CRITERIOS PARA UNA METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE DECISIONES DE LA SECUENCIA DE OBRAS HIDRÁULICAS ESCALONADAS JUAN EUSEBIO GONZÁLEZ FARIÑAS

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1 CRITERIOS PARA UNA METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE DECISIONES DE LA SECUENCIA DE OBRAS HIDRÁULICAS ESCALONADAS JUAN EUSEBIO GONZÁLEZ FARIÑAS Escuela Técnica Superior de Ingeniería Civil e Industrial/ ULL RESUMEN El carácter de continuidad espacial lineal de los barrancos impone que las actuaciones que se realizan produzcan obras escalonadas a lo largo del cauce. La prioridad de ejecución de las obras (pasos, puentes, canalizaciones, etcétera), en la práctica, suele depender de decisiones administrativas y políticas que responden a, o son inducidas por, necesidades puntuales del fomento y de la protección de zonas específicas de las cuencas. Ello conlleva, en ocasiones, a que se ejecute una actuación que, teniendo como consecuencia un aumento de la conductividad local del cauce (o que reduzca la capacidad de almacenamiento temporal), no genere las intervenciones necesarias en zonas de aguas abajo para proteger su seguridad frente a avenidas y al incremento de los arrastres y consecuente acumulación de sólidos. En otras, a provocar remansos que conllevan inundaciones en el territorio ubicado aguas arriba. En resumen, actuaciones que, no asumiendo la financiación de las medidas correctoras, producen o elevan los riesgos de daños por su ejecución secuencial independiente de su impacto temporal sobre zonas del territorio hidráulicamente vinculadas a las mismas. En el presente trabajo se exponen algunos criterios y las herramientas informáticas de apoyo para el establecimiento de una metodología de análisis del problema planteado. Se ejemplifica con casos de estudio. 1

2 1. Introducción. El carácter de continuidad espacial lineal de los barrancos impone que las actuaciones que se realizan produzcan obras escalonadas a lo largo del cauce. En consecuencia, el planeamiento y la ejecución material de las actuaciones y, también, la gestión de las infraestructuras, deben incluir el análisis de los efectos que unas obras puedan producir sobre otras y sobre los tramos de cauces, aguas arriba y aguas abajo. Esta ponencia es la síntesis metodológica de una etapa de modesta, y hasta ahora casi anónima, aproximación de nuestra Escuela Técnica Superior de Ingeniería Civil e Industrial (ETSICI) de la Universidad de La Laguna al estudio independiente de aspectos de la problemática que debe abordar el Plan de Defensa Frente a Avenidas (PDA) auspiciado por el Consejo Insular de Aguas de Tenerife. Se enfocó, en un principio, a revelar la presencia de puntos de riesgo potencial o puntos negros generados por las actuaciones en los tramos de barrancos que atraviesan zonas urbanas. Como puntos de partida se consideraron, inicialmente, las alcantarillas, los puentes y los tramos de canalizaciones cerradas que, ocasionalmente, puedan operar como orificios y conducciones forzadas. El criterio empleado para calificar una obra como punto negro para un período de retorno dado- se basó en la comparación de la capacidad de paso de la misma para la peor combinación factible de calados máximos, aguas arriba y aguas abajo, que no provocaran desbordamientos o inundaciones, con el caudal local esperado para dicho período de retorno. En la figura 1 se muestra un ejemplo correspondiente a una alcantarilla del Barranco de Tahodio, en Tenerife m Control orificio Control tubo lleno Vista desde aguas arriba Vista desde aguas abajo Figura 1. Ejemplo de punto negro determinado por la comparación de caudales de paso y los caudales previsibles locales para distintos períodos de retorno En la tabla 1 se resumen de los resultados de los cálculos de la capacidad de paso de la obra bajo las hipótesis de funcionamiento con la entrada sumergida. El control de orificio corresponde a la condición de flujo con superficie libre en el interior de la alcantarilla y, el control de tubo lleno, a la circulación a sección completa. Del análisis de los resultados se desprende que esta obra ni siquiera tiene capacidad para evacuar el pico de la avenida de 50 años. Tabla 1. Resumen de los resultados de la capacidad de paso de la obra del barranco de Tahodio. Calado máximo aguas arriba Q máximo calculado Caudal hidrológico local para T años, según CIATFE Obra 3 (m) (m3/ s) 50 años 100 años 500 años Control de orificio Control de tubo lleno 155 2

