Universidad Autónoma de Querétaro, Facultad de Ingeniería, MÉXICO
Asociación Mexicana de Hidráulica, Delegación Querétaro
ANTECEDENTES
Un modelo digital de elevación de precisión centimétrica (MDE) – como el que se genera mediante cartografía LIDAR– sirve para cuantificar con más precisión los daños potenciales de una creciente causada por la descarga súbita de una presa, como la que pueda suceder por causa de una ruptura. Ayuda ante todo a justificar cual- quier trabajo de reforzamiento en el cuerpo de la cortina y mejora de las obras de control, así como acciones de conservación en la cuenca vertiente que sirvan para disminuir el aporte de sedimentos hacia las presas y demás cuerpos de agua.
La ciudad de León, Guanajuato (México) cuenta con información topográfica de alta resolución, lo que permite efectuar un estudio pormenorizado de lo que podría suceder si ocurriera una falla en la presa El Palote, la más importante dentro del área metropolitana. Durante el mes de septiembre del 2016, en efecto, expertos del Consultivo Técnico de la CONGUA tras haber recibido reportes sobre filtraciones observadas en el cuerpo de la cortina. Emitieron después una resolución que, más adelante, dio lugar a la elaboración del estudio de falla por ruptura de dicha obra, así como del impacto adverso que tal fenómeno pudiera ocasionar a los habitantes de la ciudad de León, aguas abajo de la estructura colapsada (SAPAL, 2017).
OBJETIVOS
Hacer la modelación numérica del flujo transitorio bidimensional (o 2D) rápidamente variado que puede producir la ruptura súbita de cortina de la presa El Palote (Guanajuato, México); definir una anchura efectiva de la brecha que se puede formar (siendo que la obra tiene más de 2 km de longitud); y proponer un procedimiento para la cuantificación de daños potenciales que pueden suceder, por causa de la falla, aguas abajo de la presa.
DIMENSIONAMIENTO DE BRECHA
El modelo numérico adecuado para simular el flujo transitorio bidimensional rápidamente variado que se produce aguas abajo de la ruptura de algún dique o cortina, debe incluir, en sus condiciones de frontera, el tratamiento del llamado cauce seco (en condiciones iniciales) y la entrada del escurrimiento expresada mediante hidrogramas o ecuaciones que modelen el caudal a través de compuertas o vertedores, incluso brechas que se pudieran formar en el cuerpo de alguna obra de control. Tras una revisión de literatura técnica y consultas en internet, se ha elegido el programa IBER© para tal propósito (Bladé et al., 2014).
Este programa tiene la posibilidad de modelar un escenario donde se suponga la formación súbita de una brecha en el cuerpo de una cortina. La aplicación no modela el fenómeno físico de la ruptura como tal; sólo permite asignar una geometría a la mencionada brecha y, de manera súbita (en media hora o menos), asumir que se alcanza el gasto máximo en tales condiciones de falla extrema.
Aun cuando la aplicación estima el valor máximo de caudal, precisa que el usuario indique el ancho máximo de la falla, dato que puede resultar impreciso a pesar de las recomendaciones que documenta la literatura. Una de ellas, por ejemplo, sugiere que la brecha al- cance un ancho equivalente a un tercio de longitud de la cortina, cuando es de materiales graduados, valor que podría resultar exce-sivo en el caso de la presa El Palote, cuya longitud excede de 2 km. Se ha planteado entonces el criterio siguiente.
