Metodología para el diseño de sistemas de alerta temprana en microcuencas

Transcripción

1 Metodología para el diseño de sistemas de alerta temprana en microcuencas Aplicación a la cuenca alta del Río Guacalate, Guatemala Víctor Toledo Reyes vrtoledo@lycos.com PREVDA Programa para la reducción de la vulnerabilidad y degradación ambiental. Guatemala

2 RESUMEN En este trabajo se presenta una metodología para el diseño de sistemas de alerta temprana en microcuencas, El diseño se hace mediante la obtención de un mapa de distancias de escorrentía, dividiendo la cuenca en una malla de áreas regulares. Con base en dichas distancias se obtiene un hidrograma unitario para la simulación del proceso de lluvia escurrimiento de la cuenca, y el área que provoca la acumulación de caudales, donde se propone la ubicación de pluviómetros, y los sitios para ubicar sensores de medición de niveles en los afluentes. Contando con equipo de medición con transmisión automática, o mediante operadores, se pueden emitir avisos de alerta de caudales que pueden provocar inundaciones a poblados de interés. La metodología se aplica a la cuenca alta del Río Guacalate, Guatemala. ANTECEDENTES La cuenca alta del río Guacalate hasta las poblaciones de Pastores y Jocotenago, tiene un área aproximada de 146 km 2. Pastores se encuentra en la parte más angosta de un encañonamiento topográfico del río, a la salida de la cuenca, y Jocotenango a 1.5 km aguas abajo, en la entrada del valle de Panchoy. Parte de la urbanización de ambos poblados se encuentra a orillas del cauce del río en áreas naturales de inundación. Si bien ambos poblados se habían visto afectados con anterioridad por inundaciones, la vulneribilidad de los mismos se ha agravado por causas antrópicas; esto es, por las alteraciones al medio ambiente hechas por el hombre. Lo cual se puso de manifiesto durante las fuertes lluvias de la tormenta Stan en octubre del año pasado. Las lluvias produjeron caudales extraordinarios, los cuales transportaron una gran cantidad de sedimentos, troncos de árboles, residuos orgánicos y una gran cantidad de residuos sólidos, como plásticos. Todos estos residuos ocasionaron la obstrucción de dos puentes en Pastores, ocasionando desbordes de la corriente, los cuales afectaron a las viviendas y pertenencias de los habitantes que se encuentran en áreas de inundación. Varias instituciones del gobierno han realizado estudios de vulnerabilidad y manejo de la cuenca alta del río Guacalate. Sin embargo, en la actualidad, la cuenca carece de un sistema de prevención de inundaciones. Dichos sistemas requieren de instrumentos de medición que pueden ser convencionales o electrónicos. Personal que los opere, y algún medio de comunicación, para reportar a los sitios de interés los valores registrados. El objetivo del presente trabajo fue hacer un análisis del proceso de lluvia escurrimiento de la cuenca, para determinar la posibilidad de implementar sistemas de prevención de inundaciones. Asimismo determinar los sitios para realizar las mediciones que permitan alertar a las poblaciones de Pastores y Jocotenango, y el tiempo de anticipación al arribo de las crecidas. INTRODUCCIÓN Cuenca hidrográfica Una cuenca hidrográfica es un área en la que, por sus características topográficas, la lluvia que se precipita sobre la misma tiende a escurrir a una misma salida. Durante el proceso de lluvia escorrentía de una cuenca, parte del agua se evapora y parte se infiltra, por lo que sólo un porcentaje del total de la lluvia precipitada llega a la salida. Dicho porcentaje depende del grado