3 Posteriormente se incorporaron al análisis los tramos de canalizaciones, obras edificatorias y usos implantados en la zona del dominio público hidráulico (DPH). En la figura 2 se expone un esquema de actuación típico de urbanización de terrenos del cauce de un barranco. La reducción de la sección transversal repercute, necesariamente, en el comportamiento en el tramo afectado y, potencialmente, aguas arriba y aguas abajo. A A Planta A - A Figura 2. Ejemplo de actuación típica en el proceso de urbanización de barrancos. La propuesta de obras nuevas en tramos intermedios de los barrancos, en el marco del desarrollo sostenible de nuestros días, no debe ser ajena al presumible aumento del riesgo potencial, agua arriba y aguas abajo, de las mismas. Ello nos ha conducido a traer a un primer plano de atención, de la formación de los futuros egresados de nuestra ETSICI, de la práctica cotidiana de proyecto y, también, de la formulación de los planes de ordenamiento territorial, la necesidad de sistematizar los análisis de las influencias entre las actuaciones en los barrancos y entre estas y el resto del territorio circundante. 2. Antecedentes. La convocatoria pública del Presidente del Cabildo Insular de Tenerife y del Consejo Insular de Aguas de Tenerife (equivalente a organismo de cuenca), a mediados de 2005, relativa a una participación social e institucional, durante el período de exposición y debate del Avance del PDA fue una oportunidad para que un grupo de profesores y alumnos de nuestra Escuela desarrollaran un conjunto de Trabajos Prácticos y Proyectos de Fin de Carrera que abordaran el análisis y propuestas de medidas correctoras para distintos barrancos de la isla afectados por la riada de Dichos trabajos permitieron conocer casos que, aunque identificados genéricamente por el Avance del PDA, requieren, para su corrección, de análisis que se aborden desde una perspectiva territorial pues las soluciones de obras que están alineadas en un cauce no pueden limitarse, en 3

4 general, a resolver los problemas locales pues generan, potencialmente, efectos perjudiciales aguas arriba y aguas abajo. 3. Herramientas de cálculo. Haciendo una breve síntesis de los aspectos de la Hidráulica de las conducciones con superficie libre más relacionados con el propósito antes expresado, se puede plantear que el flujo en los cauces, excepto en los tramos cortos con pendientes fuertes, con cambios de sección acusados o, en caídas, discurre en régimen gradualmente variado. Ello permite la aproximación basada en el conocido Método de los Pasos (Step Method). En esencia, este es un procedimiento de integración numérica de la ecuación diferencial del flujo gradualmente variado que parte de un calado conocido en uno de los extremos de cada subtramo de pendiente de fondo uniforme. Si la pendiente es rápida o supercrítica para el caudal de cálculo, se parte de la sección de aguas arriba. Si es lenta o subcrítica, del extremo opuesto. El HEC RAS dispone de una opción de cálculo conocida como mixed que posibilita que el programa determine, automáticamente, en que situación se encuentra cada subtramo de un tramo de análisis. Requiere de información de las condiciones de calados en ambos extremos. El HEC RAS permite, también, la inclusión de alcantarillas y puentes de diversas geometrías. El reconocimiento de la existencia de secciones de control a lo largo de un barranco, por otra parte, permite realizar el cálculo de las curvas de Elevación o de calado vs. Caudal en las obras de paso operando únicamente con las ecuaciones de la Hidráulica Básica. Como es conocido, dichas secciones pueden ser de los tipos: de calado crítico (en caídas), vertedor, orificio y de tubo lleno. Su aplicación, sólo con las dimensiones características de la sección transversal o de la obra de paso y el caudal, posibilita el cálculo de la elevación de la superficie o la carga (calado más carga a velocidad media) en su inmediata vecindad aguas arriba. En el caso de control de tubo lleno se necesita, además, una estimación de la rugosidad del conducto. Ello da un resultado relativamente fácil de obtener para un diagnóstico de campo de la capacidad de una obra de paso. En tramos de sección y pendiente de fondo sensiblemente constantes, el flujo tiende a alcanzar su calado normal de circulación. Dados el caudal y una estimación de la rugosidad del perímetro mojado previsible, el empleo de alguna de las conocidas ecuaciones Chezy, Manning Strickler, etcétera- permite el cálculo del calado del flujo en esas condiciones. Los análisis basados en las ecuaciones de la Hidráulica Básica, directamente, y en la aplicación informática de las mismas: HEC RAS (Hydrologic Engineering Center's River Analysis System) permiten obtener resultados prácticos rápidos si se puede aceptar la simplificación de flujo unidimensional. Se enfatiza en el uso el uso del software de libre disposición antes mencionado por su amplia divulgación y accesibilidad internacional y por sus razonables resultados si se parte de las limitaciones reales en la cantidad y la calidad de los datos de campo e hidrológicos que se pueden obtener, normalmente. Si se dispone de un modelo digital del terreno (MDT) puede usarse alguna de las extensiones de ArcView o de ArcGis, conocidas como HEC GeoRAS, para elaborar un fichero de datos RAS GIS para el HEC RAS. La simulación hidrológica y el tránsito de avenidas por el cauce pueden ejecutarse con software público: HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System) para cuencas poco urbanizadas y EPA- SWMM (Enviromental Protection Agency s Storm Water Management Model) para zonas muy urbanizadas. 4

