CAPÍTULO 10. Antonio Capella Vizcaino 1. MODELO UNIDIMENSIONAL

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1 CAPÍTULO 10 MODELACIÓN DE LOS ESCURRIMIENTOSY NIVELES PROVOCADOS POR EL EVENTO DE 2007 Y DE LOS CORRESPONDIENTES A LAS SOLUCIONES PROPUESTAS EN LOS RIOS Y LAGUNAS ALREDEDOR DE VILLAHERMOSA Antonio Capella Vizcaino Coordinación de Hidráulica 1. MODELO UNIDIMENSIONAL Los escurrimientos, así como los niveles en ríos y lagunas alrededor de Villahermosa durante el evento de octubre-noviembre de 2007, se reprodujeron mediante el empleo de un modelo unidimensional para el cálculo del flujo variado en ríos, el cual considera a las lagunas como almacenamientos. El modelo usado fue el SWMM (Storm Water Management Model) desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) (USEPA, 2008). La zona modelada abarca desde la llegada de los escurrimientos por el río Carrizal, aguas arriba de Villahermosa, hasta la descarga del río Grijalva a la altura del río Chilapilla; para el río de la Sierra el tramo comprendido desde 25 km aguas arriba de su confluencia con el Grijalva hasta esta confluencia; las lagunas La Parrilla con los escurrimientos provenientes del río Pichucalco y los de su cuenca propia con la descarga por el cauce del viejo Mezcalapa al río de la Sierra; y la laguna Zapotes con los escurrimientos de su cuenca propia y sus descargas al río Grijalva por los cauces Zapotes 1 y 2. La Fig muestra el esquema en planta de la zona de estudio en el modelo señalando los puntos de entrada de los escurrimientos mencionados. La descarga del río Grijalva a la altura del río Chilapilla se consideró constante a la elevación del agua de 2.4 msnm que corresponde razonablemente bien a la situación real durante el evento de Variaciones pequeñas de esta elevación tienen una influencia despreciable aguas arriba en los niveles del agua en la zona de interés, especialmente a la altura de Villahermosa y en las lagunas.

2 Plan Hídrico Integral de Tabasco VILLAHERMOSA RIO GRIJALVA 1.-ESC MEZCALAPA PORVENIR CAUCES ZAPOTE 1 Y 2 LAG ZAPOTES 4.-ESC LAG PARRILLA 3.-ESC PICHUCALCO LAG PARRILLA 5.-ESC LAG ZAPOTE DESBORDE RIO SIERRA RIO DE LA SIERRA 2.-ESC RIO DE LA SIERRA Figura Esquema generado por el modelo unidimensional SWMM para la zona de estudio Durante el evento de 2007, el río de la Sierra se desbordó en diversos puntos. La información disponible sobre las longitudes de desbordamiento y las alturas que alcanzó el agua permitieron estimar que el gasto máximo que se desbordó fue del orden de 2,500 m 3 s -1 en el momento más crítico. Este desbordamiento se reprodujo en el modelo con el vertedor señalado en el esquema con el No. 5 que une el río de la Sierra con la laguna del Zapotes. 2. DATOS DISPONIBLES PARA ALIMENTAR EL MODELO 1D Los escurrimientos que se midieron entrando a la zona y los estimados de las cuencas propias de las lagunas durante el evento de 2007 se muestran en las Figs a Dichos escurrimientos alimentaron al programa unidimensional. 540

3 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos Figura Escurrimientos medidos para la cuenca del río Mezcalapa Figura Escurrimientos medidos para la cuenca del río de la Sierra 541

4 Plan Hídrico Integral de Tabasco Figura Escurrimientos medidos para la cuenca del río Pichucalco Figura Escurrimientos medidos para la cuenca propia de las Lagunas Parrilla y Zapotes Los escurrimientos por cuenca propia en las lagunas La Parrilla y Zapotes son iguales, esto debido a que sus cuencas propias y áreas de laguna son aproximadamente iguales. Dichos escurrimientos fueron estimados a partir de los registros de precipitación y suponiendo un coeficiente de escurrimiento de 1, que corresponde a una hipótesis conservadora. 542

