Automatización de la aplicación del Método Racional para la obtención de los caudales punta de avenida de los cursos fluviales de Catalunya

Transcripción

1 Automatización e la aplicación el Métoo Racional para la obtención e los cauales punta e avenia e los cursos fluviales e Catalunya Davi Maruny i Vilalta, ABM Ingenieros y Consultores, maruny@abmgroup.net Carles Corral Alexanri, carles.corral@gmail.com Agustí Pere Figueras i Romero, ABM Ingenieros y Consultores, afigueras@abmgroup.net 1 Introucción Dese el año 2002, la empresa ABM Ingenieros y Consultores (ABM) lleva trabajano e forma continua en iferentes contratos e asistencia técnica a la Agencia Catalana el Agua para la reacción e informes e expeientes aministrativos relacionaos con el ominio público hiráulico, lo cual requiere e la verificación e la caracterización hirológica en caa uno e los ámbitos e los informes. Para facilitar el análisis hirológico e acuero a los criterios técnicos establecios por la Agencia Catalana el Agua en el año 2003, se incorpora el entorno SIG en el proceso, aprovechano la isponibilia en Cataluña e la base e usos el suelo en formato raster y e la base geológica en formato vectorial a escala 1:50.000, la cual ABM analiza etallaamente para obtener una base raster e grupo e permeabilia el suelo. Varios años e aplicación manual el proceso e caracterización hirológica, con apoyo el entorno SIG, eviencian claramente que el proceso e trabajo e la asistencia técnica para la reacción e informes relacionaos con cauces y espacios fluviales se optimizaría en gran manera isponieno e una base SIG e caracterización hirológica en cualquier punto e la re fluvial. Fruto e estas reflexiones, en el año 2006 ABM se propone esarrollar la metoología y las herramientas necesarias para alcanzar el objetivo e generar una base hirológica que permita optimizar procesos e trabajo. Para ello, se analiza el alcance e las herramientas SIG isponibles para cálculos hirológicos y se aprovecha su potencial para generar y tratar las bases iniciales necesarias. Paralelamente, se establece el alcance el programa informático complementario que ebe permitir generar una base SIG e puntos e la re fluvial. Una vez completaa la automatización e cálculos y generaa la base hirológica en las cuencas e los ríos Torera, Ter, Fluviá y Muga, ABM verificó la utilia el aplicativo para análisis previos y valiación e atos hirológicos. Así mismo, se establecieron los límites e valiez e los cálculos realizaos e forma automática. A partir e la experiencia en el uso el aplicativo y sus ventajas e optimización e procesos e trabajo, en el año 2009 ABM planifica la realización e la base hirológica en toa la re fluvial e Cataluña, calculaa e acuero a bases e referencia acoraas con técnicos e la Agencia Catalana el Agua, con el objetivo e poner la información en plataforma web para el acceso remoto y compartir la información con técnicos externos a ABM que puieran estar interesaos en esta base e caracterización hirológica. La publicación y el acceso externo vía web se pone en funcionamiento a finales el año Actualmente ABM tiene abiertos nuevos proyectos e innovación relacionaos con la aaptación e esta aplicación: automatización e los cálculos e renaje longituinal en el proyecto e infraestructuras lineales, y automatización el cálculo e inunación potencial asociao a episoios e avenias extraorinarias.

2 2 Descripción e la automatización e la aplicación el Métoo Racional 2.1 Base conceptual el Métoo Racional El Métoo Racional permite calcular el caual punta e avenia a partir e unos valores característicos (superficie, tiempo e concentración y coeficiente e escorrentía) e la cuenca objeto e estuio y e la precipitación para un escenario concreto. Este métoo es aplicao munialmente meiante iferentes expresiones según el país o región e estuio. Concretamente, en España se ha venio utilizano la expresión que se recoge en la Instrucción 5.2-IC e Drenaje Superficial (MOPU, 1990), para el imensionamiento hiráulico e estructuras e renaje transversales y e estructuras e encauzamiento y protección, por extensión. Posteriormente a su publicación, y con la mejora e las herramientas e cálculo computacional se han io hacieno extensivas la aplicación e metoologías más complejas como son los moelos hirometeorológicos agregaos y istribuios. En cualquier caso, sigue sieno una primera herramienta vigente e cálculo para la valiación e cauales resultantes e la aplicación e otros métoos más complejos o para el imensionamiento e estructuras en cursos menores. La expresión el Métoo Racional aplicaa en España relaciona el caual punta e cálculo con el coeficiente e escorrentía, epeniente e la capacia e infiltración el suelo y e la precipitación el evento, e la superficie e la cuenca y e la intensia e precipitación, a su vez epeniente el volumen e precipitación y el tiempo e concentración e la cuenca. Así pues la forma e la expresión es la siguiente: óne: Q (m 3 /s) C I (mm/h) A (km²) K C I A Q K 3,6 caual punta coeficiente e escorrentía Máxima intensia e precipitación meia urante un intervalo e uración T c superficie e la cuenca coeficiente e uniformia óne a su vez: P' P' C 0 P' 1 P' P' P' ; ' 0 M * P0 P ; P' K A P I I I 1 I 0,1 0,1 28 Tc 0, ; P' I ; 24 K A log A 1 15 P (mm) M P 0 (mm) I (mm/h) 0, L Tc T c 0,30 ; K 1 0, j 14 Tc precipitación iaria para el perioo e retorno e cálculo coeficiente e corrección el umbral e escorrentía umbral e escorrentía Intensia meia iaria para el perioo e retorno e cálculo