5 4. Casos de estudio. Caso 1. Actuación típica de urbanización. La figura 2 anterior esquematiza una actuación típica de urbanización de terrenos en base a ganar espacio bien ciertamente escaso en las islas- del cauce de un barranco. La reducción de la sección transversal del barranco tiene, potencialmente, efectos aguas arriba y aguas abajo. El aumento de la velocidad del flujo y, en consecuencia, de su capacidad erosiva, por otra parte, suele ser fuente del incremento de los acarreos y de deslave de la cimentación de los propios muros laterales de la canalización. Caso 2. Alcantarilla en el Barranco de Valleseco. La figura 3 corresponde a un ejemplo de diagnóstico de la capacidad de paso de una alcantarilla basado en los cálculos de la Hidráulica Básica. Se comprueba que, en contraposición al ejemplo de la figura 1, esta obra sí puede evacuar los picos de las avenidas de cálculo para períodos de retorno de 50 y 100 años, funcionando a tubo lleno. Figura 3. Vista, desde aguas abajo, de una alcantarilla de cajón en el Barranco de Valleseco, Tenerife. Según los cálculos, su capacidad de paso a tubo lleno es superior a los caudales del escurrimiento Q T = 50 años = 45 m 3 / s y Q T = 100 años = 54 m 3 / s. Caso 3. Alcantarilla en el Barranco de Guayonje, T. M. de Tacoronte. La figura 4 corresponde a un ejemplo de diagnóstico de la capacidad de paso de una alcantarilla basado en los cálculos con HEC RAS. La alcantarilla está formada por dos tuberías de hormigón armado de diámetro igual a m y de longitud igual a 30 m. El caudal hidrológico en esa sección es de 31 m 3 / s. 5

6 1. 15 m Figura 4. Alcantarilla de dos tubos en el Barranco de Guayonje. a. Sección transversal b. Sección longitudinal Figura 5. Resultados gráficos de la corrida del caudal para T = 50 años. En la figura 5, a y b, se exponen los calados en las secciones transversal y longitudinal de la obra para T = 50 años, obtenidos mediante la aplicación HEC RAS. En ambas figuras se aprecia, a simple vista, que la obra funciona a tubo lleno y rebosa sobre la calle que debe proteger. En la figura 6 se compara el estado de la alcantarilla antes y después de los arrastres sólidos generados por las lluvias del 18 de marzo de 2007, de un período de retorno de, aproximadamente, 150 años. Aunque este fue un evento extremo, es evidente la necesidad de estabilizar el lecho y las márgenes del tramo de barranco urbano aguas arriba de la obra. 6

