CAPÍTULO 3 DRENAJE SUPERFICIAL AGUAS ABAJO DEL RÍO SAMARIA INTRODUCCIÓN

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1 CAPÍTULO 3 DRENAJE SUPERFICIAL AGUAS ABAJO DEL RÍO SAMARIA Adrián Pedrozo Acuña, Alejandra Amaro Loza, Juan Pablo Rodríguez Rincón, Jorge Gustavo González Armenta. Coordinación de Hidráulica - Instituto de Ingeniería INTRODUCCIÓN Las obras antroprogénicas planteadas como solución dentro del PHIT, modificarán las condiciones de flujo en ríos y llanuras de inundación. Como resultado, es necesario evaluar las consecuencias que dichos cambios tendrán sobre todo el sistema, desde la parte alta de la cuenca hasta la desembocadura de los ríos en el mar. Para las obras planteadas dentro del PHIT, son de particular interés los efectos que se generen por la construcción de la obra de control conocida como compuerta del Macayo, ya que con ella se planea desviar grandes caudales hacia el río Samaria, con salida al mar por el río González, para evitar futuras inundaciones de la ciudad de Villahermosa. La Figura 1 presenta la ubicación de dicha estructura de control, junto con la ruta que se planea para el caudal de desvío a través del sistema compuesto por los ríos Samaria y González. La alteración de los flujos propuestos en esta solución requiere una cuidadosa revisión hidráulica del flujo, desde la compuerta del Macayo hasta la desembocadura del río González, a fin de evitar la transferencia de problemas de inundación de la parte alta de la cuenca a la zona baja cercana a la desembocadura de los ríos. Así, la evaluación hidrodinámica de la llanura de inundación cerca de la desembocadura del río González, formó parte de los trabajos realizados por la sección de procesos costeros del PHIT durante su tercera fase.

2 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a Figura 1. Ubicación del Río González en la costa del Estado de Tabasco, México (las flechas representan la dirección del flujo; círculo rojo localización de la compuerta del Macayo) La evaluación de las consecuencias del desvío de agua del río Mezcalapa y su eventual descarga por la desembocadura del río González (ver Figura 1), es una de las prioridades para la sección de Procesos Costeros del PHIT. 2 C a p í t u l o 3

3 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a El objetivo general de este componente consiste en aplicar modelos matemáticos y otras herramientas de análisis que permitan la valoración de los efectos del control de inundaciones en la llanura de inundación localizada, entre la localidad de Oxiacaque (donde comienza el dren Victoria) y hasta la desembocadura del río González al mar. Esto comprende la evaluación hidrodinámica de la llanura de inundación, y la capacidad hidráulica de la desembocadura del río González para drenar el caudal de desvío (asociado a un Tr= 100 años). El estudio prevé la generación de manchas de inundación a fin de identificar las potenciales áreas de afectación, con particular énfasis en las localidades aledañas. Así mismo, se prueban algunas alternativas de reducción de zona inundable por medio de la simulación numérica de dragado y ampliación de drenes en la zona. A partir de lo anterior se plantean los objetivos específicos siguientes: Emplear la metodología integral desarrollada por la sección de Procesos costeros del PHIT en su Segunda Fase, para la predicción de inundación por los forzamientos transmitidos a través del sistema Río-Costa. Utilizar los resultados de modelos de flujo en llanuras de inundación para la determinación de las condiciones de operación del sistema bajo el forzamiento de una avenida asociada a un Tr=100años. Evaluar escenarios de operación bajo condiciones de dragado en la boca del río y la ampliación de drenes de comunicación. Mejorar el estado del conocimiento de los procesos involucrados en la inundación costera del Estado. La organización de este informe es la siguiente: la sección 2 presenta una descripción de la metodología utilizada para cumplir con los objetivos descritos, esta sección incluye el tipo de información recabada durante la campaña de campo y la herramienta numérica que se utilizó para la modelación de escenarios; por otra parte, la sección 3 presenta información sobre la delimitación del área de estudio, la puesta a punto del modelo numérico para simular los flujos de inundación en la llanura y las condiciones de frontera seleccionadas para el forzamiento de los diversos escenarios. Por último, la sección 4 resume las conclusiones y recomendaciones nacidas de la presente investigación. Con el objeto de cumplir con los objetivos planteados, se utilizó la metodología desarrollada por la sección de Procesos Costeros del PHIT Fase 2, para evaluar flujos de inundación cerca de la desembocadura del río González. Esta se compone principalmente por la puesta a punto del modelo numérico bidimensional. La validación de la herramienta numérica durante la Fase 2 de este proyecto, nos permite su utilización para evaluar posibles consecuencias en el sistema al transitar un gasto con un periodo de retorno de Tr=100años. La primera de ellas plantea la adaptación de un modelo matemático, basado en la solución numérica de las ecuaciones promediadas de Reynolds (Reynolds averaged Navier-Stokes equations) en dos dimensiones. Asumiendo la hipótesis de incompresibilidad, suposiciones de flujo de Boussinesq y presión hidrostática. Por lo tanto, el modelo consiste de ecuaciones de continuidad, cantidad de movimiento, temperatura, salinidad, y densidad, y tiene un esquema de cierre de turbulencia. El modelo utilizado para hacer las simulaciones numéricas es el MIKE21-FM, desarrollado por el Danish Hydraulic Institute (DHI, 2009). Este modelo utiliza un mallado flexible y ha sido desarrollado para ambientes oceanográficos, costeros, y estuarinos. Es bien sabido que el sistema de modelado ha sido utilizado en diversos estudios de inundación en el mundo. 3 C a p í t u l o 3