3 I 1 (mm/h) K A T c (h) Intensia horaria para el perioo e retorno e cálculo Coeficiente e uniformia e precipitación Tiempo e concentración Valores el coeficiente e corrección el umbral e escorrentía Del conjunto e variables expuestas anteriormente, el valor el coeficiente e corrección el umbral e escorrentía (M) ha io evolucionano según iferentes referencia bibliográficas. Así pues, la Instrucción 5.2-IC e Drenaje Superficial (MOPU, 1990) consiera unos valores en la península ibérica entre 2 y 3 e forma promeio. Posteriormente, con la realización e los trabajos el Mapa e cauales máximos (CEDEX, 2009) se ha estuiao en mayor etalle obteniénose valores sensiblemente inferiores a los e la primera referencia y que se encuentran entre 0,5 y 2. En el caso particular e Cataluña, la publicación Recomenaciones técnicas para la reacción e estuios sobre zonas inunables e ámbito local (Agencia Catalana el Agua, 2003) establece un valor e icho coeficiente para too el ámbito territorial e su competencia e 1,3, mientras la publicación e la Instrucción e Drenaje establece un valor meio e 2,5 y la el Mapa e cauales máximos establece un valor entre 1,47 y 2,06. Figura 1 Distribución el coeficiente e corrección el umbral e escorrentía según Instrucción 5.2-IC Drenaje Superficial y Mapa e cauales máximos. 2.2 Proceso e automatización Información cartográfica utilizaa Con el fin e poer automatizar la aplicación el Métoo Racional, se llevó a cabo una recopilación e la información cartográfica y geográfica base. Concretamente, en el caso e la información referente a la istribución y magnitu e las precipitaciones máximas se consieraron os fuentes e atos. La primera correspone a los mapas e precipitaciones máximas generaas por el Servicio Meteorológico e Catalunya y que fueron obtenios meiante el análisis estaístico e máximas precipitaciones registraas en estaciones pluviométricas utilizano la istribución e Gumbel. Y la seguna fuente, correspone a los resultaos e la aplicación e la herramienta MAXPLU e la publicación Máximas lluvias iarias en la España Peninsular (Ministerio e Fomento, 1999) y que se basa en el análisis estaístico e máximas precipitaciones registraas utilizano la istribución e SQRT-ETmax.