Se determina el gasto máximo con alguna de las ecuaciones semi- empíricas más conocidas. El Ministerio de Medio Ambiente de España, por ejemplo, recomienda la expresión siguiente que toma en cuenta el volumen del vaso C, en Hm3, y su profundidad máxima y0, en m (Hagen, 1982; MMA, 2001)
Se admite que la velocidad máxima Vmax alcanzada es el valor teórico conocido en el caso de ancho unitario sin fricción, para el cual se establece una profundidad del agua y, la cual se mantiene constante durante el fenómeno transitorio –conocido como ola positiva– en tanto no cambie la profundidad o nivel de almacenamiento (Streeter y Wylie, 1979). Las expresiones son las siguientes:
Suponiendo que se forma una brecha de sección trapecial, con talu- des 1:1 (según se recomienda en la literatura), se obtiene que:
de modo que el cálculo de los anchos de brecha mayor y menor, B y b, se obtienen de manera directa. Para el caso de la presa El Palote, por ejemplo, se toma el nivel máximo en condiciones de operación (o NAMO), esto es 1838.20 m y un fondo que se aproxima a la cota 1831.00 m. Esto determina un valor y0 = 7.20 m. A este nivel, la capacidad del vaso –batimetría del año 2017– es C = 15.749 Hm3. Al sustituir en la ecuación (1), se determina Qmax = 2370 m3/s. Y, con respecto a la velocidad, se obtiene que Vmax = 5.603 m/s. Al considerar entonces que B = b + 2y en la expresión (3), se obtiene que B = 135 m, en vez de 700 m que habrían resultado mediante otras expresiones empíricas de la literatura (WRRL, 1998).
El resultado del modelo matemático con el programa IBER© para estas condiciones iniciales y de frontera, pasado a formato gráfico raster compatible con el MDE de alta resolución empleado, se puede apreciar en la siguiente figura (para mayores detalles del pro- ceso, se recomienda consultar el informe de SAPAL, 2017):
ESTIMACIÓN DE DAÑOS POTENCIALES
El Sistema Nacional de Protección Civil y el CENAPRED, en México, han propuesto una metodología para identificar y evaluar la vulnerabilidad de una población urbana ante la ocurrencia de una inundación (SEGOB, 2011). Como principal base de datos se tiene la información completa del Censo General de Población y Vivienda (CGPV), desagregada precisamente en función del nivel de vivienda, manzana o área geoestadística básica (AGEB).
Como parte de los datos que se levantan durante los censos poblacionales, el tipo de materiales empleados en la construcción urbana puede servir para la evaluación del impacto que causan las inunda- ciones; de ahí que la metodología aprovecha tales datos para definir una tipología de la vivienda y su comportamiento ante esta clase de contingencias. Se establecen así cinco tipos, equiparables con su vulnerabilidad: I o muy alta (por ejemplo, casa construida con lámina de cartón y techo de asbesto), II o alta, III o media, IV o baja y V o muy baja (como una casa con muros de tabique y techo de losa de concreto).
Se tipifica también el menaje de la vivienda (muebles y enseres menores) y se hace una cuantificación de daños por cada tipo, en función del tirante que puede alcanzar el agua tras la ocurrencia de una inundación. Se definen con ello cinco gráficas o funciones de vulnerabilidad tal que las ordenadas corresponden al costo del daño total, expresado como fracción del máximo posible (entre 0.00 y 1.00), y las abscisas al tirante o profundidad del agua, en intervalos de 0.20 m y hasta un máximo igual o superior a 2.00 m (para las viviendas Tipo I a III) e incluso mayor de 4.00 m (Tipo IV y V). La próxima figura ilustra la gráfica de vulnerabilidad para viviendas de Tipo IV (SEGOB, 2011):
La actividad entonces consiste primero en acceder a la base de datos del Censo de Población y Vivienda del INEGI (2010), a nivel registros, y descargar la información para el poblado de interés. De igual manera, se debe contar con el plano manzanero de la localidad. Así, con el tipo de material de muros y techumbres, se procede a clasificar cada vivienda en los tipos I a V. Para una clasificación a nivel de manzana, habría que verificar cuántas viviendas quedan comprendidas en cada una y cuál tipo se repite más.
En resumen, para cuantificar los daños de una inundación causada por ruptura de la cortina de una presa, se deben utilizar: las funciones adimensionales referidas, los datos del censo de población y vivienda, así como las matrices de resultados de la modelación hi- dráulica. Para el tirante promedio de inundación calculado por manzana, se lee la fracción del costo máximo por tipo de casa (de las gráficas de vulnerabilidad) y se multiplica por el número de casas censado en cada manzana. El total se alcanza al sumar estos productos por tipo de casa, multiplicar cada subtotal por su valor tipo e integrar los resultados en un importe final. Se puede tener desde luego un recuento de daños por zonas o también generar mapas de riesgo, este último definido como el valor del daño (producto de la fracción de vulnerabilidad por el valor de los bienes expuestos) multiplicado por la probabilidad de ocurrencia de cada evento analizado.