7 Figura 6. Estado de la alcantarilla, desaparecida bajo los sedimentos, en la calle Calvario como resultado de las lluvias del 18 de marzo de Caso 5. Tramo de barranco aguas abajo de una actuación de obra reciente. En la figura 7 se ejemplifica un caso representativo de la problemática de un tramo de barranco aguas abajo de una obra hidráulica de reciente ejecución. En dicha figura se muestra una composición de fotografías de un tramo del Barranco de El Hierro, también en Tenerife, sobre una foto-plano de Google Earth. La foto 1 corresponde a una obra de canalización reciente para el paso del viario urbano y una zona ajardinada construidos en el cauce del barranco. En la esquina inferior derecha de la misma se puede apreciar el tramo final correspondiente a un estanque amortiguador dimensionado para garantizar que el caudal, de unos 45 m 3 / s, correspondiente a un período de retorno de 100 años, no provoque erosiones en la zona de descarga del agua al cauce natural. Las fotos 2 y 3 corresponden a secciones aguas abajo en las que se pueden apreciar actuaciones diversas anteriores en el cauce del barranco. En la foto 3 se muestra una tubería de saneamiento ubicada en el fondo del barranco que está parcialmente desenterrada. La foto 4 es una vista del interior del paso bajo la calle que limita, aguas abajo, el tramo de barranco estudiado. La foto 5 es una vista de la sección de descarga de ese mismo paso. Ninguna de las secciones mostradas en las fotos 2 a 5 tiene capacidad para evacuar el caudal de 45 m 3 / s sin provocar desbordamientos del cauce. Aguas abajo de la calle Camino de El Hierro existe, no mostrado en las fotos, un parque recreativo que actúa como balsa de laminación de avenidas. Las obras del conducto de drenaje urbano y las construcciones edificatorias, en la zona de dominio público hidráulico del tramo de barranco analizado, aguas abajo de la obra ejecutada, queda, potencialmente, en una situación de riesgo mayor pues, como mínimo, se ha reducido la capacidad de almacenaje temporal de la avenida en el cauce canalizado y la entrega de agua limpia incrementará la capacidad de erosión de la corriente. Se da por sentado que en el PDA se recogen las medidas de alerta y de evacuación de la población que habita el lugar. 7

8 Figura 7. Composición de fotos de un tramo del Barranco de El Hierro analizado. 5. Criterios para una metodología de análisis. Los criterios que se proponen tener en cuenta, más abajo, pretenden destacar el enfoque hidráulico e hidrológico del alcance territorial de la influencia de la obra propuesta en los límites hidráulicos de su zona de influencia. Una metodología de análisis de la interacción entre las obras hidráulicas escalonadas, dando por supuesto de que se dispone de los caudales máximos estimados para distintos períodos de retorno, debe tender a abordar los aspectos hidráulicos e hidrológicos siguientes: Cálculo del remanso potencial aguas arriba de la obra propuesta. Diagnóstico de la modificación de la capacidad de paso, Elevación del agua vs. Caudal, en las obras existentes aguas arriba, por los efectos potenciales de remanso de la obra propuesta. Estimación de las inundaciones derivadas aguas arriba de la obra por los efectos anteriores sin medidas correctoras adicionales. Redimensionamiento del proyecto, si procede, para minimizar o eliminar los efectos aguas arriba. Determinación de las medidas correctoras aguas arriba de la obra. Cálculo del nuevo hidrograma de avenida generado en la descarga de la obra planteada. Diagnóstico de la capacidad de paso, Elevación del agua vs. Caudal, en las obras existentes aguas abajo. Cálculo de los niveles de crecidas aguas abajo para distintos períodos de retorno. 8