4 Tabla 1 Relación y principales características e la información cartográfica y geográfica base utilizaa. Información Escala Fuente Moelo Digital e Elevaciones 30 m * 30 m ICC Umbral e Escorrentía 30 m * 30 m Elaboración propia 1 Principales cursos y cuencas fluviales 1: Agencia Catalana el Agua Precipitaciones 200 m * 200 m Servicio Meteorológico e Catalunya 1 km * 1km Ministerio e Fomento (1999) Tratamiento e la información orográfica Una vez recopilaa la información, se llevó a cabo el tratamiento el Moelo Digital e Elevaciones con el fin e poer eterminar los noos e aplicación el Métoo Racional en los cuales se ebe ientificar la cuenca tributaria para caa uno e ellos. Moelo Digital Elevaciones aaptao a los cursos fluviales Objetivo: obtener un Moelo Digital e Elevaciones en el que se asegure que la efinición e cauces siga la traza e los principales cursos fluviales. Herramienta: exetnsiones e analisis espacial en entorno SIG. Definición e marcos e trabajo Objetivo: ivisión el territorio en marcos e trabajos menores corresponientes a las principales cuencas ernanates, con el fin e poer aborar computacionalmente los posteriores tratamientos Herramienta: entorno SIG. Definción e irecciones e flujo Objetivo: creación e una cobertura e irecciones e flujo a partir e la irección e máxmima peniente entre celas el Moelo igital e Elevaciones Herramienta: extensión TAUDEM e análisis espacial en entorno SIG. Deficinón e areas renantes Objetivo: creación e una cobertura e noos one se les asocia la superficie contribuyente a caa uno e ellos Herramienta: extensión TAUDEM e análisis espacial en entorno SIG. Figura 2 Esquema secuencial seguio para el tratamiento e la información topográfica. 1 Elaborao a partir el tratamiento e la cobertura el Mapa Geológico e Catalunya a escala 1:50.000, el Mapa e Clasificación e los Usos el Suelo e Catalunya 30 m * 30 m (DMAH, 2004) y e la peniente el terreno erivaa el Moelo Digital e Elevaciones.

5 2.2.3 Automatización el cálculo el Métoo Racional Como resultao el tratamiento previo e la información orográfica, se ientificó la superficie tributaria para caa noo e la malla el Moelo Digital e Elevaciones y se caracterizó las irecciones principales e flujo marcaas por la máxima peniente e una cela a sus 8 celas colinantes. A partir e esta información orográfica trataa y a las coberturas e umbral e escorrentía y e precipitaciones máximas iarias, se generó el aplicativo MRcat, basao en lenguaje IDL, para la automatización el proceso e cálculo el Métoo Racional. Este aplicativo trata toa la información e partia como mallas cuaraas con información en caa noo, tratano tanto los prouctos intermeios como el resultao final comomallas cuaraas. De esta manera resulta al final una malla e cálculo con los valores e los cauales punta en caa uno e los noos e cálculo. Con el fin e establecer una valiez mínima e los valores obtenios, se eliminaron los resultaos para cuencas tributarias inferiores a 0,5 km 2 en el proceso e integración e los resultaos en la cobertura que recoge los resultaos para toos los perioos e retorno e cálculo. Figura 3 Diagrama e flujo el aplicativo MRcat para la automatización el Métoo Raciona para un perioo e retorno ao. Dóne los atos e entraa (vere) y el proucto final resultante (azul) son: Marc_DEM.asc malla el Moelo Digital e Elevaciones original. Marc_Dir.asc malla e irecciones e flujo obtenia el tratamiento e información orográfica. Marc_Area.asc malla e superficie tributaria obtenia el tratamiento e información orográfica. Marc_P0.asc malla e umbral e escorrentía. Marc_PTXXX.asc malla e precipitación iaria para el perioo e retorno XXX. Marc_Q_TXXX.asc malla caual punta para el perioo e retorno XXX en el punto e cálculo. Marc_Q.shp cobertura e los cauales punta obtenios para toos los perioos e retorno e cálculo. Debio al límite e la información cartográfica utilizaa y el ámbito e estuio (la comunia autónoma e Catalunya), los resultaos inicialmente obtenios tuvieron una serie e limitantes:

6 - - - Cuencas e la Muga y el Segre: tienen una parte e las cuencas e cabecera en territorio francés, one no se ispone e información relativa a umbrales e escorrentía ni a precipitaciones. En ambos casos se extrapolaron con los valores más próximos a la frontera obtenieno valores aproximaos. Noguera Ribagorzana y el Ebro: la mayor parte e las cuencas se encuentran fuera e territorio catalán y ebio a la restricción el ámbito e los trabajos, se eliminaron los valores e los cursos principales el Ebro y e la Noguera Ribagorzana. En cualquier caso, los valores e los cursos secunarios con tota su cuenca entro e Catalunya son válios y se han mantenio en la cobertura final. Zonas llanas con cursos y canales mal efinios ebio a la resolución el Moelo Digital e Elevaciones: se eliminaron los resultaos en el tramo bajo el Ter, algunos cauces y canales el llano e Lleia y el Delta el Ebro por tratarse e zonas con poco esnivel one la efinición e cuencas es conflictiva. 3 Herramienta e consulta pública e la cobertura e cauales punta Una vez obtenias las 15 coberturas resultantes e los cauales punta e cálculo para caa uno e los marcos e trabajo, se eciió en la empresa ABM hacer su consulta pública meiante un aplicativo web basao en un servior e mapas web. De esta manera, el usuario puee isponer e forma fácil y rápia e toos los parámetros e cálculo y resultaos e cauales punta e avenia en cualquier punto e la re fluvial. Para poer acceer al aplicativo e consulta, el usuario en primer lugar ebe entrar en la página web principal el servior e mapas web e ABM ( En caso e estar registrao, puee acceer con su nombre e usuario y clave e acceso. En caso e ser un nuevo usuario, esté pue arse e alta poniénose en contacto con el correo e contacto (informatica@abmgroup.net) y realizar una petición e acceso. Una vez acceio al sistema, el usuario isponrá e una relación e los principales servicios e mapas para las cuales ha sio habilitao, con los corresponientes links e acceso. A través e ellos, finalmente el usuario accee a la pantalla e visualización e la herramienta e consulta. Figura 4 Pantalla e visualización e la herramienta e consulta para la cobertura e cauales máximos e avenia en la cuenca el río Llobregat. En la pantalla e visualización e la herramienta e consulta, el usuario ispone en el margen izquiero e un menú e navegación espacial, en la margen erecha un menú e selección e ámbitos territoriales y one se visualizan los resultaos seleccionaos y en la parte superior e un menú contextual con iferentes opciones e selección. Una vez seleccionao uno e los noos en los que se iscretiza la re fluvial e cálculo, la herramienta evuelve en formato tabla los parámetros e cálculo y resultaos e cauales punta e avenia. Estos valores

7 pueen ser seleccionaos y meiante la opción e copiao pueen ser pegaos en una hoja e cálculo para poer ser representaos según el propio criterio y necesiaes el usuario. Tabla 2 Leyena e los parámetros que se obtienen tras la selección e un noo en el aplicativo e consulta. Parámetro Uniaes Valores en el punto e cálculo seleccionao UTM_X (m UTM) Coorenaa X (UTM) UTM_Y (m UTM) Coorenaa Y (UTM) AREA (km²) Superficie e la cuenca tributaria P0 (mm) Umbral e escorrentía inicial sin aplicar factor regional e corrección DIST1 (m) Longitu el curso más largo PENDENT1 (m/m) Peniente meia el curso más largo INCZ1 (m) Desnivel máximo el curso más largo TC1 (h) Tiempo e concentración e la cuenca PMMNTxxx (mm) Precipitación meia iaria para a T=XXX años e acuero con la base e "Máximas Lluvias Diarias en la España" PMSMCxxx (mm) Precipitación meia iaria para a T=XXX años e acuero con la base e la Cobertura el Servicio Meteorológico e Catalunya Q1_Mxxx (m³/s) Caual punta e avenia asociao a un episoio e precipitación e T=XXX años e acuero con la base e "Máximas Lluvias Diarias en la España" Q1_Sxxx (m³/s) Caual punta e avenia asociao a un episoio e precipitación e T=XXX años e acuero con la base e la Cobertura el Servicio Meteorológico e Catalunya Imperm (tanto por uno ) Grao e impermeabilización meia e la cuenca tributaria 4 Estuio e sensibilia espacial ebio a variaciones en la cobertura el suelo y e los volúmenes e precipitación Al isponer e un gran volumen e atos espaciales e cauales punta e avenia, éstos tienen un potencial uso para su explotación ya análisis erivaos. Así pues, ABM eciió hacer un pequeño estuio interno e análisis e sensibilia espacial e los cauales punta e avenia ebio a las variaciones e los umbrales e escorrentía y e los volúmenes e precipitación máxima, que porían responer a los variaciones e las coniciones en la cobertura vegetal que puiera proucirse por los efectos, entre otros, e incenios o el posible cambio climático. En primer lugar, se efinieron unos escenarios e variación e la cobertura el usos el suelo suponieno unos ecrementos e 0, 5, 10 y 15 % e los valores el umbral e escorrentía y e las precipitaciones máximas iaria, para los escenarios e 10 y 100 años e perioo e retorno, suponieno unos incrementos e 0, 5, 10 y 15 % e los valores e la cobertura isponible. Al ser un estuio promovio internamente, éste fue acotao territorialmente a algunos e los principales cursos fluviales en la provincia e Girona, cuencas e la Muga, Fluvià y Costa Brava Norte.

