Ciencia de la crecida repentina

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1 Capítulo 2 Ciencia de la crecida repentina Una crecida repentina generalmente se define como una inundación de corta duración que alcanza un caudal máximo relativamente alto (Organización Meteorológica Mundial). La Asociación Meteorológica Americana la define como una inundación que crece y baja rápidamente con poca o ninguna advertencia, usualmente como resultado de lluvia intensa sobre un área relativamente pequeña. El Servicio Meteorológico Nacional de Estados Unidos emplea una definición más detallada: Una inundación rápida con caudal extremadamente alto en un área normalmente seca, o una crecida rápida del nivel del agua de un río o quebrada por encima del nivel de inundación predeterminado, que ocurre típicamente dentro de las 6 horas siguientes al evento causante (ej., lluvia intensa, ruptura de una represa o liberación del agua atrapada en el hielo). Sin embargo, el tiempo real de ocurrencia podría variar en diferentes partes del país. Una inundación continua se puede intensificar a crecida repentina en casos donde lluvia intensa resulta en una crecida rápida de las aguas de inundación. Sin importar cuál definición se utilice, las características distintivas de una crecida repentina significan que los procesos de pronóstico son muy diferentes para esta amenaza que para otros tipos de fenómenos hidrometeorológicos. Las crecidas repentinas pueden ser causadas por una variedad de eventos incluyendo lluvia intensa, rompimiento de una estructura natural (ej., escombros de un lago glacial) o hecha por el hombre (ej., represa, dique) que embalsa agua o el embalse súbito de agua río arriba de una presa de hielo. Las crecidas repentinas pueden tener muchas causas; este documento sólo se ocupa de la más común, las lluvia intensa. Qué contiene este capítulo? Este capítulo debe ser leído por personas que requieren una comprensión básica de la hidrología asociada con crecidas repentinas causadas por lluvias fuertes. El capítulo examina brevemente cómo las características del suelo, los rasgos de la cuenca, la densidad de drenaje y el uso de la tierra afectan el desarrollo y la intensidad de las crecidas repentinas. Procesos de crecida repentina Las crecidas repentinas o avenidas son eventos hidrológicos de desarrollo rápido que pueden ser difíciles de pronosticar. La combinación de lluvia fuerte con procesos de producción de escorrentía rápidos y a menudo eficientes es común a la mayoría de los eventos de crecida repentina. Por lo tanto, la naturaleza de la lluvia y los procesos anticipados de escorrentía son 2-12 Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas

2 Figura 2.1 Proceso de predicción de crecidas elementos clave en el proceso de predicción. La siguiente figura (Fig. 2.1) describe el proceso general de predicción de crecidas y cómo las crecidas repentinas se relacionan con ese proceso más amplio. En general, entre mayor sea la intensidad de la precipitación, mayor probabilidad de que se genere escorrentía superficial significativa. Una mayor intensidad de precipitación puede resultar en más escorrentía porque el suelo no puede absorber el agua lo suficientemente rápido. Aunque la saturación previa del suelo aumenta el riesgo de crecida repentina, muchas crecidas súbitas ocurren cuando el suelo no está saturado. Las crecidas repentinas pueden ocurrir y de hecho ocurren con suelos secos y condiciones de sequía. Las influencias hidrológicas de la superficie del suelo pueden tener un impacto mayor sobre el momento, la ubicación y la severidad de una crecida repentina. Aunque a menudo se considera que la lluvia es el factor más importante para predecir inundaciones, lo que ocurre con la lluvia una vez que está en el suelo a veces puede tener mayor importancia. En algunos casos, los procesos de producción de escorrentía podrían ser más importantes que las características de la lluvia. Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 2-13

3 Efectos hidrológicos Efectos del suelo Existen tres propiedades críticas del suelo que considerar cuando se evalúa el riesgo de crecida repentina: (1) humedad del suelo, y en particular el grado de saturación, (2) permeabilidad del suelo, incluidas las alteraciones a la superficie como compactación, pavimento e incendios, y (3) perfil del suelo. La humedad del suelo se considera el factor del suelo más importante para la escorrentía rápida y una crecida repentina, especialmente en áreas con suelos profundos. Si el suelo está saturado no permitirá la infiltración de lluvia adicional y toda la lluvia se convierte en escorrentía sin importar otras condiciones ambientales. Por otra parte, muchas crecidas repentinas ocurren en áreas con suelos subsaturados. El suelo seco tiene una tasa específica a la que puede absorber la lluvia, llamada capacidad de infiltración. Si la tasa de caída de lluvia excede la capacidad de infiltración, habrá escorrentía. Este proceso, llamado flujo superficial del exceso de infiltración, resulta en la producción rápida y eficiente de escorrentía aún en condiciones secas. La tasa de infiltración de lluvia también puede ser afectada por la permeabilidad del suelo. Un indicador utilizado comúnmente de la permeabilidad del suelo es la textura del suelo. La textura del suelo es una propiedad que se usa para describir la proporción relativa de los diferentes tamaños de granos de las partículas minerales en un suelo. Algunas otras propiedades del suelo que podrían determinar la tasa de permeabilidad del suelo son la formación de corteza, la compactación del suelo, la contracción y expansión del suelo, la actividad microbiana, la conductividad hidráulica del suelo y la distribución de raíces. Como se indica en la Figura 2.2, la arcilla, y en menor grado el limo, pueden resultar en bajas tasas de infiltración y escorrentía rápida durante lluvia intensa. Los suelos arenosos, en contraste, permiten mayor infiltración debido a que hay espacios más amplios entre las partículas. Como regla general, es más probable que la escorrentía producida por lluvia intensa sea más rápida y mayor en suelos arcillosos que arenosos. Pero las alteraciones a la superficie como el pavimento, la compactación y los incendios pueden tener una influencia todavía mayor que la textura del suelo y generar una escorrentía muy rápida aún en condiciones secas. Los incendios forestales pueden alterar las propiedades del suelo de tal Figura 2.2 Variación en la infiltración por textura del suelo Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas

4 Capítulo 2: Ciencia de la crecida repentina forma que las áreas quemadas se tornan hidrofóbicas, es decir, tienden a repeler y no absorber el agua, por semanas o hasta años después de un incendio; de hecho, el mayor riesgo de crecida repentina ocurre después de incendios de alta intensidad en bosques coníferos. Además de la humedad del suelo y la permeabilidad del suelo, los perfiles del suelo también pueden influenciar los procesos hidrológicos de las crecidas repentinas. Sin embargo, dependiendo de la intensidad de la lluvia y las escalas espaciales y temporales del evento de crecida repentina, la influencia del perfil del suelo puede ser pequeña comparada con la humedad del suelo y la permeabilidad del suelo. El perfil del suelo se refiere a la organización vertical de las diferentes capas del suelo y la profundidad de la columna de suelo. Las características del perfil del suelo están estrechamente relacionadas con la capacidad del suelo de almacenar agua y con la tasa de infiltración. Por ejemplo, aunque los suelos arenosos tienen una mayor tasa de infiltración, puede ocurrir escorrentía rápida si la capa de suelo arenoso es muy delgada. Si, por ejemplo, existe una capa de roca impermeable debajo de una capa delgada de suelo, este suelo se puede saturar rápidamente y resultar en grandes cantidades de escorrentía. La Figura 2.3 muestra cómo los perfiles del suelo pueden influenciar la escorrentía y la ocurrencia de crecidas repentinas. Figura 2.3 Efecto de la profundidad de la roca madre sobre la escorrentía. Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 2-15

5 Efectos de la cuenca Una cuenca hidrológica es un área con una salida común para su escorrentía superficial. Las propiedades físicas de una cuenca y sus cursos de agua influencian la cantidad y el momento en que ocurre la escorrentía y por lo tanto la probabilidad de crecida repentina en la salida de la cuenca. Cualquier factor que aumente la velocidad y la eficiencia de los procesos de producción de escorrentía pueden hacer que una cuenca específica sea más propensa a una crecida repentina. Menos meandros en los arroyos, pendientes inclinadas, menos rugosidad de superficie, alta densidad de arroyos, urbanización y deforestación, son todos factores que pueden aumentar la susceptibilidad de una cuenca a crecidas repentinas. Es importante considerar el tamaño de la cuenca cuando se evalúa el riesgo de crecida repentina. El tamaño del área de contribución de lluvia en una cuenca tiene un efecto directo sobre el volumen total de la escorrentía que drena de esa cuenca. Consideremos dos cuencas con formas similares pero de diferentes tamaños (ver Figura 2.4 abajo). La escorrentía que comienza en el punto más remoto en la parte superior de la cuenca más grande tardará más tiempo en llegar a la salida de la cuenca que la escorrentía que viaja desde el punto más lejano de la cuenca más pequeña, ya que debe viajar una mayor distancia. Además, una sola tormenta eléctrica (es decir, un evento de lluvia fuerte) probablemente impactará solo una porción de la cuenca grande en un momento dado, pero podría involucrar toda la cuenca pequeña. De hecho, la mayoría de las crecidas repentinas ocurren en cuencas pequeñas, de menos de 77 km 2 y muchas con menos de 38 km 2. Figura 2.4 Efecto del tamaño de la cuenca sobre la escorrentía Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas

6 Figura 2.5 Efecto de la forma de la cuenca en el caudal máximo. La forma de la cuenca también tiene influencia sobre la magnitud y el momento en que ocurre el caudal máximo en la salida de la cuenca. Consideremos dos cuencas de igual área donde una es larga y estrecha y la otra es más redondeada (ver Figura 2.5). Examinemos ahora la escorrentía que viaja del punto más remoto en cada cuenca hasta la respectiva salida. La escorrentía en la cuenca más redondeada arribará más rápidamente a la salida de la cuenca. Además, es más probable que la escorrentía de múltiples locaciones en esta cuenca arribe a la salida al mismo tiempo, resultando en un mayor caudal máximo. En contraste, en una cuenca más larga y estrecha, es menos probable que la escorrentía de múltiples locaciones arribe al mismo tiempo. La pendiente es otro factor importante a considerar en una cuenca. La pendiente no solo afecta el momento de ocurrencia de la escorrentía, sino también la cantidad de infiltración. A mayor pendiente, menor la tasa de infiltración, ya que la gravedad permite que menos agua penetre la superficie y más agua corra por ella. Ambos efectos aumentan la escorrentía. En general, entre más inclinada la pendiente y más inclinados los canales de drenaje, más rápida la respuesta del caudal y mayores caudales máximos. La rugosidad de la superficie también afecta las tasas de escorrentía. La presencia de rocas, vegetación y escombros crean turbulencia, haciendo más lenta la escorrentía y aumentando la infiltración. En contraste, reducir la rugosidad del canal resulta en mayor velocidad del caudal y menor infiltración. Si se utilizan canales revestidos con concreto (Figura 2.6) para dirigir el caudal de un curso de agua, no existe infiltración y la velocidad será muy alta con mayor peligro de crecida repentina. La densidad de drenaje es una de las características más importantes para evaluar la escorrentía potencial. La densidad de drenaje es la longitud de todos los canales dentro de la cuenca dividida entre el área de la cuenca. Una cuenca de drenaje con un gran número de tributarios Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 2-17

7 Capítulo 2: Ciencia de la crecida repentina The COMET Program Figura 2.6 Canalización en concreto de un caudal. tiene una densidad de drenaje más alta que una cuenca con muy pocas corrientes tributarias. La mayor densidad de arroyos permite al paisaje drenar más eficientemente luego de un evento de tormenta. Un drenaje más eficiente significa que el agua llega a los arroyos y quebradas más rápido, causando que los caudales máximos de una tormenta sean mayores y ocurran más rápidamente. La urbanización aumenta artificialmente la densidad de drenaje. Esto se debe a que las redes viales y la infraestructura de drenaje pluvial actúan como rutas, o tributarios, que mueven el agua rápidamente a las áreas más bajas y a los canales cercanos. Una cuenca con una densidad de drenaje baja usualmente indica un suelo profundo y bien desarrollado. En este caso, es más probable que el agua se infiltre en el suelo en vez de convertirse en escorrentía superficial y entrar a la red de canales. La cobertura del suelo y el uso del suelo tienen otros efectos esenciales sobre la escorrentía. La urbanización, la falta de vegetación y el suelo congelado son casos especiales que deben ser considerados. La urbanización tiene varios impactos importantes, incluidos: 4 Mayores volúmenes de escorrentía debido al aumento en el porcentaje de superficies impermeables y suelos compactados. 4 Escorrentía más rápida debido a las redes viales, las redes de drenaje de aguas pluviales, las alteraciones a la vegetación natural y, algunas veces, a la canalización de arroyos. Todo esto ayuda al movimiento de la escorrentía hacia y dentro de los canales. Como resultado, cuando se comparan con condiciones rurales, los arroyos urbanos se inundarán más rápidamente, con más frecuencia y con caudales máximos más altos a consecuencia de la misma cantidad de lluvia. De hecho, en un ambiente urbano pueden ocurrir condiciones de inundación con mucho menos lluvia de la que es necesaria para ambientes rurales o pre-urbanos Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas

8 La deforestación y los incendios forestales también pueden aumentar el riesgo de crecida repentina al aumentar el volumen de escorrentía y el potencial de transporte de sedimentos con la escorrentía. Como se mencionó anteriormente en la sección sobre efectos del suelo, los incendios forestales pueden alterar las propiedades del suelo de tal forma que las áreas quemadas se tornan hidrofóbicas, es decir, tienden a repeler y no absorber el agua, por semanas o hasta años después de un incendio; de hecho, el mayor riesgo de crecida repentina ocurre después de incendios de alta intensidad en bosques coníferos. Finalmente, las crecidas repentinas típicamente ocurren por el efecto de lluvia convectiva intensa en épocas cálidas, por lo que un suelo congelado por lo general no es un problema. Sin embargo, en situaciones donde puede ocurrir lluvia intensa sobre suelo congelado impenetrable, una escorrentía eficiente podría resultar en una crecida repentina. Aspectos importantes que recordar sobre la ciencia de las crecidas repentinas 4 La combinación de una descarga alta de lluvia y producción muy eficiente de escorrentía es común a la mayoría de los eventos de crecida repentina. 4 En algunas situaciones, las características de la escorrentía pueden ser tan o más importantes que la cantidad de lluvia. 4 La humedad del suelo, la permeabilidad del suelo, las alteraciones a la superficie del suelo y el perfil vertical del suelo son características importantes del suelo que afectan la producción de escorrentía y por lo tanto ayudan a definir las áreas que son propensas a las crecidas repentinas. 4 Las características de la cuenca (ej., tamaño, forma, pendiente, cobertura del suelo) influencian la escorrentía y por lo tanto el potencial de ocurrencia de una crecida repentina. 4 La urbanización y los incendios pueden aumentar significativamente el potencial de crecida repentina al incrementar tanto el volumen potencial de escorrentía como la velocidad con la que ocurre la escorrentía. Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas 2-19

9 2-20 Guía de referencia para sistemas de alerta temprana de crecidas repentinas

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