ANTECEDENTES
El manejo inadecuado de los eventos meteorológicos extremos es un problema grave al que se enfrentan las poblaciones modernas, sobre todo cuando no existe una planeación de los sistemas de drenaje pluvial y, más aún, cuando ni siquiera han sido considerados. En consecuencia, los efectos hidrológicos pueden causar inundaciones, así como daños de diversa índole tanto materiales como sanitarios. En muchos poblados importantes de México es común que ocurran inundaciones y deslaves con una frecuencia notable, situación que muestra el impacto destructivo que podría tenerse, por esta causa, ahora y en el futuro próximo (Mobayed, 2009).
Los estudios hidrológicos urbanos proporcionan los fundamentos necesarios para el diseño de los sistemas de drenaje pluvial y para el control de inundaciones. La teoría de los procesos de lluvia-escorrentía en zonas urbanas, debe servir de fundamento para el desarrollo de modelos prácticos y dinámicos que tomen en cuenta tanto la configuración de la red hidrográfica (conforme a la disposición de la traza urbana y la propia red de colectores y drenes) como la forma de respuesta de las áreas tributarias.
Tradicionalmente, la concepción de drenaje urbano consistía en llevar lo más rápido posible el agua lejos o al menos fuera de los límites citadinos, sin considerar el impacto sobre el cuerpo receptor o sobre otras regiones ubicadas aguas abajo. Actualmente, los proyectos de drenaje pluvial deben ser concebidos dentro de esquemas de planificación integrales, que involucren no sólo las obras de desalojo oportuno sino también las de protección y preventivas (como los sistemas de bordería o los sitios de inundación controlada), todas en congruencia con programas y planes de ordenamiento territorial y orientadas a la mitigación (o eliminación) de impactos tanto locales como regionales.
La aplicación de herramientas para la representación de cuencas urbanas y el uso de modelos hidrológicos distribuidos o de base física, constituyen un instrumento dinámico indispensable en la toma de decisiones para lograr el control de las excedencias pluviales. El manejo adecuado de tales modelos, con sustento en datos de campo, se puede convertir en un sistema de pronóstico para alertamiento a la población, pero también en un medio para mejorar el diseño y operación del drenaje citadino.
SISTEMA DE ATENUACIÓN
La empresa BIONIA© promueve un sistema para el control y manejo del recurso hídrico, al que ha denominado SEMBRANDO AGUA. Tal sistema, en efecto, permite no solamente almacenar agua de lluvia sino también poder tratarla con fines de reutilización. Interesa esta vez contar con un recurso o medio que facilite la regulación de volúmenes pluviales captados a través de colectores o drenes municipales, techumbre de edificaciones, incluso mediante infiltración natural (concreto permeable, grava, etc.), a fin de mitigar los impactos adversos que pudieran ocasionar inundaciones o deslaves originados por una escorrentía excesiva (BIONIA, 2021).
Algunas ventajas que ofrece el referido sistema son que: se puede instalar por módulos, dependiendo del volumen de agua que se vaya a regular; se habilita con gran rapidez en comparación con el tiempo que lleva construir un tanque o cárcamo convencional; el ensamble de sus componentes configura un medio estructural robusto, con capacidad para soportar cargas de hasta 60 Ton/m2; y, sobre todo, permite proteger determinadas zonas urbanas o naturales contra el riesgo de inundaciones y deslaves.
La Figura 1, siguiente, ilustra el caso de un sistema de atenuación para el control de inundaciones en cierta zona urbana. Un tanque regulador así, ubicado debajo de una vialidad, puede ser útil para recibir la excedencia pluvial de algún colector cercano o la acumulada en la propia superficie del lugar, sea porque se encuentre deprimida o presente una pendiente baja o nula. Por su parte, la Figura 2 muestra un esquema con el arreglo de los elementos que constituyen un sistema de atenuación como el descrito.
Figura 1. Ejemplo de sistema de atenuación para el control de inundaciones.
Figura 2. Sistema SEMBRANDO AGUA empleado con fines de atenuación para el control de inundaciones pluviales. Se presenta el sistema de regulación para un volumen de 400 m3, con vaciado de control automático, que ocupa una superficie, en planta, de 225 m2 (BIONIA, 2021).