8 Así pues, resultaron 15 nuevas coberturas e cauales máximos corresponientes a caa uno e los nuevos escenarios efinios. Estos resultaos pueen ser comparaos respecto a los obtenios e la cobertura el escenario original obteniénose la variación espacial (por ejemplo en porcentaje) entre ambos. Incremento e Caual < 10 % 10 % - 25 % 25 % - 50 % 50 % % > 100 % Figura 5 Diferencia e cauales (%) para un perioo e retorno e 100 años, en las cuencas e la Muga, Fluvià y Costa Brava Norte, entre los valores e cauales resultantes el escenario e isminución e un 10 % el umbral e escorrentía y incremento e un 10 % e la precipitación meia iaria respecto a los resultaos originales. Tal y como se puee observar en la tabla ajunta, la sensibilia e los resultaos obtenios es ligeramente superior en los casos e variaciones el umbral e escorrentía que en los casos e variaciones e las precipitaciones máximas. Así mismo, las variaciones en ambos casos son superiores para eventos pluviométricos e menor perioo e retorno (T=10 años) ebio a la mayor influencia que tiene sobre el coeficiente e escorrentía cuano los valores e la precipitación iaria corregia (P ) y el umbral e escorrentía corregio (P 0 ) son el mismo oren e magnitu. Tabla 3 Diferencias meias e toos los noos e cálculo en las cuencas e la Muga, Fluvià y Costa Brava Norte entre los valores e cauales e los iferentes escenarios analizaos respecto a los resultaos originales. T=10 años T=100 años P 24 (+0%) P 24 (+5%) P 24 (+10%) P 24 (+15%) P 24 (+0%) P 24 (+5%) P 24 (+10%) P 24 (+15%) P 0 (-0%) - 11 % 23 % 35 % - 9 % 18 % 28 % P 0 (-5%) 6 % 18 % 30 % 43 % 4 % 13 % 23 % 32 % P 0 (-10%) 12 % 25 % 37 % 50 % 8 % 17 % 27 % 37 % P 0 (-15%) 19 % 32 % 45 % 58 % 12 % 22 % 32 % 42 %

9 5 Conclusiones La facilia e acceso e información geográfica e calia permite la automatización e procesos e cálculo que hasta hace relativamente poco tiempo se realizaban e forma manual y repetitiva. El Métoo Racional es una metoología simplificaa que históricamente ha permitio calcular el caual punta e avenia a partir e unos valores característicos (superficie, tiempo e concentración y coeficiente e escorrentía) e la cuenca objeto e estuio y e la precipitación para un escenario concreto. Este métoo viene sieno aplicao munialmente meiante iferentes expresiones según el país o región e estuio. Actualmente, y con la mejora e las herramientas e cálculo computacional se han io hacieno extensivas la aplicación e metoologías más complejas como son los moelos hirometeorológicos agregaos y istribuios. En cualquier caso, sigue sieno una primera herramienta vigente e cálculo para la valiación e cauales resultantes e la aplicación e otros métoos más complejos o para el imensionamiento e estructuras en cursos menores. En este sentio, la empresa ABM, como resultao e un a necesia e optimización e su activia técnica, ha promovio y generao e forma inepeniente la creación e una base hirológica e toa la re fluvial e Catalunya con los resultaos e la aplicación automatizaa el Métoo Racional según las recomenaciones recogias en la ocumentación e referencia e la Agencia Catalana el Agua para la reacción e estuios sobre zonas inunables e ámbito local. A finales el año 2010, la empresa ABM ha hecho público el acceso vía web ( a los resultaos e estos procesos así como la herramienta e visualización y consulta para técnicos externos que puieran estar interesaos. Tanto la metoología utilizaa como las herramientas generaas pueen ser empleaas para la realización e estuios e sensibilia espacial e los cauales resultantes para iferentes hipótesis e evolución pluviométrica y e cobertura el suelo, siempre limitaos a las capaciaes el propio Métoo Racional. Actualmente ABM tiene abiertos nuevos proyectos e innovación relacionaos con la aaptación e esta aplicación: automatización e los cálculos e renaje longituinal en el proyecto e infraestructuras lineales, y automatización el cálculo e inunación potencial asociao a episoios e avenias extraorinarias. 6 Referencias bibliográficas MOPU, Instrucción 5.2-IC e Drenaje Superficial Agencia Catalana el Agua, Recomenaciones técnicas para la reacción e estuios sobre zonas inunables e ámbito local. Antonio Jiménez Álvarez, El Mapa e Cauales Máximos en España. Base teórica y conceptual. CEDEX.