4 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a La discretización espacial de las ecuaciones primitivas se realiza utilizando un método de volumen finito de celda centrada. El dominio espacial es discretizado por subdivisión del continuo en elementos/celdas que no se traslapan. En el plano horizontal se utiliza una malla no estructurada, cuyos elementos pueden ser triángulos o cuadriláteros (para más información sobre el modelo numérico, el lector es referido al Anexo 4 del Capítulo 5 del Informe Final de la Segunda Fase del PHIT). En este capítulo el modelo se utiliza para generar escenarios de inundación asociados a una avenida extrema desde la terminación de los bordos de protección a la altura de la localidad de Oxiacaque, Tabasco, hasta la desembocadura del río al mar. La simulación comprende no solo el flujo en los ríos del sistema sino también en el flujo a lo largo de la llanura de inundación de la zona. 4 C a p í t u l o 3

5 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a 3.1 INFORME DE LOS RESULTADOS DE LA MODELACIÓN DEL TRÁNSITO DE LA AVENIDA EN CAUCES Y PLANICIES EN LA ZONA ENTRE OXIACAQUE Y EL GOLFO DE MÉXICO PARA TR=100 AÑOS, 500 Y 1000 AÑOS. La zona de estudio contiene una desembocadura al mar que corresponde a la salida del río González hacia el Golfo de México, y una pequeña comunicación a través del arroyo Hondo con la Laguna de Mecoacán. En su conjunto, la desembocadura del río González y su llanura de inundación, representan un área de gran tamaño (~ 900km 2 ), con una zona central deshabitada y varias lagunas menores con conexión entre ellas (ver Figura 2) La región está compuesta por una desembocadura al mar, cinco lagunas menores y dos mayores (Mecoacán y Santa Anita) y un río principal. En consecuencia la complejidad del sistema hídrico es enorme, dado que todos los cuerpos de agua están comunicados y funcionan como una unidad. El recuadro blanco que aparece en la Figura 2, indica el área seleccionada para la modelación de escenarios que se presenta en este informe. Figura 2. Imagen de satélite del área de estudio con el río González, las lagunas menores y la llanura de inundación central. Esta sección contiene los detalles técnicos de la modelación numérica, a través del modelo hidrodinámico bidimensional, para el sistema introducido en la Figura 2. Se presenta la puesta a punto del modelo, con los datos de batimetría y condiciones de frontera y la posterior simulación de escenarios extremos de operación. Con el objeto de realizar un diagnóstico de posibles consecuencias en la operación de eventos extremos en la llanura de inundación, estos escenarios incluyen: gastos extraordinario en el río (Tr=100años) bajo las condiciones actuales del sistema y escenarios con obras de mitigación en los ríos. 5 C a p í t u l o 3

6 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a PUESTA A PUNTO DEL MODELO NUMÉRICO MALLA DE MODELACIÓN El primer paso en la puesta a punto del modelo numérico consiste en la asimilación de la información de campo, con el objeto de obtener una malla numérica lo suficientemente detallada y estable para la correcta simulación numérica de los flujos en el sistema en estudio. Esta malla comprende la discretización numérica de la información de elevaciones y profundidades para la región seleccionada. La asimilación de ambos tipos de información se obtiene por medio de la combinación de la información recabada en la campaña de campo, junto con información de elevación con una resolución adecuada disponible para la zona de estudio. El Modelo Digital de Elevación (MDE) que se seleccionó para las modelaciones numéricas fue el la misión de radar conocido como SRTM (Shuttle Radar Topography Mission). Este modelo ha sido utilizado ampliamente en estudios de simulación de flujos de inundación, e incluso se ha recomendad su uso para terrenos planos como lo es la zona baja del Estado de Tabasco. Esta información fue combinada con los datos de batimetría obtenidos durante la campaña de campo de la sección de Procesos Costeros del PHIT. Sin embargo, existe una sección del río González (hacia Oxiacaque) para la cual no se obtuvo la batimetría, por lo que para su definición se utilizaron secciones del río obtenidas durante la Primera Fase del PHIT a lo largo del río y el dren Victoria. Definida la información base, se delimitó el área de cálculo para la modelación de escenarios de inundación. El área definida para el sistema del río González con su llanura de inundación comprende todo el cauce desde la terminación de los bordos a la altura del poblado de Oxiacaque hasta su desembocadura al mar. Se determinó un dominio de cálculo de alrededor de 900km 2 a efectos de poder simular el comportamiento de la mancha de inundación durante todo el evento. La Figura 3, presenta la información de elevaciones/profundidades a lo largo de toda la sección de estudio (panel superior), junto con la malla de cálculo con resolución variable que fue utilizada para la modelación numérica de los flujos en el sistema (panel inferior). 6 C a p í t u l o 3

7 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a Figura 3. Delimitación del dominio de cálculo, sistema del río González y llanura de inundación, Tabasco; panel superior: Elevaciones/profundidades en la llanura; panel inferior: malla de cálculo con elementos de resolución variable. 7 C a p í t u l o 3