9 Estimación de las inundaciones derivadas aguas abajo de la obra por los efectos anteriores. Estimación de los cambios en la capacidad de erosión aguas abajo. Redimensionamiento del proyecto, si procede, para minimizar o eliminar los efectos aguas abajo. Determinación de las medidas correctoras aguas abajo de la obra. El análisis de la secuencia de las obras que minimicen una función objetivo de costes sociales y económicos debiera formar parte de la planificación territorial. Las conclusiones que se derivan del estudio de los aspectos arriba planteados pueden servir como una guía técnica de aspectos hidráulicos e hidrológicos. El análisis más detallado de dichos aspectos debiera aparecer, explícitamente, en la documentación de impacto ambiental y en una estimación de costes económicos y sociales- de las medidas correctoras que se deriven de la ejecución de los proyectos. 6. Conclusiones y recomendaciones. La propuesta de obras nuevas en tramos intermedios de los barrancos, en el marco del desarrollo sostenible de nuestros días, no debe ser ajena al presumible aumento del riesgo potencial, agua arriba y aguas abajo, de las mismas. Ello conlleva la necesidad de sistematizar los análisis de las influencias entre las actuaciones en los barrancos y entre estas y el resto del territorio circundante. El análisis de la secuencia de las obras hidráulicas escalonadas que minimicen una función objetivo de costes sociales y económicos debiera formar parte de la planificación territorial. Bibliografía 1. Agència Catalana de l`áigua (2003) Guía Técnica Recomanacions tècniques per als estudis d inundabilitat d àmbit local, Generalitat de Catalunya, Barcelona: Cabrera Cazorla, L. y J. Raso Quintana (2006): Parque urbano de laminación de avenidas de Gavá y Viladecans (Barcelona) III Congreso de Ingeniería Civil y Medio Ambiente, Zaragoza, de Octubre de 2006: Carlos Albolay, A. (2007): Diagnóstico de la defensa frente a avenidas del Barranco de El Hierro (tramo: Pedro Suárez- Camino del Hierro), Memoria de PFC, Escuela Técnica Superior de Ingeniería Civil e Industrial, ULL, Tenerife: Consejo Insular de Aguas e INCLAM (2005) Plan de defensa frente a avenidas. Avance, Cabildo de Tenerife, Tenerife. ( ): Cué Pérez, G., J. A., Revilla Cortezón, C. Álvarez Díaz y E. García Alonso (2006): Cálculo de caudales de avenida en la cuenca del río Pas (Cantabria) ) III Congreso de Ingeniería Civil y Medio Ambiente, Zaragoza, de Octubre de 2006: Delgado Velasco, C. (2003): Los riesgos de la interacción entre cauces y zonas urbanas. Algunos ejemplos menores en la cuenca del Guadiana, III Congreso de Ingeniería Civil y Medio Ambiente, Zaragoza, de Octubre de 2006: Díaz Toledo, A. (2007): Diagnóstico de la defensa frente a avenidas del Barranco de Valleseco, Memoria de PFC, Escuela Técnica Superior de Ingeniería Civil e Industrial, ULL, Tenerife: Falcón Hdez., N y J. Lis Alecio (2007): Diagnóstico de la defensa frente a avenidas del Barranco de Tahodio, Memoria de PFC, Escuela Técnica Superior de Ingeniería Civil e Industrial, ULL, Tenerife: Gerencia Municipal de Urbanismo (2003) Plan General de Ordenación de Santa Cruz de Tenerife. Documento de tramitación, Excmo. Ayuntamiento de Santa Cruz de Tenerife, Tenerife: Martín Pérez, D. (2007): Diagnóstico de la defensa frente a avenidas de tres tramos en el Barranco de Guayonje, en Tacoronte, Memoria de PFC, Escuela Técnica Superior de Ingeniería Civil e Industrial, ULL, Tenerife: Murillo J., P. Brufau, P. García-Navarro, M. Rodríguez, y A. Andrés (2006): Aplicación del modelo bidimensional Guad-2d para la determinación de zonas inundables en el T.M. de Fraga (Huesca) III Congreso de Ingeniería Civil y Medio Ambiente, Zaragoza, de Octubre de 2006; U.S Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center. Hydraulic Reference Manual, HEC-RAS. Technical Reference Manual: U.S Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center. Hydrologic Modelling System, HEC-HMS. Technical Reference Manual: