urbanización), alteración de la pendiente (creación de infraestructuras), mejora en el sistema de canales de desagüe (gestión) y/ó la modificación de la vegetación natural.
La creciente disponibilidad de datos junto con el avance de la informática ha permitido el desarrollo y la aplicación de los modelos hidrológicos a la simulación de la respuesta de una cuenca a aguaceros, constituyendo la simulación hidrológica una técnica eficaz en la planificación hidrológica y en la implementación de los planes (Walesh, 1973).
Los modelos basados en los principios físicos constituyen, por una parte el enfoque más lógico y cientificamente avanzado para comprender el comportamiento hidrológico de cuencas complejas y, por otra, las herramientas que ayudan a establecer las relaciones hidrológicas que posibilitan la determinación de los hidrogramas de avenida (Bedient y Huber,1988).
La aplicación cada vez mayor de los modelos de simulación de hidrogramas de respuesta a episodios extremos de lluvia, conocidos ó derivados del tratamiento estadístico de los datos hidrometeorológicos disponibles, para fines de diseño hidrológico, ha determinado la redacción de este trabajo, empleando los modelos con base física, HEC-1 y HEC-2.
2.-OBJETIVOS Y METODOLOGIA.-
La finalidad de esta comunicación es exponer los resultados del análisis de la cuenca del río Andarax, empleando la simulación hidrológica mediante los modelos informatizados HEC-1 y HEC-2, en aspectos como:
1) Simular el comportamiento hidrológico de la cuenca bajo diversas condiciones de lluvias extremas y para diferentes períodos de retorno a partir de la caracterización física e hidrológica de la cuenca correspondiente. Estos hidrogramas pueden ser utilizados en diseño hidrológico, en provisión y aprovechamineto de recursos hídricos procedente de escorrentía superficial , en recarga artificial de acuíferos, en control de avenidas, etc.
2) Analizar la respuesta simulada a la construcción de embalses en serie no controlados, intercalados en el tramo final del río Andarax.
3) Delimitar las llanuras de inundación en el tramo final (Rambla de Tabernas-Mar mediterráneo) del cauce principal del río Andarax para diversos períodos de retorno.
Para la consecución de estos objetivos se ha empleado una metodología enfocada a preparar la formulación de los modelos empleados, esto es, la determinación de los parámetros representativos de las variables que intervienen en cada una de las componentes de los modelos empleados.
Esta metodología consiste en síntesis, en realizar la caracterización física e hidrológica de la cuenca y las subcuencas correwpondientes, formular los modelos y realizar las simulaciones correspondientes.
La caracterización física (3) incluye los aspectos de delimitación geográfica, división racional en subcuencas, topología de los cauces, geometría de las subcuencas y longitudes de los cursos de agua, estimación de parámetros hidraulicos e hidrológicos y usos del suelo y cubierta vegetal.
La caracterización hidrológica incluye el análisis estadístico de los datos pluviométricos observados en la red de estaciones de la cuenca en los períodos de datos registrados para obtener las relaciones Intensidad-Duración-Frecuencia (curvas IDF) para diversos períodos de retorno (2, 5, 10, 25, 50, 100 y 500 años) que permitan derivar los hietogramas de diseño para la simulación y la distribución de la lluvia sobre el conjunto de la superficie de la cuenca.
La simulación se realiza mediante los modelos HEC para diversas hipótesis de trabajo empleando los métodos de cálculo de escorrentía superficial y los parámetros obtenidos previamente.
3. MATERIAL Y METODOS
El análisis comienza con la recogida y elaboración de información relativa a la red de drenaje del río (red hortoniana de subcuencas, geomorfología, climatología, trazado, aforos de caudal, secciones transversales y datos hidraulicos del cauce, tales como número de aspereza, coeficiente de rugosidad de Manning etc). La determinación del caudal de la avenida de diseño en el período de retorno deseado se ha obtenido a partir de los datos de caudales realizando un análisis de frecuencia y en su defecto mediante el tratamiento de los datos de lluvia-escorrentía obteniendo un hietograma unitario de diseño en los puntos de salida de cada subcuenca, transitándolo aguas abajo y empleando como caudal punta para la avenida de diseño el del hidrograma correspondiente al punto más aguas abajo de la zona estudiada (Bajo Andarax) en el período de retorno considerado y obtenido mediante el HEC-1.
El perfil de la superficie del agua a lo largo del cauce y de los embalses intercalados se obtiene utilizando modelos unidimensionales que suponen una variación de las propiedades del flujo sólo a lo largo del cauce (esto es, flujo permanente, gradualmente variado y no uniforme), como el HEC-2 aquí utilizado. En ocasiones es conveniente analizar el flujo como no permanente, con el fin de conocer la altura de la superficie del agua en diversas secciones de un tramo del río durante la propagación de la onda de avenida, utilizando para ello modelos bidimensionales como DAMBRK, DWOPER, FLDWAY, SWMM, etc.
Conocidas las alturas de la superficie del agua en veinte secciones consideradas en el tramo AN-AM a través del HEC-2, se han digitalizado las líneas de inundación obteniendo las zonas inundables correspondientes a diversos períodos de retorno partiendo del nudo AN de la cuenca. Sólo se han obtenido líneas de inundación externas al río para períodos de retorno de 100 y 500 años, observándose sus resultados en el documento gráfico que se acompaña.
La extensión de la cuenca del Andarax, unido a la ausencia de datos disponibles a pequeña escala que permitan conocer curvas de infiltración, almacenamiento superficial, curvas de daños-caudal así como otras variables y parámetros y a la escasez de estaciones de aforo, tanto de pluviometría incremental como de caudal, hacen recomendable escoger unos métodos de evaluación del comportamiento hidrológico de la cuenca que sean de aplicación factible y de fiabilidad contrastada.
En consecuencia, de los métodos hidrológicos compatibles con el HEC-1 se han escogido los siguientes:
a) el del nº de curva del Soil Conservation Service (SCS) de los EEUU para el cálculo de escorrentía, cuya validez ha sido demostrada en numerosos estudios (French, 1990).
b) el del Hidrograma Unitario del SCS y el de la onda cinemática y Muskingum-Cunge en cuanto a la transformación del exceso de lluvia en escorrentía superficial en los puntos de salida de cada subcuenca.
c) el de Muskingum-Cunge para la circulación en canales.
d) el de embalse de superficie libre horizontal, para la circulación en embalse.
4. CONCLUSIONES.-
I. La utilización de modelos de simulación hidrológica con fundamentos físicos como los HEC-1 y HEC-2, aquí empleados, con la gama de capacidades de que disponen, es muy adecuada en los trabajos de investigación aplicada y en el campo de la ingeniería en general, si bien la exactitud en la obtención de los datos de entrada requiere una infraestructura de aforos pluviométricos, de caudal, de interceptación y de infiltración, aún insuficientes, enfocados a la posibilidad de obtención y optimización de los escasos recursos hídricos de la zona.
II. Los métodos de cálculo empleados tienen limitaciones que influyen en los resultados, como la propia deducción de la ecuación de escorrentía del SCS que no tiene en cuenta la intensidad y duración de los episodios de lluvia ó la consideración del nº de curva en función de las condiciones antecedentes de humedad (CAH), lo que implica que los números de curva realmente no sean constantes (Hjemfelt,1991), ó el empleo del método de onda cinemática ó del hidrograma unitario en la transformación de la lluvia efectiva a escorrentía superficial, que produce resultados divergentes en magnitud.
Sin embargo, la magnitud de la cuenca estudiada, con la morfología de los episodios extremos de lluvia y con los calibrados y ajustes a realizar en cada caso, estas problemas no suponen por lo general un factor de inexactitud relevante, como demuestra el buen ajuste conseguido en la estación de El Chono, para una subcuenca como la N3 ó la N1 más N2 más N3.
III. Se estima que el trabajo realizado en este trabajo, en cuanto a caracterización hidrológica de la cuenca del río Andarax, constituye una base para conocer y simular, desde diversos aspectos, procesos hidrológicos en cada una de las subcuencas que la componen. Se han determinado características físicas como longitudes, áreas, componentes del sistema canal y drenaje, suelos, topografía, pluviometría y caudales.
IV. La cuenca del río Andarax es una gran cuenca típica de zonas áridas, con cursos estacionales y efímeros y una red de drenaje de orden hortoniano 6, de tipo fundalmente dendrítico, dendrítico-rectangular ó dendrítico-pinnada en cauces de orden bajos y paralelo en los tramos de órdenes mayores, aunque se pueden observar otros tipos, dada la extensión de la cuenca (p.e. en lengüeta en T-6), que cumple las leyes de Horton de nº de cauces, longitudes y áreas, aceptablemente.
Se han determinado una serie de parámetros, con el fin de caracterizar la cuenca y las subcuencas que la conforman y permitir, a través de ellos, la similitud geométrica con otras cuencas.
V. Las lluvias en la cuenca presentan una serie de características que se resumen en que son muy escasas, cortas y a veces son tormentas extremas que provocan en ocasiones avenidas muy intensas como las ocurridas en septiembre de 1989 p.e. LLueve más pero con menos intensidad en zonas altas, presentando la pluviometría anual oscilaciones entre 100 mm y 500 mm. en el conjunto de las estaciones existentes en la cuenca. El mes de máxima precipitación es noviembre aunque las precipitaciones máximas horarias (eventos extremos) suelen ocurrir al principio ó final del verano.
El análisis de frecuencia indica que: a) el nº de episodios en que llueve un nº de horas entre 6 y 12 es el más común excepto en el Bajo Andarax que es más frecuente entre 3 y 6 h.; b) el nº de episodios en que llueve más de 2 mm. está en un nº de horas menor que 3 y c) el nº de episodios en que el nº de horas de lluvia máxima es de 1 a 3 h. es la práctica totalidad, lo que confirma la tipología de lluvia ya descrita.
Se han obtenido las curvas I-D en cada estación pluviográfica para tres variables, las curvas tipo Huff y las curvas IDF.
VI. Se han obtenido las curvas Gumbel de las estaciones foronómicas existentes de El Chono y Canjáyar y del conjunto de la cuenca.
Del análisis de regresión múltiple para analizar la respuesta de escorrentía en base a diversas variables de lluvia, se observa que existe aquélla cuando concurren episodios con precipitación máxima horaria > de 10/14 mm, con precipitación total en 24 h. > de 30/35 mm., con un nº de horas de lluvia > de 15/14 h., con un nº de horas de lluvia > de 7/5 h. y un nº de horas de lluvia máxima > de 3 h., según sea la estación de Canjáyar ó Nacimiento, respectivamente.
VII. Las variables más influyente en el cálculo de escorrentía es el nº de curva (el Tlag empleado está asímismo relacionado con la variable citada), explicable tanto por el tamaño de la cuenca como por la variabilidad de la misma, ya citada. La utilización de hidrogramas procedente de hietogramas de Bloques alternantes ó McGhee, no afecta significativamente al volumen de escorrentía ni al caudal punta, sólo a un desfase de 30 m. en el tiempo en que ocurre el caudal punta. La respuesta de la cuenca que se estima más adecuada para el diseño coincide con la recomendada en la amplia bibliografía consultada, esto es, la que corresponde a hietogramas de un período de retorno de 100 años y 6 h. de duración. Así se visualiza en los hidrogramas resultantes en los puntos significativos.
Es importante destacar una variabilidad muy significativa según el método empleado de transformación a escorrentía, con unas bandas de oscilación, en los caudales punta, caudales medios y volumen de escorrentía, muy inferiores cuando se emplean la onda cinemética frente al hidrograma unitario.
Se han delimitado las planicies de inundación para diversos períodos de retorno con el fin de su disponibilidad para estudios de ordenación del territorio del los T.M. del Bajo Andarax.
Los embalses a nivel en el cauce del río pueden proporcionar beneficios tales como la regulación de avenidas y la recarga de acuíferos ó uso directo en riegos de complemento al plan de reutilización de aguas residuales en la subcomarca del Bajo Andarax, en una cuantía de hasta 200.000 m3 por avenida.
Es importante observar que se deben tener en cuenta las peculiaridades que conlleva la utilización y manejo de aguas turbias y las reservas que se deriven de los estudios de viabilidad correspondientes, no obstante el precio de la arena y suelo procedente de la limpieza de los embalses podrían financiar en una gran cuantía la construcción de estos embalses.