8 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a CONDICIONES DE FRONTERA Una vez definida la malla de modelación, se localizaron condiciones de frontera para ubicar el forzamiento del flujo dentro del sistema. En este caso, se definieron tres fronteras abiertas para la llanura de inundación identificadas por: 1. La desembocadura del Río González al Golfo de México. 2. El caudal de entrada que llega al Dren Victoria / Río González. 3. Conexión con la Laguna de Mecoacán DESEMBOCADURA DEL RÍO GONZÁLEZ AL GOLFO DE MÉXICO En este caso, el funcionamiento hidráulico de la desembocadura del río está determinado por las variaciones en el nivel medio del mar. Estas pueden ser inducidas tanto por la marea astronómica, como por la marea de tormenta inducida por tormentas tropicales o frentes fríos. Para la puesta a punto del modelo, y las simulaciones de escenarios de inundación descritas en este reporte se utiliza la marea registrada en el mes de Agosto (durante el periodo de mediciones en campo descritas en el capítulo 5c del reporte de la Fase 2 del PHIT). En particular, se utilizan los primeros días del mes dado que corresponden a la presencia de mareas vivas en la desembocadura (ver Figura 4). Esta selección, se hace con el propósito de definir un forzamiento máximo en la frontera para una condición de marea astronómica. Figura 4. Marea astronómica registrada para los primeros días del mes de Agosto en la costa del Estado de Tabasco. Gasto de entrada en el Río González Para las simulaciones presentadas en este reporte la definición del caudal de entrada al sistema se define a partir de una condición extraordinaria asociada a un periodo de retorno de 100 años. Este caudal representa la condición de desvío de agua en la bifurcación del río Samaria (en la compuerta del Macayo) hacia el río González con la intención de drenarlo hacia el mar. La Figura 5 presenta el hidrograma de entrada que se utiliza en la condición de frontera del dren Victoria. El gasto de avenidas extraordinarias contiene un pico cerca de los 6000 m 3 /s, y el tiempo de residencia en el sistema de gastos mayores a los 3000 m 3 /s es cerca de 1.5 días. 8 C a p í t u l o 3

9 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a El punto de partida de este estudio, consiste en evaluar posibles inundaciones en la zona de interés que resulten del tránsito del gasto extraordinario bajo las condiciones actuales de los cuerpos de agua (ej. batimetría, área hidráulica de ríos y conexiones). Esto permitirá estudiar el comportamiento de la mancha de inundación en el área, lo que a su vez se traducirá en información valiosa para la identificación de localidades vulnerables a este evento. Figura 5. Gasto asociado a un periodo de retorno de Tr=100 años; forzamiento utilizado como condición de frontera en el dren Victoria. Así mismo, se plantea la simulación numérica de posibles obras para aliviar los riesgos asociados al tránsito de este gasto extraordinario en la zona de estudio CONEXIÓN A LA LAGUNA DE MECOACÁN Una última condición de frontera que se contempla para la simulación numérica de los flujos de inundación en esta llanura, consiste en la conexión entre este sistema y el cuerpo lagunar de Mecoacán. Esta conexión se realiza a través del arroyo Hondo que tiene una anchura de aproximadamente 40m con profundidades menores a 1.5m. De acuerdo con el trabajo de campo reportado en el informe de la Fase 2 del PHIT (capítulo 5.c), esta unión no es muy eficiente desde el punto de vista hidráulico dado que por ella transita un gasto del orden de 60m 3 /s. La reducida capacidad de este arroyo, hizo posible considerar a ambos sistemas, laguna y río, como dos unidades independientes. En virtud de estas observaciones, en los ejercicios de simulación presentados en este reporte, se le asigna a la salida del arroyo Hondo un nivel de agua constante de 0m sobre el nivel del mar. Tránsito del gasto (Tr=100 años) en el río y llanura bajo condiciones actuales En esta sección se presentan los resultados de la simulación numérica del drenaje de la avenida extrema de Tr=100años (ver Figura 5) en la zona de estudio, bajo las condiciones actuales del cauce del río. La condición inicial del sistema se presenta en el panel superior de la Figura 6, en donde se aprecia la configuración de los cuerpos de agua en el sistema para el tiempo cero de la ejecución. 9 C a p í t u l o 3

10 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a En esta figura es posible observar la desembocadura del río González, la laguna de Santa Anita al este del sistema, el conjunto de lagunas menores ubicado al centro del dominio de cálculo y el dren Victoria en la parte central baja de la zona de estudio. Mientras que el panel inferior presenta el contorno de la mancha de inundación y gastos después de 6horas y 40 minutos de haber iniciado el forzamiento del sistema. En esta figura es posible determinar que desde el inicio de la simulación numérica se observa una inundación considerable de la zona de estudio. Figura 6. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo al inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 6horas 40minutos (panel inferior). 10 C a p í t u l o 3

11 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a Por otra parte, la continuación del evento de inundación se presenta en las figuras 7 y 8, que ilustran los mapas de gasto y mancha de inundación dentro del sistema para instantes posteriores dentro de la modelación. Estos lapsos del estado del gasto y la mancha de inundación en la llanura, son mostrados para el periodo de tiempo comprendido entre el 2 y el 3 de agosto de De esta forma se puede dar seguimiento a la naturaleza del gasto y la mancha de inundación a la par con la presencia del gasto máximo en la simulación numérica. Por otra parte, la generación de estos mapas de inundación permite una evaluación a detalle del comportamiento del gasto transitado a través del dren Victoria. Los resultados que se observan en ambas figuras, son muy reveladores en cuanto el funcionamiento hidráulico del dren Victoria y la desembocadura del río. En todos estos instantes se puede observar, que el gasto transitado genera una considerable mancha de inundación que se aprecia a lo largo de todo el periodo de tiempo simulado (que comprende al menos dos ciclos completos de marea). Esto se debe principalmente, a que el cauce actual del río González y el Dren Victoria son considerablemente superados en su capacidad hidráulica por el gasto de Tr=100años transitado. El agua se desborda desde el inicio del evento y la mancha de inundación crece con dirección hacia el sur y el este del dominio (ver Figura 7). Esto indica es poco probable que el caudal de Tr=100 años se drene correctamente hacia el mar bajo las condiciones actuales del cauce. Esto se confirma en los instantes reportados en la Figura 8, en los que se observa que el área de mayor inundación está localizada en ambas márgenes del dren Victoria. Mientras que la zona central deshabitada de la llanura de inundación, donde se ubican las lagunas menores, no presenta una inundación considerable. Los resultados presentados en estas figuras, indican que bajo las circunstancias actuales existe un riesgo de inundación elevado para las poblaciones de Ignacio Allende, Villa Unión y Simon Sarlat. 11 C a p í t u l o 3