5 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos A continuación se muestra en las Figs y 10.7 los perfiles de los ríos obtenidos con el programa SWMM. Confluencia río de la Sierra Descarga derivación Chilapilla Descarga Zapote 1 FONDO Figura Perfil del nivel de agua en el río Grijalva DESBORDAMIENTO A LAG ZAPOTES CONFLUENCIA CON RIO GRIJALVA CONFLUENCIA VIEJO MEZCALAPA Figura Perfil del nivel de agua en el río de la Sierra 543

6 Plan Hídrico Integral de Tabasco 3. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN Los niveles obtenidos en el punto correspondiente a la estación hidrométrica (EH) Porvenir (río Grijalva frente a la laguna Los Zapotes) y los observados en las lagunas la Parrilla y Zapotes, que son los que rodean a Villahermosa, se muestran en la Fig Figura Niveles de agua para Porvenir y las lagunas Parrilla y Zapotes Los niveles de la Fig reproducen con gran aproximación los valores observados y reportados durante las inundaciones del año En particular para reproducir los niveles observados en la laguna Zapotes, los gastos del desbordamiento del río de la Sierra debieron presentarse como se muestra en la Fig Figura Gastos de desbordamiento simulados en el vertedor del río de la Sierra

7 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos El gasto máximo observado en la Fig fue mayor que los 2,500 m 3 s -1 estimados previamente en el momento más crítico (ver Sección 1). Este vertido se reprodujo en el modelo suponiendo una cota de desbordamiento de 7.3 msnm y una longitud de vertido de 1000 m. Otros gastos calculados en diversos puntos de los cauces se muestran en las Figs a a) b) Figura Gastos observados en el río Grijalva: a) en el Porvenir y b) aguas abajo de Zapotes I 545

8 Plan Hídrico Integral de Tabasco a) b) Figura Gastos observados en el río de la Sierra: a) en Villahermosa y b) aguas abajo del desbordamiento 546

9 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos Figura Gastos observados en el río viejo Mezcalapa (conexión Parrilla con el río de la Sierra) Figura Gastos observados en los cauces Zapotes I y II 547

10 Plan Hídrico Integral de Tabasco Los gastos de las Figs a son similares a los observados, excepto el gasto reportado frente a Villahermosa en la estación el Porvenir donde se reportó un gasto de 3,200 m 3 s -1 y el análisis arroja un gasto poco mayor de 2,200 m 3 s -1. Sin embargo, todos los análisis muestran que este gasto reportado de 3,200 m 3 s -1 está sobre-estimado y no es congruente con el resto de las mediciones hechas. Lo anterior se basa en que el gasto parece haberse estimado a partir de los niveles con una curva de relación niveles-gastos que no toma en cuenta el efecto de remanso producido en este caso. El gasto máximo en el río Grijalva, aguas abajo de la descarga de Zapotes I (ver Fig ), llega a cerca de 3,400 m 3 s -1 y es la única descarga para todos los escurrimientos que entraron en la zona. Lo anterior deja evidente que la capacidad de desalojo por el río Grijalva es insuficiente para los gastos y volúmenes influentes a la zona, lo que da lugar a los altos niveles máximos observados, y que se mantuvieron altos durante un tiempo prolongado (cerca del mes). Dado que los gastos máximos requieren gradientes, en la Fig se observa el perfil de niveles máximos a lo largo del río Grijalva desde Villahermosa hasta Chilapilla. Figura Perfiles de niveles máximos a lo largo del río Grijalva: Villahermosa a Chilapilla. 548