CASO DE ESTUDIO
Se ha tomado como caso de estudio una ciudad del Bajío que, aunque identificable por la cita de los datos relevantes necesarios para el trabajo, podría ser una zona de cualquier otra ciudad en la que sería necesario contar con los elementos citados. La ciudad forma parte de la región hidrológica Lerma-Santiago, salvo una pequeña parte colindante con Jalisco que pertenece a la cuenca del río Verde. Las corrientes que bajan de la Sierra de Comanja y que inundaban antaño la ciudad, se contienen en varias presas reguladoras, principalmente: Los Castillos, Duarte, Echeveste y El Barrial. Después de almacenarse, las aguas fluyen por cauces del municipio o son almacenadas en la Presa El Palote (9.3 millones de m3 de capacidad) en la parte norte de la ciudad . La cota de vertido de esta presa es 1836.15 m y tiene una profundidad máxima de 5 m. La obra sirve como vaso regulador, si bien surte un poco de agua a la ciudad después de pasar por una pequeña planta potabilizadora.
La corriente principal, que se forma propiamente en la ciudad, es conocida como río Los Gómez, afluente del río Turbio. Su cauce pasaba originalmente por la calle Miguel Alemán, pero desde hace décadas ha sido canalizado. Al río de los Gómez confluyen los arroyos: Mariches, El Muerto, Alfaro y Los Sauces. Por su parte, el Ojo de Agua de Los Reyes, Puerto Colorado, Las Canoas, El Rancho y La Virgen son corrientes que forman el arroyo Alfaro. Y las corrientes San Juan de Otates, El Juache, El Frande y El Cundo conforman el río La Laborcita o Duarte, denominado posteriormente como Los Sauces (tomado de: https://www.ruelsa.com/gto/leon/leon1.htm ).
En la Figura 3, se presenta una carta topográfica con: la cuenca del río Los Gómez (destacando la subcuenca aportadora a la presa El Palote), las corrientes superficiales, cuerpos de agua y, propiamente, la mancha urbana de la zona metropolitana de León (ZML). En tanto que la Figura 4 muestra con más detalle la superficie citadina y destaca, además de las corrientes superficiales, las obras construidas para configurar la red de drenaje urbano, principalmente los drenes y colectores pluviales. Ambas gráficas han sido generadas con ayuda del programa RHiD© (Quevedo et al., 2016).
Dada la evidente complejidad de las áreas habitadas, es frecuente que se tengan zonas de encharcamiento -sobre todo en vialidades- aun teniendo una infraestructura pluvial adecuada, lo anterior porque ocurra una precipitación extrema que llegue a saturar las alcantarillas o porque se trate de sitios deprimidos o sin pendiente difíciles de drenar por simple gravedad. La misma Figura 4 ilustra los lugares donde comúnmente ocurren tales encharcamientos (los identificados con mayor frecuencia), esto de acuerdo con información reportada por el organismo operador de los servicios de agua potable y saneamiento (SAPAL, 2014). Es en dichos sitios conflictivos donde pueden resultar del todo factibles los sistemas de atenuación pluvial que está proponiendo BIONIA©, incluso con buenas posibilidades de reutilización.
Figura 3. Cuenca del río Los Gómez, Guanajuato. Se muestran corrientes superficiales, cuerpos de agua y mancha urbana de la Zona Metropolitana.
Figura 4. Sistema de drenaje pluvial en la zona metropolitana del caso de estudio, conformado por corrientes superficiales, drenes y colectores pluviales. Se incluyen zonas de encharcamiento más comunes.
SITIO DE PRUEBA (Atenuación pluvial)
En el año 2014, se llevó a cabo un proyecto para hacer una calibración de los parámetros involucrados en los procesos de modelación hidrológica distribuida o de base física, para asegurar la calidad de los pronósticos. Por tal motivo, se ocupó una caracterización de tres sitios conflictivos donde se incorporaron, además de la cartografía LIDAR e información de drenes y colectores, el detalle de su topografía local, así como la red de alcantarillas y obras auxiliares. Se generaron así los estudios hidrológicos precisos de tales sitios, y se efectuó una evaluación hidráulica de las estructuras involucradas, con la posibilidad de cotejar resultados con estimaciones asequibles mediante modelos alternativos de simulación (SAPAL, 2014). Los lugares estudiados fueron los siguientes
SITIO 1. Zona de Boulevard Aeropuerto. El primer sitio conflictivo se encuentra sobre el Boulevard Aeropuerto en su cruce con el Boulevard Asís, lugar donde se ubican los llamados Outlets. Este boulevard representa la principal vía de acceso a la ciudad. De acuerdo con información proporcionada por personal especializado de SAPAL, la mancha de inundación sobre esta vialidad va desde el cruce con la calle Atotonilco hasta donde inicia el distribuidor vial, mientras que sobre el Boulevard Asís comienza a 800 m, aproximadamente, antes de su cruce con la avenida principal.