12 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a Figura 7. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo a 13 horas 20 minutos del inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 20 horas (panel inferior). 12 C a p í t u l o 3

13 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a Figura 8. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo a 26 horas 40 minutos del inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 40 horas y 40 minutos (panel inferior). Además, la modelación numérica indica que de no ampliarse la capacidad del dren Victoria no es posible transitar el gasto extraordinario asociado a un Tr=100años (Figura 5). 13 C a p í t u l o 3

14 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a En todos los instantes presentados a lo largo de esta simulación numérica se producen grandes problemas de inundación, lo que señala la importancia de generar las obras necesarias para conducir este flujo de inundación a través del cauce del río y el dren, para dirigir los flujos lejos de las zonas habitadas dentro del dominio de cálculo. Con el propósito de evaluar posibles alternativas de alivio al problema de la capacidad hidráulica del dren Victoria y el río González, la siguiente sección presenta la simulación numérica de dos escenarios posibles en los que se consideran dragado en el dren victoria, la desembocadura del río González y la conexión con la laguna de Mecoacán. 14 C a p í t u l o 3

15 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a 3.2 INFORME DE LOS RESULTADOS EN EL MEJORAMIENTO DEL DRENAJE SUPERFICIAL EN TRES ESCENARIOS: A) AUMENTO LA CAPACIDAD DE DRENES Y RIOS, B) MEJORANDO LA CONEXION HACIA MECOACÁN, C) COMBINANDO LOS ANTERIORES. LO ANTERIOR PARA TR= 100, 500 Y 1000 AÑOS. Esta sección presenta los resultados de la simulación numérica de distintas obras que podrían implementarse en el sistema en estudio, con el objetivo de ampliar la capacidad hidráulica del dren victoria y el río González. El objetivo de estos ejercicios numéricos es analizar la efectividad de obras de dragado en el sistema de estudio. Así mismo, se pretende aliviar la inundación en la llanura por medio de dos escenarios que consideran las siguientes alternativas: 1. Ampliación del dren Victoria y dragado en el río González y su desembocadura Esta alternativa se propone con el propósito de ampliar la capacidad hidráulica de ambos, el dren y el río, con lo que se espera que se incrementaría la capacidad del cauce para conducir el agua hasta el mar. 2. Ampliación del dren Victoria, dragado en el río y su desembocadura y ampliación del arroyo Hondo En esta alternativa, además de considerar un aumento en la capacidad hidráulica del río y el dren, toma en cuenta la posible mejora de la conexión entre el río González y la laguna de Mecoacán, por medio de una ampliación del arroyo Hondo. 15 C a p í t u l o 3

16 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a AUMENTO LA CAPACIDAD DE DRENES Y RÍOS En esta sección se presentan los resultados numéricos de incrementarse la capacidad hidráulica del dren Victoria y la desembocadura del río González. Como se observó en los resultados anteriores, de transitarse el gasto extraordinario las condiciones actuales del sistema son insuficientes para drenar el agua con eficiencia hasta el Golfo de México. Así entonces, se considera una ampliación del dren Victoria y un dragado en el río González y su desembocadura. Se define un ancho del dren Victoria de 600m, con una profundidad máxima de 9m. Por otro lado, se considera un dragado en la desembocadura del río González desde la barra de Chiltepec, hasta la salida al mar con una profundidad promedio de 9m en su región más profunda. Se espera que la eficiencia hidráulica de la desembocadura del río González aumente y que se reduzca la inundación en la zona sur del área de estudio. Al igual que en el caso anterior, esta simulación considera el tránsito del gasto extraordinario con Tr=100 años definido en la Figura 5. MALLA DE MODELACIÓN La malla de simulación empleada en esta simulación es la misma que en el caso anterior, salvo que los valores de profundidad y ancho del dren han sido modificados para considerar el efecto de estas obras en el control de la mancha de inundación general. La información base consiste en el Modelo Digital de Elevación (MDE) conocido como SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) en conjunto con los datos batimétricos obtenidos durante la campaña de campo de la sección de Procesos Costeros del PHIT. El área de cálculo para la modelación de este escenario se presenta en la Figura 9, en la que se aprecia la llanura de inundación del río González. Figura 9. Delimitación del dominio de cálculo, sistema del río González y llanura de inundación, Tabasco Opción 1 Ampliación del Dren Victoria, río González y su desembocadura. 16 C a p í t u l o 3