11 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos En la Fig se observa que se requieren cerca de 6 m de desnivel de la superficie del agua para descargar esos gastos a la elevación 2.4 m (altura de Chilapilla), lo que lleva a niveles del agua cercanos a la cota 8 m en Villahermosa. También es significativo la necesidad de un gradiente mayor en el tramo de 5 km aguas abajo de Villahermosa. El nivel de casi 8 m a la altura de Villahermosa genera un remanso en el río de la Sierra como muestra el perfil de niveles máximos a lo largo de este río (Fig ). Figura Perfil de niveles máximos en el río de la Sierra Este remanso genera que la conexión entre la laguna La Parrilla y el río de la Sierra funcione con flujo hacia la laguna en los momentos críticos y que se invierta el sentido del flujo cuando éstos pasan para vaciar muy lentamente esta laguna. Los gastos y niveles calculados para la conexión del cauce viejo del río Mezcalapa se muestran la Fig

12 Plan Hídrico Integral de Tabasco a) b) Figura a) Gastos de la laguna La Parrilla al río de la Sierra y b) elevaciones del nivel de agua en la laguna La Parrilla 4. CONCLUSIONES DEL ANÁLISIS DE LAS CRECIENTES OCURRIDAS EN 2007 La situación observada en la zona de estudio mostró la presencia de gastos y volúmenes escurridos hacia la zona de Villahermosa extraordinariamente altos, al corresponder a un periodo de retorno de 100 años. Asimismo, estos gastos y volúmenes presentan una sola salida por el cauce del río Grijalva, la cual es insuficiente para desalojarlos con eficiencia generando niveles de agua que llegan a elevaciones entre 7 y 8 msnm alrededor de Villahermosa, con los correspondientes desbordamientos. La falta de capacidad de desalojo de agua se debe, en buena medida, a la interrupción de los flujos a través de las lagunas y su interacción con los cauces debido a la construcción de bordos en márgenes de ríos, carreteras, etc., y a la presencia de puentes con pasos insuficientes para desalojar gastos y volúmenes de esa magnitud. Este problema se ilustra en la Fig donde se muestra la 550

13 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos interrupción del flujo natural desde la laguna Zapotes a la laguna Don Julián debido a la carretera al Aeropuerto. AEROPUERTO LAGUNA ZAPOTES LAGUNA DON JULIÁN CONEXIÓN INTERRUMPIDA Figura a) Interrupción de flujo de la laguna Zapotes a la laguna San Julián Con respecto al cauce del río de la Sierra en el tramo que pasa por Villahermosa y varios kilómetros aguas arriba se concluyó que es insuficiente para los gastos que llegaron. Esta insuficiencia genera derrames a la laguna Zapotes y, en los momentos más críticos, escurrimientos hacia la laguna Parrilla. Por esa razón, la laguna la Parrilla presenta un vaciado muy lento después de pasados los períodos críticos, lo cual, aunado a la también insuficiente capacidad del Cauce Viejo del Mezcalapa para desalojar la laguna de la Parrilla con rapidez, genera desbordamiento por otros puntos como se presenta en la Fig

14 Plan Hídrico Integral de Tabasco RÍO PICHUCALCO LA PARRILLA RÍO MEZCALAPA ZONA DE DESBORDAMIENTO RÍO DE LA SIERRA Figura Sitios de desbordamiento a lo largo del Cauce Viejo del Mezcalapa Ante esta situación se presentan algunas medidas a tomar para evitar inundaciones como las ocurridas en octubre-noviembre de 2007: 4.1 Medidas principales para evitar las inundaciones en Villahermosa y reducir los daños en las zonas circundantes A. Obras en el canal Samaria para que las descargas de las presas puedan hacerse sin condicionamientos por los riesgos en Villahermosa. B. La seguridad de las presas debe tener una alta prioridad, ya que una falla de éstas se convertiría en un desastre inaceptable por los enormes riesgos de proporciones impensables. C. La estructura del Macayo debe ser terminada para poder cortar los flujos del río Carrizal durante situaciones críticas como la ocurrida en el evento de D. Dado que los gastos que pueden escurrir desde el río de la Sierra y el Pichucalco no pueden ser desalojados por el cauce del río Grijalva sin provocar inundaciones, se recomienda crear vías de desalojo alternas comunicando las lagunas Parrilla y Zapotes entre sí y con los cauces. 552