SITIO 2. Zona de Boulevard Miguel Hidalgo. El segundo sitio seleccionado se encuentra sobre el Boulevard Miguel Hidalgo en su cruce con el Boulevard Juan Alonso de Torres. Conforme a la información proporcionada, la mancha de inundación sobre la primera vialidad se produce desde el cruce con el Boulevard Juan Alonso de Torres hasta el Malecón. En términos generales, esta vialidad presenta poca pendiente longitudinal y no cuenta con infraestructura -evidente- de captación de aguas pluviales (rejillas, bocas de tormenta, etc.) a pesar de que existe un colector de 61 cm de diámetro sobre la misma.
SITIO 3. Zona de Calle México (Clínica del IMSS). El tercer sitio de análisis corresponde a la calle México, lugar donde se ubica la clínica del IMSS. De acuerdo con información del organismo operador, la mancha de inundación sobre dicha vialidad queda comprendida entra las calles Holanda y doctor Pablo del Río. En este caso, los problemas de inundación se presentan únicamente en la calle México. En general, la vialidad lleva poca pendiente longitudinal y no cuenta con infraestructura evidente para captación de las aguas pluviales. Con el recorrido de campo y los trabajos topográficos, se precisó que la escorrentía no controlada por la presa Mariches (que regula los torrentes del arroyo Mariches), termina por reconocer superficialmente a la altura de la calle mencionada.
Los tres sitios estudiados tienen áreas de cuenca incidentes muy grandes (por arriba de 250 Ha) que obligan al diseño de un sistema de atenuación que excede las dimensiones factibles para ser instalado, por ejemplo, sobre la propia vialidad donde se presenta el potencial problema de inundación. Por tal motivo se ha elegido mejor otro lugar para habilitarlo como sitio de prueba.
SITIO 4. Zona de calle Sonora (cerca del Parque Chapalita). La cuenca incidente en este lugar, y que se muestra en la Figura 5, tiene una superficie tributaria de 81.3 Ha (o sea, 0.8131 km2). Como se observa, existe un colector con diámetro de 0.61 m que se conecta más adelante a uno de 0.76 m (en color rojo y naranja), si bien la capacidad de ambos es insuficiente y no impide que se produzcan inundaciones en el área (destacada en color azul claro).
Figura 5. SITIO 4 o Zona de calle Sonora, cerca del Parque Chapalita, para la habilitación de un sistema de atenuación para prevenir inundaciones.
En la figura anterior se aprecia la cuenca tributaria, cerrada en la esquina que forman las calles Michoacán y Celaya -unas 5 cuadras al NE del parque Chapalita- dividida en 16 unidades de escurrimiento (o celdas geomorfológicas) para un criterio de escalado de 1500 celdas reticulares (área mínima con capacidad para formar un cauce en la red de drenaje, esto es un área equivalente a 3.75 Ha, dado que las celdas son de 5 x 5 m). Toda esta información es utilizada para estudiar la escorrentía que se genera en el área seleccionada ante la ocurrencia de eventos extremos de precipitación.
Con la cuenca identificada (mediante el programa RHiD©), se pueden obtener diversidad de parámetros característicos, como los que se indican en la Tabla 1. Buena parte de ellos es utilizada para la aplicación de los modelos hidrológicos de tipo lluvia-escorrentía, en particular los llamados de parámetros concentrados, como es el caso del hidrograma unitario geomorfológico (Rodríguez-Iturbe y Valdés, 1979).
Además de la información topográfica, expresada a través del modelo digital de elevación o MDE (disponible en la base de datos del programa RHiD©), la obtención de estos parámetros característicos necesita también de la llamada carta de uso de suelo y vegetación, en escala similar a la del MDE. Con base en información vectorizada de la cartografía disponible para el valle de León, se ha configurado una carta mínima para fines hidrológicos, esto al hacer una asignación convencional de coeficientes (o números de curva) de escurrimiento a las distintas coberturas observadas en el área.
Por lo que se refiere a la precipitación de diseño, Pd, necesaria para conocer las condiciones de máxima escorrentía, se aprovechan las conocidas curvas de intensidad-duración-período de retorno, i-D-Tr, o sus funciones de ajuste potencial.
Considerando una duración de tormenta D = 40 minutos (según valores del tiempo de concentración indicados en la Tabla 1) y un período de retorno Tr = 25 años, se obtiene una intensidad de diseño i = 79.0 mm/hora, esto es una precipitación Pd = 52.7 mm.
La respuesta hidrológica de la cuenca, cuyos resultados se presentan en la Figura 6, fue realizada con base en el modelo distribuido habilitado en el programa RHiD© (HIDRAS y formulaciones del método de Clark modificado, ver Mobayed, 2009). Sus resultados, además, han sido validados mediante la aplicación del modelo concentrado conocido como hidrograma unitario geomorfológico. Según se aprecia, el gasto máximo que alcanza la avenida de diseño es Qmáx = 4.43 m3/s.