3 de humedad del suelo, y oscila entre un 10% de la cantidad que llueve, en los primeros meses de lluvias, y hasta un 80% en los últimos meses de la temporada de lluvias. Las crecidas o caudales extraordinarios se presentan cuando el suelo de las cuencas está saturado de humedad y se presentan lluvias fuertes y sostenidas. Estas provocan desbordamiento de los ríos y afectan a pobladores que se asientan en áreas naturales de inundación. Los desbordes también pueder ser inducidos por causas antrópicas, es decir por la modificaciones al entorno hechas por el hombre. La posibilidad de prevención de caudales El tiempo que tardan los escurrimientos en acumularse en la salida de la cuenca, a partir del inicio de las lluvias, se llama tiempo de respuesta o de concentración de la cuenca. Para cuencas relativamente medianas este tiempo permite emitir avisos a determinados lugares, de la magnitud de los caudales que se presentarán, con un tiempo de anticipación. Esto se logra mediante mediciones de lluvia o de caudales, en puntos estratégicos, las cuales deben ser reportadas mediante un medio de comunicación, como radios o teléfonos a los sitios de interés. En algunos casos un aviso con pocos minutos de anticipación, es sufiente para evacuar a los pobladores de las zonas que podrían ser afectadas. ANÁLISIS DE LA CUENCA La cuenca alta del río Guacalate Las poblaciones de Pastores y Jocotenago se encuentran en la salida de la parte más alta de la cuenca del Río Guacalate. Pastores se encuentra en la parte más angosta de un encañonamiento topográfico del río y Jocotenango en la entrada del valle de Panchoy (Ver el mapa esquemático de la Figura 1). Hasta Jocotenago la cuenca tiene un área aproximada de 146 km 2, y una diferencia de altitud de la parte más alta a la más baja (a la altitud de Jocotenago) de 1000 metros. En la Figura 1, se muestra la hidrografía de la cuenca. La longitud del cauce principal es de 20 km, y tiene cinco afluentes principales. El Río Itzapa, el Río Parramos, que lo forman el Río Negro y el Cajagualtén, el Río Paso de San Luis y el Riachuelo Tizate. Simulación del proceso de lluvia escorrentía de la cuenca Método utilizado La simulación del proceso de lluvia escurrimiento de una cuenca se hace mediante modelos numéricos. Y sirve para determinar las características de los caudales de salida de la cuenca provocados por las lluvias. Una vez obtenido el modelo puede ser utilizarlo para la simulación de la respuesta hidrológica de la cuenca, con fines de emisión de alerta a poblaciones. Para obtener el modelo de una cuenca, existen métodos que requieren de mucha información (v.g. Domínguez, M. et al, 1994). Y otros que utilizan reconocimiento de patrones registrados (v.g. Toledo, V., 1996). Los métodos más utilizados, y que son relativamente simples, son los que se basan en la obtención del hidrograma unitario. Uno de los más conocidos es el modelo HEC1, del Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos. Estos últimos métodos consideran a la cuenca como un sistema que tiene una entrada, una salida y una función que las relaciona. La entrada es la lluvia, la salida es el caudal, y la función que las relaciona es el hidrograma unitario, o respuesta de la cuenca para una lluvia unitaria durante un período de tiempo. Una vez conocida esta respuesta se puede utilizar para el pronóstico de los caudales y emisión de alarmas. En este trabajo, se aplica el método de las distancias de escorrentía para obtener el hidrograma unitario (Toledo,V.,

4 2006), y luego se utiliza para la simulación del proceso de lluvia escorrentía de la cuenca. Obtención del hidrograma unitario Para aplicar el método de distancias de eescorrentía se requiere de un plano topográfico. Se utilizó la hoja Chimaltenango de los mapas a escala 1:50000 del IGN. Se delimitó el parteaguas de la cuenca y se dividió toda el área de captación en celdas regulares de 1 km por lado. En la Tabla 1, se muestra dicha cuadrícula, con un número en cada celda. Este número indica la distancia de escorentía al punto más bajo; esto es, la cantidad de celdas que tiene que recorrer el agua precipitada en cada una para llegar al punto más bajo (indicado con distancia cero), ubicado en Jocotenango. En la Tabla 2, se presenta en la primera fila la distancia de escorrentía, en la segunda fila, el número de celdas para cada distancia y, en la tercera, el hidrograma unitario, el cual es el caudal de respuesta de la cuenca para una lluvia media de 1 mm acumulada durante 10 minutos. En la Figura 2 se grafican los valores de dicho hidrograma. Los valores se obtienen de multiplicar cada valor de la segunda fila de la Tabla 2, por el área de aporte de cada celda, dividido entre el tiempo de traslado del escurrimiento de celda a celda (A/T). Se considera que en cada celda sólo 50 metros a cada lado del cauce aportan caudal, y que la velocidad promedio de desplazamiento del agua de celda a celda es de 10 minutos, esto es, aproximadamente 1.5 m/seg. Nótese en la Tabla 2, que las celdas que aportan los máximos caudales por su distancia de escorrentía a la parte más baja, son las celdas con distancias de 4 a 11, y principalmente las que tienen distancias de 5 a 10. Dichas celdas se indican con fondo oscuro en la Tabla 1. Una vez obtenido el hidrograma unitario de la cuenca es posible simular la respuesta de la cuenca para una lluvia dada. Por ejemplo, si suponemos que se precipita sobre la cuenca una lluvia constante de 2 mm acumulados a intervalos de 10 minutos, durante un periodo de 3 horas y media (210 minutos). Y que del total de esta lluvia escurre un 80%, podemos obtener el hidrograma de respuesta de la cuenca, utilizando el hidrograma unitario obtenido, mediante la operación de convolución. La curva del caudal de respuesta, en la salida de la cuenca, se presenta en la Figura 3. Nótese que el caudal máximo que se obtuvo es de 48.7 m 3 /seg. El cual es un caudal extraordinario, que provocaría que el río ascendiera a niveles similares a los producidos por la tormenta Stan. Durante esta tormenta, en la estación hidrométrica de San Luis Las Carretas muy cerca de Pastores, el día 7 de octubre, el nivel del río alcanzó un nivel máximo de 3.2 metros, con un caudal del orden de 50 m 3 /seg. En la Figura 3, se puede observar que el máximo caudal se presenta a los 210 minutos, siendo este el tiempo de traslado de la lluvia precipitada de las celdas más alejadas hacia la más baja. En otras palabras, los máximos caudales se presentan cuando llega a la salida el aporte de todas las celdas, lo cual solamente ocurre cuando se presentan lluvias de una duración igual o mayor a 3 horas y media (210 minutos). Por supuesto el máximo caudal, también depende de la intensidad de la lluvia para cada periodo, y de a infiltración. Durante el Stan del 6 al 7 de octubre llovió cerca de 300 mm durante 20 horas, lo que da un promedio de 2.5 mm por cada 10 minutos. Este valor se uso para el ejemplo, considerando que se infiltra un 20%. Simulación del proceso lluvia escorrentía

5 PREVENCIÓN MEDIANTE MEDICIONES DE LLUVIA El modelo anterior de simulación, utilizando el hidrograma unitario puede ser usado para la emisión de alarmas, si se cuenta con mediciones de lluvia. Una vez que empieza a llover se pueden obtener los caudales de respueta de la cuenca cada 10 o 20 minutos, si se cuenta con las mediciones de lluvia, vía radio o teléfono, en un centro de acopio de la información, que cuente con una computarora. Los datos se introducen a una hoja de cálculo y se puede calcular la respuesta de forma inmediata. También se pueden dar avisos sin que se simule la salida con el modelo de la cuenca. Bastaría con medir en los pluviómetros una cantidad de lluvia que ha ocasionado en el pasado inundaciones. Para lo cual es necesario determinar los valores de precipitación que han ocasionado caudales altos, usando los registros de una estación en la cuenca que cuente con datos de varios años. Como por ejemplo la estación Alameda, ubicada en la ciudad de Chimaltenango. Ubicación de pluviómetros La ubicación de pluviómetros en una cuenca, para calcular la precipitación media, se puede hacer con diversos criterios. Si se cuenta con una red ya instalada de pluviómetros, ésta se puede optimizar, aumentando estaciones o seleccionando las más importantes (v. g., Collado y Toledo, 1997). Para los propósitos de emisión de una alerta, es importante medir en las áreas de la cuenca que aportan los caudales máximos. La ubicacion de los pluviómetros se puede determinar entonces, de acuerdo a las áreas de mayor aporte que se muestran en la Tabla 1. Siendo éstas las que tienen distancias de escorrentía de 4 a 11. Los pluviómetros se podrían ubicar en las poblaciones de San Andrés Itzapa, Parramos, El Rejón, y en el poblado de Xeparquiy. También debe medirse o utilizarse la estación Alameda en Chimaltenango. De estos sitios se podría emitir una alarma basada en la medición de niveles de precipitación, sin que se utilicen los datos para el modelo numérico. Cuando se presenten alturas de lluvia significativas, de al menos 5 mm, cada media hora, un operador de los pluviómetros debe reportar los datos a un receptor en Pastores y Jocotenango. Estos avisos proporcionan un tiempo mayor de anticipación al arribo de los caudales, que los avisos dados con mediciones de niveles en los afluentes, ya que el tiempo de recorrido de los escurrimientos es mayor. Es importante mencionar que la precipitación en un sitio se puede medir con cualquier recipiente. La altura en mm se puede obtener de la fórmula Volumen llovido / Area de captación del recipiente = Altura de precipitación. PREVENCIÓN MEDIANTE MEDICIÓN DE NIVELES La vigilancia de los afluentes de un río en puntos estratégicos, durante la ocurrencia de lluvias, es una práctica muy efectiva para alertar a poblados en áreas de inundación, con varios minutos de anticipación. Por supuesto, ésta es una práctica que solo puede ser utilizada en cuencas en donde el tiempo de viaje de las crecidas, desde los puntos de vigilancia hacia los puntos de interés, permita una evacuación u otro tipo de medidas, una vez dado el aviso. Conociendo los niveles que han producido tormentas anteriores, en los sitios estrátégicos, se puede emitir una alarma mediante algún medio de comunicación a los sitios de interés, Pastores y Jocotenango, cuando los niveles se acercan a los críticos. Los puntos de medición deben ubicarse en las áreas que aportan los máximos caudales. Estas son, como ya se mencionó, las áreas con distancias de escorrentía de 4 a 11, que se indican en la Tabla 1. Para la medición de

6 niveles se propone el puente de Los Aposentos y el puente cercano a Parramos, en la finca Peña de Oro, señalados con rectángulos en la Figura 1. El tiempo de traslado del agua desde el Puente de Los Aposentos hasta Jocotenango es de aproximadamente 80 minutos, y tiempo de traslado desde el otro puente mencionado es de 1 hora, considerante una velocidad promedio del agua en los cauces de 1.5 m/seg. También es importante medir niveles en el puente del poblado de Pastores, para un registro de los tiempos de traslado. Los dos primeros sitios anteriores son suficientes para emitir una alarma. Sin embargo, para cubrir toda la cuenca sería conveniente hacer mediciones en el puente que cruza el río Pasiguán, de la carretera que va de Parramos a San José Calderas. Y en algún sitio del riachuelo Tizate, en la zona donde se acerca a la carretera interamericana. En cada puente el nivel se mide de acuerdo a una escala en metros. Lo más elemental es pintarla en los muros del mismo. También se pueden instalar medidores de nivel electrónicos, como los que miden el nivel del agua mediante un sensor y despliegan el valor en una pantalla, la cual se puede ubicar en viviendas o sitios cercanos a donde se hace la medición. CONCLUSIONES cuando menos media hora para medidas de prevención y desalojo de la población en dichos poblados. Se recomienda la instalación de pluviómetros en los sitios propuestos y su utilización para emitir avisos de lluvias fuertes. Lo cual daría un tiempo de anticipación al arribo de los caudales, todavía mayor. Es necesaria la calibración de los valores de las mediciones para determinar la magnitud de las crecidas. La aplicación del modelo de la cuenca obtenido puede ser realizada en una etapa posterior. REFERENCIAS Collado J., Toledo, V. (1997). Localización óptima de estaciones climatológicas y observatorios en la República Mexicana. Revista Ingeniería Hidráulica en México, Enero Abril. Domínguez M., R., C. Bouvier, y G.F. Mariles (1994). Mercedes: Un modelo de pronóstico de avenidas paa cuencas hetereogéneas. Revista Tlaloc. Año 1 No. 3. México. Toledo V. (1996). Predicción de escurrimientos usando redes neuronales. Memorias del XVII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Guayaquil, Ecuador. Toledo V. (2006). Método para obtener el hidrograma unitario de una cuenca basado en distancias de escorrentía. Memorias del XXII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Venezuela. Este trabajo se presentó una metodología para el diseño de sistemas de alerta temprana en microcuencas, que considera criterios hidrológicos para la ubicación de los instrumentos de medición. La metodología define un área de la cuenca para ubicar los instrumentos. El caso de estudio muestra la posibilidad de prevención de inundaciones en los poblados de Pastores y Jocotenango, Guatemala, de acuerdo a las características físicas de la cuenca alta del río Guacalate, utilizando medidores de nivel y de lluvia. Se proponen los sitios para realizar dichas mediciones. Una alerta basada en la medición de niveles en los sitios propuestos, daría un margen de

7 Figura 1. Parteaguas de la cuenca, hidrografía, poblados y sitios propuestos de medición Tabla 1. Distancia de escorrentía de cada celda al punto más bajo

8 Tabla 2. Distancia de escorrentía, número de celdas, e hidrograma unitario Figura 2. Gráfica de los valores de la respuesta o hidrograma unitario HIDROGRAMA UNITARIO C a u d a l (m 3 /s e g ) Figura 3. Gráfica del caudal de salida de la cuenca para una lluvia uniforme Caudal de salida Tiempo (minutos x 10) Caudal m3/seg Tiempo (minutos x 10)