La próxima figura muestra un ejemplo de superposición de capas de información para la zona urbana de León, Guanajuato, que incluye parte de la mancha urbana y las áreas inundadas tras la ruptura de la presa, según el modelo hidráulico. Se incluyen las claves de manzana utilizadas por el INEGI con fines de identificación, necesarias para hacer la geo-referenciación entre datos del censo y las áreas de la ciudad expuestas al riesgo de inundación:
Con parte del proyecto elaborado para SAPAL (2017), se desarrolló el programa Impacto_PLV©. Con el mismo, se pueden generar tablas como la mostrada a continuación con fines ilustrativos, que dan cuenta de los resultados obtenidos a nivel de manzanas afectadas por causa de una inundación severa como la estudiada. Al final, el programa presenta una síntesis del impacto adverso provocado por un evento así. En el caso de una posible ruptura de la presa El Palote, se tendría lo siguiente: 757 Ha inundadas, así como 132,430 habitantes y 37,393 viviendas afectadas, con diferente total de menajes dañados por tipo de vivienda. De ser necesario, estos últimos totales por menaje tipo ayudarían a obtener un costo aproximado de los percances.
INEGI (2010), Resultados del Censo de Población y Vivienda en México, año 2010, México.
CONCLUSIONES
Se ha efectuado la modelación numérica del flujo transitorio bidimensional rápidamente variado producido por la ruptura súbita de cortina de la presa El Palote (Guanajuato, México), para justificar los trabajos de reforzamiento en el cuerpo de la cortina y mejora de las obras de control, así como acciones de conservación en la cuenca vertiente. Dada la longitud de su cortina, se tuvo necesidad de establecer criterios para definir una anchura efectiva de la brecha que se puede formar, esto en función de la ola positiva que se produce ante una falla súbita en un canal de ancho unitario, dada una profundidad inicial de agua.
Se ha propuesto un procedimiento para la cuantificación de daños potenciales que pueden suceder, por causa de la falla, aguas abajo de la presa. A diferencia de la metodología disponible, se hace una estimación que toma en cuenta las gráficas de vulnerabilidad por tipo de vivienda (del CENAPRED), datos del censo de población y vivienda del INEGI, así como las matrices de resultados de la modelación hidráulica. Con el tirante promedio de inundación por manzana, se determina la fracción de vulnerabilidad y se multiplica por el número de casas censado. El total se alcanza al sumar estos productos por tipo de casa y multiplicar cada subtotal por su valor tipo, ya sea que se haga por zonas o como un importe final.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece al Sistema de Agua Potable y Alcantarillado de la ciudad de León (SAPAL), Guanajuato (México) haber facilitado el material utilizado para la elaboración del presente artículo.
REFERENCIAS
Bladé, E., Cea, L., Corestein, G., Escolano, E., Puertas, J., Vázquez- Cendón, M.E., Dolz, J., Coll, A. (2014). IBER: herramienta de simula- ción numérica del flujo en ríos, Revista Internacional de Métodos Numéri- cos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, 30(1), 1-10.
Hagen, V.K. (1982), Evaluation of Design Floods and Dam Safety Pro- ceedings, 14th Congress of International Commission on Large Dams, Rio de Janeiro.
Ministerio de Medio Ambiente (2001), Guía técnica: Clasificación de presas en función del riesgo potencial. Dirección General de Obras Hidráulicas y Calidad de las Aguas, Ministerio de Medio Ambiente de España.
SAPAL (2017), Mobayed K.N., Evaluación del impacto urbano por falla de cortina y propuestas de conservación de la Presa El Palote, Informe técnico, diciembre del 2017, Guanajuato, México.
SEGOB (2011), Metodología para la elaboración de mapas de riesgo por inundaciones en zonas urbanas, Centro Nacional de Prevención de Desas- tres, Serie: Atlas Nacional de Riesgos, México.
Streeter V.L. y Wylie E.B. (1979), Fluid Mechanics, Ed. McGraw-Hill, Nueva York, EUA.
WRRL (1998), Prediction of embankment dam breach parameters. A literature review and needs Assessment, DSO-98-004, Bureau of Reclama- tion, Dam Safety Office, Julio 1998.