15 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos A continuación se proponen obras a construir para evitar las inundaciones en Villahermosa y zonas aledañas considerando dos etapas: una para ser realizada en 2009 y la segunda para Obras propuestas para 2009 (Primera Etapa) a) Terminación de la estructura del Macayo b) Estructuras de vertido del río de la Sierra hacia la laguna Zapotes para que el derrame que tiene lugar en forma natural aumente a 3,000 m 3 s -1 de manera controlada, es decir, por sitios elegidos y a partir de los niveles deseados. Esto puede ser hecho con varios tramos de vertedor en distintas ubicaciones, con la salvedad de que a la cota 5 msnm se necesita una longitud de vertido de 300 m c) Dragado del cauce Zapotes I para que su conexión con el Grijalva llegue a la elevación -2 msnm d) Aumento de la capacidad de la derivación Tintillo, con una longitud de vertido de 180 m y desde la cota 4 Al analizar el efecto de estas medidas sobre los niveles en las lagunas y en el cauce del río Grijalva en el Porvenir con el modelo SWMM se tiene que con sólo cortar el flujo por el Carrizal, los niveles de agua se abatirían como se muestra en la Fig Figura Niveles de agua al cortar el flujo del río Gijalva en el Porvenir 553

16 Plan Hídrico Integral de Tabasco En la Fig se observa que el efecto en los niveles en la estación Porvenir es muy importante, ya que se reduce el nivel máximo de la elevación 7.5 a la elevación 5.7 msnm. Sin embargo, el efecto en las lagunas es menor, reduciendo los niveles de la elevación 8 a la elevación 7.6 msnm. Al aumentar el desbordamiento del río de la Sierra a la laguna Zapotes, se debe dar más capacidad de vaciado a la laguna mediante obras en el cauce Zapotes 1 y aliviando los niveles en el Grijalva con el aumento de capacidad de la derivación del Tintillo hacia la laguna Don Julián (Fig ). Con estas medidas se abatirían los niveles de las lagunas a la elevación 7 m, es decir 60 cm adicionales para bajar en total 1 m, y en el Porvenir se disminuiría unos 20 cm más para reducirse 2.5 m en total. Figura Niveles de agua aumentando la capacidad de vaciado de la laguna Zapotes La Fig muestra los gastos derivados del río de la Sierra. 554

17 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos Figura Gastos obtenidos en el vertedor del río de la Sierra Si se comparan los gastos de la Fig con los del desbordamiento natural (Fig ) puede verse que el gasto máximo no es mayor pero sí los volúmenes derivados a la laguna Zapotes, lo cual es relevante para los niveles máximos en la laguna Parrilla. DESBORDAMIENTO NATURAL Y CONTROLADO DEL RÍO DE LA SIERRA 3,500 3,000 GASTOS EN m3/seg 2,500 2,000 1,500 1, DÍAS Figura Gastos obtenidos en el vertedor del río de la Sierra sin y con vertedor Por su parte, las descargas por los cauces Zapotes 1 y 2 se muestran en la Fig , donde puede verse el aumento de gasto desde Zapotes 1 hasta 1,400 m 3 s -1. La Fig muestra las descargas en la escotadura en Tintillo con 180 m de ancho. 555

18 Plan Hídrico Integral de Tabasco Figura Descarga por los cauces Zapotes I y II Figura Descarga por la escotadura en Tintillo 556

19 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos Con respecto a los perfiles de los niveles máximos de agua que se alcanzan en el río Grijalva y en el río de la Sierra, éstos se presentan las Figs y 10.26, respectivamente. Figura Perfil del nivel máximo de agua alcanzados en el río Grijalva Figura Perfil del nivel máximo de agua alcanzados en el río de la Sierra 557

20 Plan Hídrico Integral de Tabasco Obras propuestas para 2010 (Segunda Etapa) Las obras adicionales para completar las propuestas en la primera etapa y evitar las inundaciones son las siguientes: a) Mejorar el flujo desde la laguna la Parrilla hacia el río de la Sierra con una conexión como zona de desbordamiento (ver Fig ). Esta conexión tendrá un ancho de 200 m y a la elevación 4.5 msnm en la entrada al río b) Aumentar los gastos de desbordamiento del río de la Sierra hacia la laguna Zapotes incrementando la longitud de los vertedores de la primera etapa de 300 a 400 m, a la cota 5, y agregando un vertedor a la cota 4.5 y de 200 m de longitud situado en el lugar más cercano posible a la confluencia del Mezcalapa c) Para aumentar la capacidad de vaciado de la laguna Zapotes, la cual recibirá volúmenes mayores, se construirá un vertedor hacia la laguna Don Julián (ver Fig ), con una longitud de 400 m aproximadamente y a la cota 4. Esta es la obra más importante para bajar los niveles en toda la zona alrededor de Villahermosa, es decir los de las lagunas Parrilla y Zapotes. La obra puede ser un viaducto de 400 m sobre la carretera al Aeropuerto La Fig identifica las obras mencionadas. OBRAS DE LA SEGUNDA ETAPA NUEVO VERTEDOR SIERRA-ZAPOTES VERTEDOR ZAPOTES-DON JULIÁN CONEXIÓN PARRILLA-ZAPOTES AUMENTO DE LONGITUD VERTEDOR SIERRA-ZAPOTES Figura Obras propuesta durante la segunda etapa a realizarse en el año

21 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos Con base en las obras propuestas y, como en la primera etapa, cortando los escurrimientos del río Carrizal, los niveles que se alcanzarían con los gastos de 2007 en las lagunas Parrilla y Zapotes y en Porvenir se presentan en la Fig Figura Niveles de agua con los gastos de 2007 una vez cortados los escurrimientos del río Carrizal En la Fig se observa la reducción en los niveles, en msnm, con relación a los niveles presentados en 2007,los cuales disminuyeron de la manera siguiente: En la laguna la Parrilla de 8.20 m a 6.20 m. En la laguna Zapotes de 7.95 m a 5.80 m. En Porvenir de 7.50 m a 4.75 m. De este modo resulta importante construir todos los bordos alrededor de Villahermosa a la cota 7 msnm quedando bordos libres de 1 a 2 m. Con respecto a los gastos de vertido desde el río de la Sierra a Zapotes la Fig muestra dos condiciones con uno y dos vertedores. 559

22 Plan Hídrico Integral de Tabasco Figura Gastos de vertido en el río de la Sierra con uno y dos escotaduras La suma de los gastos de vertido de rio de la Sierra a Zapotes se compara con los gastos del desbordamiento natural y se presenta la Fig DERIVACIONES DEL RÍO DE LA SIERRA A ZAPOTES COMPARADAS CON EL DESBORDAMIENTO NATURAL 3,500 3,000 GASTOS m3/seg 2,500 2,000 1,500 1, DÍAS Figura Gastos de vertido en el río de la Sierra con uno y dos escotaduras Los gastos vertidos desde Zapotes a Don Julián se muestran en la Figs

23 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos Figura Gastos de vertido desde los Zapotes a la laguna Don Julián Los gastos vertidos de los cauces Zapotes I y II se presentan en la Fig Figura Gastos de vertido de los cauces Zapotes I y II 561