17 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a RESULTADOS En esta sección se presentan los resultados de la simulación numérica del drenaje de la avenida extrema de Tr=100años (ver Figura 5) en la zona de estudio, bajo las condiciones de modificaciones en el ancho del dren Victoria y dragado de la desembocadura del río. La condición inicial del sistema se presenta en el panel superior de la Figura 10, en donde se aprecia la configuración de los cuerpos de agua en el sistema para el tiempo cero de la ejecución. En esta figura es posible observar la desembocadura del río González, la laguna de Santa Anita al este del sistema, el conjunto de lagunas menores ubicado al centro del dominio de cálculo y el dren Victoria con su nuevo ancho de 600m en la parte central baja de la zona de estudio. Se prevé que este nuevo ancho del dren mejore las condiciones de flujo en la llanura de inundación, previniendo que el flujo de inundación desborde hacia el sur del dominio, poniendo en riesgo a la población de Oxiacaque, Tabasco. Por su parte, el panel inferior presenta el contorno de la mancha de inundación y gastos después de 6 horas y 40 minutos de haber iniciado el forzamiento del sistema, muy cerca del pico en el hidrograma de entrada en el dren Victoria. En esta figura es posible determinar que la ampliación del dren ha surtido el efecto deseado, ya que se observa una inundación menos intensa que en el resultado sin considerar la ampliación del dren. Sin embargo, es posible notar que existen ciertos eventos de desbordamiento en el río González en la zona central del área de estudio. Este resultado indica que la ampliación del dren reduce la inundación debida a un gasto extraordinario de Tr=100 años, pero no la evita por completo. Si se comparan los resultados del panel inferior de la Figura 6 y el de la Figura 10 se observa un escenario más favorable resultado de la ampliación del dren Victoria. De hecho, es posible identificar que la zona de inundación se ubica en el área central de la llanura que se encuentra deshabitada. Por otro lado, los subpaneles correspondientes al gasto en la desembocadura del río González indican que en este caso, hay un incremento en su eficiencia hidráulica, con un gasto de descarga de más de 1500m^3/s contra los 800m^3/s que se obtienen en el escenario del estado actual del sistema. 17 C a p í t u l o 3

18 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a Figura 10. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo al inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 6horas 40minutos (panel inferior). 18 C a p í t u l o 3

19 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a Figura 11. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo a 13 horas 20 minutos del inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 20 horas (panel inferior). 19 C a p í t u l o 3

20 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a Figura 12. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo a 26 horas 40 minutos del inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 40 horas y 40 minutos (panel inferior). 20 C a p í t u l o 3

21 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a Las Figuras 11 y 12 presentan los instantes posteriores al paso del pico del gasto extraordinario en el sistema, los resultados numéricos ilustrados confirman que a través del dragado y ampliación del dren Victoria se logra una reducción en la magnitud de la mancha de inundación. Sin embargo, la inundación que se presenta en la llanura sigue siendo de magnitud considerable. El panel inferior de la Figura 12 presenta los resultados rumbo al final de la simulación, en esta imagen es posible identificar que en la zona central del dominio de cálculo se puede apreciar más agua que en el caso de las condiciones actuales (Figura 8). Esto se debe a que existe más capacidad en el dren Victoria para conducir el agua hasta la zona central, donde la capacidad del río es rebasada para producir los desbordamientos. Otro resultado importante que es necesario mencionar, es la evidente mejoría en la eficiencia hidráulica de la desembocadura del río González, producto del dragado propuesto en esta zona. El gasto de salida se mantiene más o menos constante (cerca de los 1500m^3/s), aún cuando el pico de la inundación ha pasado. Esto indica el buen funcionamiento del drenaje hacia el mar a través de esta desembocadura. Sin embargo, es evidente que la capacidad del cauce es ampliamente superada por este gasto extraordinario. Una de las ideas del desvío de agua hacia la zona de la desembocadura consideraba el hecho de utilizar al cuerpo lagunar de Mecoacán como una zona de amortiguamiento para la inundación. A partir de los resultados numéricos, es posible determinar que la conexión entre el río González y el cuerpo lagunar de Mecoacán se encuentra restringido por las dimensiones del arroyo Hondo que los conecta. En las condiciones actuales, este arroyo tiene una anchura del orden de 40m y profundidades promedio que no rebasan los 1.5m, lo que reduce en gran medida su posible funcionamiento como derivador de gasto hacia la laguna de Mecoacán. La siguiente sección considera, además del dragado propuesto en este ejercicio numérico, la ampliación y dragado del arroyo Hondo a fin de facilitar la conexión entre ambos sistemas. Esto se hace con el propósito de evaluar que tanto puede aliviar la ampliación de esta conexión. 21 C a p í t u l o 3

22 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a MEJORANDO LA CONEXIÓN HACIA MECOACÁN Uno de los resultados más relevantes de las simulaciones numéricas realizadas en la llanura de inundación del río González, fue la poca eficiencia hidráulica de la conexión entre el cuerpo lagunar de Mecoacán y el río González, dada por el denominado arroyo Hondo. Este cuerpo de agua tiene en promedio una anchura de 40m y una profundidad promedio de 1.5m, lo que reduce en gran medida su capacidad para descargar agua hacia el cuerpo lagunar de Mecoacán (ver Figura 13). Esta limitación fue evidente en las dos previas simulaciones realizadas para la zona de estudio, en las que fue claro que el evento de inundación se gesta en puntos localizados aguas arriba de esta conexión. Figura 13. Imagen satelital del arroyo Hondo, conexión natural entre el río González y la laguna de Mecoacán, Tabasco (los rectángulos representan las zonas consideradas para el ensanchamiento y dragado del arroyo Hondo). Por ejemplo, en el resultado de las condiciones actuales del sistema (Figura 8), se observa que la mancha de inundación se localiza cerca del dren Victoria como resultado del desbordamiento del gasto extraordinario hacia ambas márgenes. Mientras que en el resultado que considera la ampliación del dren Victoria y el dragado del río González, se reduce la inundación en las márgenes del dren y se observa un flujo de inundación cerca de las lagunas centrales del sistema. Con el objetivo de evaluar si es posible reducir la inundación en las márgenes del dren Victoria, esta sección presenta los resultados numéricos obtenidos si se amplía la conexión entre el río González y la laguna de Mecoacán. La ampliación considera un ensanchamiento del arroyo Hondo a 150m y un dragado hasta una profundidad promedio de 5m, en las dos regiones identificadas con los rectángulos en la Figura C a p í t u l o 3

23 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a MALLA DE MODELACIÓN La malla de simulación empleada en esta simulación es la misma que en el caso anterior, salvo que los valores de profundidad y ancho de la entrada en el arroyo Hondo han sido modificados para considerar el efecto de obras de ampliación y dragado. Esta solución se propone con el objetivo de evaluar el comportamiento de la mancha de inundación de mejorar la conexión entre ambos sistemas, río y laguna. La información base proviene del Modelo Digital de Elevación (MDE) conocido como SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) en conjunto con los datos batimétricos obtenidos durante la campaña de campo de la sección de Procesos Costeros del PHIT. El área de cálculo para la modelación de este escenario se presenta en el panel superior de la Figura 14, en la que se aprecia la llanura de inundación del río González. Mientras que el panel inferior presenta un acercamiento a la zona del arroyo Hondo, la cual ha sido modificada para considerar la ampliación y el dragado de la conexión cerca de la unión con el río González y la entrada a la laguna de Mecoacán. 23 C a p í t u l o 3

24 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a Figura 14. Panel superior: Delimitación del dominio de cálculo, sistema del río González y llanura de inundación, Tabasco Opción 2 Ampliación del Dren Victoria, río González, su desembocadura y ampliación del arroyo Hondo (conexión con Mecoacán); Panel inferior: acercamiento al arroyo Hondo modificado. 24 C a p í t u l o 3

25 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a COMBINANDO LAS DOS ANTERIORES. LO ANTERIOR PARA TR= 100, 500 Y 1000 AÑOS En esta sección se presentan los resultados de la simulación numérica del drenaje de tres avenidas extrema de Tr=100, 500 y 1000 años (ver Figura 15) en la zona de estudio, bajo las condiciones de modificaciones del arroyo Hondo (anchura y profundidad) y el ancho del dren Victoria junto con el dragado de la desembocadura del río. Figura 15. Gastos a la entrada del dren Victoria para condiciones asociadas a periódos de retorno de 100, 500 y 1000 años. Los primeros resultados corresponden al tránsito de la avenida con Tr=100años. La Figura 16 ilustra los primeros instantes de la simulación numérica para esta alternativa, en la que se aprecia la configuración de los cuerpos de agua en el sistema para el tiempo cero de la ejecución (panel superior) y 6 horas 40 minutos después (panel inferior). En este caso, en el instante cerca del pico del hidrograma, es notorio desde los inicios de la simulación numérica que la inundación ha sido menor que en los ejemplos anteriores. A pesar de ello, cabe resaltar que se observan ciertos eventos de desbordamiento del cauce en la parte central del dominio y en el área donde termina el dren Victoria. Sin embargo, a estas alturas de la modelación es imposible determinar si existe alguna diferencia respecto a la modelación generada sin considerar la ampliación del arroyo Hondo. Al comparar para los mismos instantes los resultados de las Figuras 10 y 16, no se observan diferencias notables entre los escenarios resultantes hasta este punto bajo estos dos escenarios. Sin embargo, cabe hacer notar que la curva de gasto en la desembocadura del río González es muy similar en ambos casos. De hecho, en el caso de la ampliación del arroyo Hondo, se observa un gasto máximo cerca de los 1500 m 3 /s, esto indica que la desembocadura del río funciona hidráulicamente de forma muy parecida al caso en el que no se considera la ampliación del arroyo Hondo. 25 C a p í t u l o 3

26 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a Así, conforme progresa el tránsito del gasto extraordinario en el dren Victoria se observa que la inundación es reducida considerablemente en la zona sur del dominio de cálculo. Tal y como lo confirman los resultados que se presentan en las Figuras 17 y 18. Por ejemplo, la inundación que se produce en la margen izquierda del dren, es de menor tamaño que en los casos anteriores. Más aún, la reducción del área cubierta de agua en la zona central del dominio, cerca del arroyo Hondo, indica que la conexión entre el río González y la Laguna de Mecoacán, sí ayuda a derivar cierto gasto hacia este cuerpo lagunar. Estos resultados confirman que en caso de ampliar la conexión entre ambos sistemas, el cuerpo lagunar puede funcionar en cierta medida como área de amortiguamiento para la avenida extraordinaria. Sin embargo, a pesar de la ampliación de la conexión y el dragado en el río y dren, es posible identificar desbordamientos de agua bajo las condiciones simuladas en este escenario. Esto confirma que aún con las obras de dragado y ampliación del dren Victoria, el gasto extraordinario es capaz de superar la capacidad hidráulica de ambos, río González y dren Victoria, durante ciertos lapsos de la modelación. Por otra parte, el área de inundación para este escenario es considerablemente reducida. 26 C a p í t u l o 3

27 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a Figura 16. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo al inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 6horas 40minutos (panel inferior). 27 C a p í t u l o 3

28 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a Figura 17. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo a 13 horas 20 minutos del inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 20 horas (panel inferior). 28 C a p í t u l o 3

29 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a Figura 18. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo a 26 horas 40 minutos del inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 40 horas y 40 minutos (panel inferior). Una vez transitado el evento correspondiente a una avenida con Tr=100años. Se presentan los resultados correspondientes al gasto con Tr=500 años. 29 C a p í t u l o 3

30 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a La Figura 19 presenta los primeros instantes de la simulación numérica para este forzamiento, en la que se aprecia la configuración de los cuerpos de agua en el sistema para el tiempo cero de la ejecución (panel superior) y 6 horas 40 minutos después (panel inferior). De igual forma que en el caso anterior, cerca del pico del hidrograma, es notorio que se presenta una inundación asociada. Se observan ciertos eventos de desbordamiento del cauce en la parte central del dominio y en el área donde termina el dren Victoria. Sin embargo, a estas alturas de la modelación, la diferencia entre este resultado y aquel presentado para una condición de gasto de Tr=100 años es mínima. Sin embargo, cabe hacer notar que la curva de gasto en la desembocadura del río González ha incrementado su eficiencia en el drenaje de la avenida dado que se observa un gasto máximo muy cerca de los 1500 m 3 /s, esto indica que la desembocadura del río funciona hidráulicamente de forma muy parecida al caso anterior. Los resultados de las Figuras 20 y 21indican un incremento en la mancha de inundación generada por este evento, sin que este represente un riesgo para ninguna de las zonas urbanas cercanas al área. Este resultado indica que la conexión entre el río González y la Laguna de Mecoacán, sí ayuda a derivar cierto gasto hacia este cuerpo lagunar. Estos resultados confirman que en caso de ampliar la conexión entre ambos sistemas, el cuerpo lagunar puede funcionar en cierta medida como área de amortiguamiento para la avenida extraordinaria. Sin embargo, a pesar de la ampliación de la conexión y el dragado en el río y dren, es posible identificar desbordamientos de agua bajo las condiciones simuladas en este escenario. Esto confirma que aún con las obras de dragado y ampliación del dren Victoria, el gasto extraordinario es capaz de superar la capacidad hidráulica de ambos, río González y dren Victoria, durante ciertos lapsos de la modelación. Por otra parte, el área de inundación para este escenario es considerablemente reducida. 30 C a p í t u l o 3

31 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a Figura 19. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo al inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 6horas 40minutos (panel inferior) para un Gasto en el dren Victoria con Tr=500años. 31 C a p í t u l o 3

32 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a Figura 20. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo a 13 horas 20 minutos del inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 20 horas (panel inferior) para un Gasto en el dren Victoria con Tr=1000años.. 32 C a p í t u l o 3

33 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a Figura 21. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo a 26 horas 40 minutos del inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 40 horas y 40 minutos (panel inferior). 33 C a p í t u l o 3

34 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a Por último, se presentan los resultados correspondientes al gasto con un periodo de retorno de Tr=1000 años. Este gasto está cerca de los 8000m 3 /s en su pico y considera un evento extremo incidiendo sobre el sistema. La Figura 22 presenta los primeros instantes de la simulación numérica para este forzamiento, en la que se aprecia la configuración de los cuerpos de agua en el sistema para el tiempo cero de la ejecución (panel superior) y 6 horas 40 minutos después (panel inferior). En este caso, aún con mayor razón, se observa un evento de inundación cerca del inicio del evento y de la entrada del pico del hidrograma. En el panel inferior se observan ciertos eventos de desbordamiento del cauce en la parte central del dominio y en el área donde termina el dren Victoria. Sin embargo, cabe hacer notar que la curva de gasto en la desembocadura del río González en este caso, ha incrementado su eficiencia en el drenaje de la avenida dado que se observa un gasto máximo por encima de los 1500 m 3 /s, consecuencia del tránsito del gasto extraordinario en el río. Los resultados de las Figuras 23 y 24 indican un incremento considerable en la mancha de inundación generada por este evento. Sin que las localidades ubicadas al sur del dominio de cálculo estén sometidas a escenarios de inundación. Este resultado indica que la conexión entre el río González y la Laguna de Mecoacán, son una buena opción para la derivación del volumen de agua extraordinario. Estos resultados confirman que en caso de ampliar la conexión entre ambos sistemas, el cuerpo lagunar puede funcionar en cierta medida como área de amortiguamiento para la avenida extraordinaria. Sin embargo, a pesar de la ampliación de la conexión y el dragado en el río y dren, no es posible contener los escenarios de inundación en esta zona. Esto confirma que aún con las obras de dragado y ampliación del dren Victoria, el gasto extraordinario es capaz de superar la capacidad hidráulica de ambos, río González y dren Victoria, durante ciertos lapsos de la modelación. 34 C a p í t u l o 3

35 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a Figura 22. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo al inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 6horas 40minutos (panel inferior) para un Gasto en el dren Victoria con Tr=1000años. 35 C a p í t u l o 3

36 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a Figura 23. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo a 13 horas 20 minutos del inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 20 horas (panel inferior) para un Gasto en el dren Victoria con Tr=1000años.. 36 C a p í t u l o 3

37 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a Figura 24. Mancha de inundación y gasto en el dominio de cálculo a 26 horas 40 minutos del inicio de la simulación numérica (panel superior) y después de 40 horas y 40 minutos (panel inferior). 37 C a p í t u l o 3

38 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a 3.3 INFORME DEL ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE OBRAS ESTRUCTURALES NECESARIAS PARA MEJORAR LA DESCARGA DEL RÍO SAMARIA Con el objetivo de complementar el análisis de los resultados presentados en la sección anterior, se presenta la cuantificación de las áreas de inundación obtenidas bajo cada escenario modelado numéricamente. Esto con el fin de establecer una relación de costo/beneficio que señale, aunque sea de forma indicativa, la mejor solución posible de las estudiadas en este trabajo de investigación. El análisis de las alternativas consiste en lo siguiente: 1. Calcular las áreas de inundación para cada alternativa, en su condición final. 2. Obtener volúmenes de dragado de acuerdo a la profundidad y anchura utilizadas en la simulación. 3. Determinar el costo de dragado para cada alternativa (para ello se utiliza un costo nominal de $60.00 pesos/m 3 ). 4. Comparar resultados de costo y áreas obtenidas para cada alternativa de solución a fin de establecer cuál es la más conveniente CÁLCULO DE ÁREAS DE INUNDACIÓN El cálculo de áreas de inundación se realizó para el estado final del sistema, bajo todos los escenarios estudiados. Para ello se utilizó el programa de cómputo AutoCAD, por medio de la escala del dominio de cálculo se trazaron polígonos de inundación para calcular el área inundada indicada en cada resultado de simulación. Los resultados obtenidos de este procedimiento se presentan en la Tabla 1.1, donde se aprecia que no hay un incremento considerable en el área de inundación si se reduce el volumen de dragado. Este resultado es significativo, ya que indica el posible ahorro de recursos económicos para la realización de este tipo de obra. Tabla1.1 Áreas de inundación para cada escenario de alivio simulado en km 2 Anchura del dren/ cota de dragado 7.5m m OBTENCIÓN DE VOLÚMENES Y COSTO DEL DRAGADO A fin de cuantificar el volumen y costo del dragado propuesto en los escenarios simulados, se determinó de forma indicativa una sección tipo para la ampliación del Dren Victoria. La Figura 25 presenta los perfiles estudiados para la sección transversal del cauce. En color naranja se indica la condición actual del dren con una anchura de 100 m y una profundidad de 5 m. En color rojo se presenta la opción que considera una anchura de 240 m y una profundidad de 9 m; por otra parte, en color amarillo se ilustra la sección correspondiente a un dren de 300 m de anchura y 9 m de profundidad. Por último, en colores marrón y rosa se señalan las secciones para un dren con anchuras de 380 y 600 m respectivamente. 38 C a p í t u l o 3

39 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a Figura 25. Secciones del dren Victoria con diferentes anchuras, con una profundidad de 9 m. Así mismo, para las condiciones de dragado a una profundidad de 7.5m se calcularon las secciones transversales del dren Victoria. Estas se presentan en la Figura 26, en la que en verde se presenta la sección para el dren con anchura de 240 m y en color turquesa se presenta la sección de anchura 365 m. Figura 26. Secciones del dren Victoria con diferentes anchuras, con una profundidad de 7.5 m. Así, el área transversal de dragado se obtuvo por medio del cálculo de las áreas de las secciones del dren, menos el área de la sección del dren actual, dada por una anchura de 100 m y profundidad de 5 metros. Para determinar el volumen de dragado, se multiplicó el área transversal de dragado obtenida por la longitud de dragado propuesta que para todos los casos es idéntica (~ km). Se entiende por dragado a la operación de remoción de sedimentos en ríos, lagos, canales y puertos; con la finalidad de que al aumentar la profundidad, se incremente la capacidad hidráulica. La Tabla 1.2 presenta los resultados derivados para el área de dragado. 39 C a p í t u l o 3

40 P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a Tabla 1.2 Áreas de dragado para los diferentes escenarios de alivio propuestos, el renglón correspondiente a 100 m. de anchura representa la condición actual Anchura del dren Área de la Sección (h dragado =9m) Área por Dragar (h dragado =9m) Área de la Sección (h dragado =7.5m) Área por Dragar (h dragado =7.5m) m m 2 m 2 m 2 m 2 100* , , , , , , , , ,876, , , Para determinar el costo aproximado de la obra propuesta, se utilizó un costo de dragado por metro cúbico de $60.00 pesos/m 3. La Tablas 1.3 y 1.4 presentan los resultados obtenidos de costo aproximado para cada dren estudiado en este capítulo. Por claridad en la comparación, la Tabla 1.3 incluye el resultado de área de inundación para la condición actual del cauce. Tabla 1.3 Los valores del área de inundación, el volumen de dragado y el costo para una profundidad de 9 m. Anchura Área de Volumen Costo del dren inundación dragado (m) Km 2 m 3 en millones de $ 100* $ ,738, $2, ,847, $2, ,659, $3, ,391, $6, Tabla 1.4 Los valores del área de inundación, el volumen dragado y el costo para una profundidad de 7.5 m Anchura del dren Área de inundación Volumen dragado Costo m Km 2 m 3 en millones de $ ,486, $1, ,772, $2, Con el objetivo de comparar cuantitativamente, el costo, área de inundación y volumen de dragado para cada escenario de alivio simulado, esta sección introduce comparaciones entre estas variables. Esto permitirá determinar cuál de estos escenarios representa el mejor de todos, desde un punto de vista económico y de consecuencias esperadas. 40 C a p í t u l o 3

41 D r e n a j e S u p e r f i c i a l a g u a s a b a j o d e l r í o S a m a r i a La Figura 27 representa la relación entre el área de inundación y la anchura de dragado (para ambas profundidades de dragado estudiadas). La línea discontinúan representa los resultados para drenes con profundidades de 9 m, mientras que la línea continua representa los resultados para drenes con profundidad de dragado de 7.5 m. Los resultados presentados indican que para ambas profundidades de dragado, las consecuencias en términos del área de inundación son bastante similares para drenes con anchuras de 240, 300 y 380 m. A pesar de que las áreas de inundación son mayores para drenes con una profundidad de 7.5 metros, la diferencia no es sustancial en términos del área de inundación obtenida. Con lo cual se anticipa una posible reducción en el costo del dren final. Figura 27. Relación entre el área de inundación y la anchura del dren para los escenarios simulados 41 C a p í t u l o 3