Tabla 1. Parámetros característicos de la cuenca tributaria al SITIO 4 (zona de calle Sonora), en la ZML, obtenidos mediante las herramientas habilitadas en la plataforma de trabajo RHiD© y necesarios para la aplicación de los llamados modelos hidrológicos de parámetros concentrados (Chow et al., 1988).
Para definir las dimensiones del tanque regulador (el sistema de atenuación), es preciso considerar la entrada de agua conforme al hidograma resultante (mostrado en la Figura 6), esto desde rejillas pluviales y el colector entrante de 0.61 m, y simular con eso la operación del depósito, en el entendido que la salida ocurre hacia el dren colector de 0.76 m y pendiente (estimada, según la del propio terreno) igual a 0.015. De acuerdo con la conocida fórmula de Manning (Chow et al., 1988), el gasto máximo de salida -a tubo lleno- es de 1.68 m3/s. Si bien este caudal puede variar conforme a la carga hidráulica en el tanque, para efectos prácticos se supone constante; de esta forma, la acumulación va a ocurrir cuando el gasto entrante exceda dicho valor y el vaciado cuando los caudales influentes sean menores.
Figura 6. Respuesta hidrológica de la cuenca tributaria al SITIO 4 (zona de calle Sonora, ZML), en condiciones de diseño, obtenida mediante el modelo hidrológico distribuido HIDRAS (y el método de Clark modificado) y validado con el método del hidrograma unitario geomorfológico (ver Mobayed, 2009).
Se ha supuesto de manera preliminar, para las dimensiones del tanque amortiguador, que su anchura es igual a 9 m (similar al presentado en la Figura 2) y su profundidad de 4 m (máxima recomendada para estos sistemas de regulación). Después de simular la operación del depósito con varias longitudes, se ha encontrado que con 230 m es factible regular TODO el volumen excedente ocasionado por una precipitación máxima como la considerada, para un período de retorno de 25 años.
DIMENSIONES DEL TANQUE
(Regulación máxima de excedencias pluviales)
Anchura: 9.00 m
Profundidad: 4.00
Longitud: 230 m (en planta)
En caso de haber dificultades de espacio o constructivas, es factible habilitar el sistema de atenuación en el área del Parque Chapalita (utilizando, por ejemplo, una profundidad de 3.0 m y dimensiones más apropiadas en planta), si bien habría que construir obras de captación en las zonas inundables y conectarlas hacia el lugar donde se ubique el tanque regulador. Desde luego, también se puede construir un tanque de menores dimensiones, admitiendo determinada altura de encharcamiento permisible, esto cuando llegue a presentarse un evento de precipitación como el considerado con fines de diseño.
CONCLUSIONES
Como se puede ver, las ventajas que ofrece el referido sistema son que: se puede instalar por módulos, dependiendo del volumen de agua que se vaya a regular; se habilita con gran rapidez en comparación con el tiempo que lleva construir un tanque o cárcamo convencional; el ensamble de sus componentes configura un medio estructural robusto, con capacidad para soportar cargas de hasta 60 Ton/m2; y, sobre todo, permite proteger determinadas zonas urbanas o naturales contra el riesgo de inundaciones y deslaves. Adicionalmente no es necesario cambiar el uso de las áreas utilizadas y podría facilitar la utilización del agua almacenada para otros fines de riego y limpieza.
REFERENCIAS
BIONIA (2021), Presentación. Proyectos en desarrollo, León, México.
Campos Aranda, D. (2010), Intensidades máximas de lluvia para diseño hidrológico urbano en la República Mexicana, Ingeniería Investigación y Tecnología. Vol. XI, Núm. 2, 2010 179-188, ISSN 1405-7743, FI-UNAM, México.
Chow V. T., Maidment D. R. y Mays L. W., Applied Hydrology, McGraw Hill Inc. (1988), Edición en español, Santa Fe de Bogotá, Colombia, 1994.
Mobayed, K. N. (2009), Simulador de inundaciones en áreas urbanas. Un modelo de pronóstico con fines de alertamiento, artículo arbitrado, revista Ciencia@UAQ, Vol.2, N° 1, enero-junio 2009, Querétaro, México.
Quevedo T.A., Mobayed K.N., Fuentes R.C., González S.E. y Chávez G.C. (2016), Simulación del escurrimiento directo de eventos en cuencas pequeñas con el modelo HIDRAS, 2016, Agrociencia, 50(7), 787-798, México.
Rodríguez-Iturbe, I. y Valdés, J. B. (1979). The Geomorphologic Structure of the hydrologic response, Water Resources Research, 15, 1409-1420.
SAPAL (2014), Análisis pluviométrico, simulación hidrológica en tiempo real y evaluación integral de escenarios basada en el Sistema Hidro-urbano de León, Gto., Informe técnico, León, Guanajuato, México.