24 Plan Hídrico Integral de Tabasco Por su parte, los gastos de descarga de la laguna Parrilla y el gasto por el río Grijalva aguas abajo de Zapotes 1 se indican en la Fig y 10.33, respectivamente. Figura Gastos de descarga de la laguna Parrilla Figura Gastos por el río Grijalva aguas abajo de Zapotes 1 562

25 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos Los gastos anteriores sumados a los vertidos de Zapotes a Don Julián dan lugar a los gastos mostrados en la Fig DESCARGAS DE LA ZONA DE VILLAHERMOSA GASTOS 4,500 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1, TOTAL VERTEDOR ZAPOTES-DON JULIÁN GRIJALVA DÍAS Figura Gastos por el río Grijalva más los vertidos de Zapotes a Don Julián De esta manera, las obras propuestas permitirán aumentar el gasto máximo de descarga de 3,250 m 3 s -1 a 4,000 m 3 s -1 con niveles más bajos en 2 m en las lagunas y de 2.70 m en Porvenir. La reducción de los niveles en la laguna la Parrilla se muestra en la Fig , mientras que los niveles en la laguna Zapotes se presenta en la Fig NIVELES EN LA LAGUNA LA PARRILLA PARA LOS GASTOS OCURRIDOS EN msnm DÍAS Figura Reducción en los niveles de la laguna Parrilla con las obras propuestas 563

26 Plan Hídrico Integral de Tabasco NIVELES EN LA LAGUNA ZAPOTES msnm DÍAS Figura Reducción en los niveles de la laguna Zapotes con las obras propuestas En el río Grijalva, en el Porvenir, los niveles se reducen de acuerdo con la Fig NIVELES EN EL PORVENIR msnm DÍAS Figura Reducción en los niveles de la laguna Zapotes con las obras propuestas Los perfiles de niveles máximos a lo largo de los ríos Grijalva y de la Sierra con las obras propuestas se presentan en las Figs y 10.38, respectivamente. 564

27 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos Figura Perfil de los niveles máximos alcanzados con las obras propuestas a lo largo del río Grijalva Figura Perfil de los niveles máximos alcanzados con las obras propuestas a lo largo del río de la Sierra 565

28 Plan Hídrico Integral de Tabasco En resumen, las obras propuestas son: 1. Terminar la estructura del Macayo para cortar los escurrimientos hacia el Carrizal 2. Construir vertedores laterales en el río de la Sierra: con 400 m de cresta y 5 m de elevación y con 200 m de cresta y 4.5 m de elevación para descargar a la laguna Zapotes 3. Construir una conexión entre la laguna Parrilla y el río de la Sierra a la cota 4.5 y con 200 m de ancho 4. Bajar la plantilla del cauce Zapotes 1, en su descarga, a la cota -2 msnm. 5. Construir un canal de derivación de la laguna Zapotes a la laguna Don Julián con un vertedor de 400 m de longitud de cresta y a la cota 4 msnm. Como se mencionó estas obras permiten reducir los niveles de agua bajo condiciones similares al evento de 2007 de la manera siguiente: En la laguna la Parrilla de 8.20 m a 6.20 m. (2 m) En la laguna Zapotes de 7.95 m a 5.80 m. (2.15 m) En Porvenir de 7.50 m a 4.75 m. (2.75 m) Eventos con período de retorno de 500 años Adicionalmente, se realizaron análisis hidrológicos para un periodo de retorno de 500 años donde los escurrimientos son aproximadamente 20% mayores que los ocurridos en Así, cortando los flujos por el Carrizal para estos escurrimientos se obtiene la Fig

29 Capítulo 10. Modelación de los escurrimientos Figura Niveles máximos obtenidos para los escurrimientos correspondientes a un evento con periodo de retorno de 1000 años Es decir, los niveles subirían 50 cm y quedaría un bordo libre más reducido que antes pero suficiente para contener el flujo de agua. 5. REFERENCIAS USEPA (2008). Storm Water Management Model (SWMM) Versión Página Web consultada en Junio de